1.1 연구 배경

일반적인 철근콘크리트 공사에서 거푸집 작업은 많은 소요 비용과 노동력, 공사기간의 지연 등을 초래하는 경우가 많다. 또한, 최근 수요가 증가하고 있는 비정형 건축물에서는 이러 한 거푸집 작업을 한층 더 복잡하고 어렵게 하고 있다. 콘크리 트 3D프린팅은 굳지 않은 상태의 콘크리트를 압출하고 적층 하는 방식으로 시공이 가능하기 때문에 거푸집이 필요하지 않으며, 이에 따라 공사비 및 노동력을 절감하고 공사기간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 국외에서는 이러한 콘크리트 3D프린팅을 성공적으로 개발⋅적용한 사례가 다수 존재하 며, 이미 상용화 단계에 접어들고 있다. 그러나, 국내의 경우, 국외에 비해 콘크리트 3D프린팅 기술의 개발 및 연구 정도가 상대적으로 미비한 수준이며, 이러한 기술 수준의 격차를 해 소하기 위해서는 관련 기술 개발 및 연구가 절실히 필요한 실 정이다.

1.2 기존 연구

1.2.2 PTG의 영향

^{Panda et al.(2018)}과 ^{Perrot et al.(2016)}, ^{Hong et al.(2018)}의 연구에 따르면 레이어의 적층시간 간격(Printing Time Gap, 이 하 PTG)이 짧으면 콘트리트 변형이 과다하게 발생되어 붕괴에 이를 수 있으며, 반대로 PTG가 지나치게 큰 경우에는 레이어 사이의 부착성능이 감소할 수 있다. ^{Perrot et al.(2016)}과 ^{Hong et al.(2018)}은 실제 콘크리트 3D프린팅 상황을 가정하여 PTG 에 따른 모의 적층실험을 수행하였다. 즉, 이들의 모의 적층실 험에서는 콘크리트 3D프린팅으로 적층실험을 수행하지 않고, 몰드로 실험체를 제작하여 만능재료실험기(Universal Testing Machine, UTM)로 압축력을 가하는 실험을 수행하였으며, 이 때 가력하중의 크기는 콘크리트 레이어 상부 층의 무게를 고려 하여 적용하였다. 실험결과, Fig. 1에 나타낸 바와 같이 PTG가 증가할수록 수직 변위는 감소하고, 항복시점은 늦어지는 것으 로 나타났다. 여기서 항복시점은 균열이 육안으로 관찰되거나 급격한 수직변위가 발생되었을 때로 판단하였다.

Fig. 1

Displacement results according to PTG(Perrot, 2016)

이 연구에서는 100 MPa급 고강도 콘크리트 배합에 적합한 적층성을 확보하기 위하여 PTG를 변수로 한 3D 프린팅 실험 을 수행하였으며, 이와 더불어 콘크리트 3D 프린팅 방법을 유 사하게 모사할 수 있는 모의 적층실험 방법의 유효성을 검토 하기 위하여 모의 적층실험을 수행하였다.

2.1 실험계획 및 변수

이 연구에서는 Table 1에 제시된 바와 같이 100 MPa급 고강도 콘크리트 배합에 적합한 적층성을 확보하기 위하여 PTG를 변 수로 한 3D 프린팅 실험을 수행하였다. 배합재료는 시멘트 (Cement, C), 물(Water, W), 고형분 30% 함량의 폴리카본산계 고성능감수제(Superplasticizer, SP), 응결지연제(Retarder, RT), 실리카 퓸(Silica Fume, SF), 필러(Filler, F), 잔골재(Fine-Sand, FS) 이며, 잔골재는 입자의 크기가 0.22~0.42인 6호사 및 0.07~0.22인 7호사를 사용하였다. 배합재료의 물성자료는 Table 2에 나타내었다.

Table 1

Concrete mix design

Table 2

Properties of Concrete mix design

Table 3에 나타낸 바와 같이 실험변수는 가력방법(loading type)과 PTG이다. 가력방법은 실제 콘크리트 3D프린팅을 통 한 적층 하중 (P)과 모래를 통한 모의적층 하중가력(S)이며, PTG는 30초와 60초로 설정하였다.

Table 3

Variables of experiment

2.2 실험 방법

Fig. 2와 3은 콘크리트 3D 프린팅 실험과 모의 적층실험을 나타낸 것이다. 모든 실험체는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하 여 각각의 PTG에 따라 4개층 (4-layer) 까지 적층하였다. 이 후 5층(5-layer) 부터 P-30s와 P-60s 실험체에서는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하여 적층하였으며, S-30s와 S-60s 실험체에서 는 모래를 이용하여 필라멘트 1개의 무게씩 PTG에 따라 가력 하였다.

Fig. 2

Concrete 3D printing

Fig. 3

Pseudo-Layer loading method using sand

각 필라멘트의 목표 층 높이는 8 mm이며, 필라멘트를 프린 팅 한 후 출력한 총 높이를 측정하여 목표 값과 실험 값을 비교 하였다. 실험체의 항복은 적층 시 균열이 발생하거나 급격하 게 수직변위가 증가하였을 때로 가정하였으며, 각 실험체의 항복한 시점(층수)과 변위를 비교하였다. 점도와 항복응력은 Brookfield Rheometer (DV3T)를 사용하여 측정하였다.

3.1 레올로지 측정 결과

Fig. 4에 나타낸 바와 같이 항복 응력은 시간이 지남에 따라 증가하는 경향을 보였다. 배합 후 115분 동안은 원활한 압출 과 적층이 가능하였으며, 배합 후 약 115분이 경과하였을 때 항복응력이 급격하게 증가하였다. Fig. 5는 RPM을 변수로 하 여 시간에 따른 점도의 측정결과를 나타낸 것이다. 점도도 전 반적으로는 항복 응력과 유사하게 시간에 따라 증가하는 경 향을 나타내었다. 다만, 측정 속도가 10 RPM를 넘는 경우에 는 측정값들의 차이가 크게 나타나지 않았으며 시간에 따른 점도의 증가 폭도 작게 나타난 반면에, 측정 속도 10 RPM 이 하에서는 시간에 따른 증가폭과 측정값들의 차이가 뚜렷하게 나타났다.

Fig. 4

Measurement results of yield stress with time

Fig. 5

Measurement result of viscosity with time

3.2 실험 결과

Fig. 6은 실험체들의 적층 사진을 나타낸 것이며, Fig. 7은 레이어 증가에 따른 목표 높이와 실험체의 실제 높이를 나타 낸 것이다. P-30s 실험체는 총 8층까지 적층하였으며, 적층 종 료 시까지 균열은 발생하지 않았다. 다만, Fig. 7에 나타낸 바 와 같이 실험시 층 높이가 목표 층 높이에 도달하지 못하였으 며, 이는 3층 적층 시점부터 레이어가 적절하게 경화되기 전 에 다음 레이어가 적층되면서 Fig. 8(a)에 나타낸 바와 같이 상 당한 변형이 발생하였기 때문이다. 즉, Fig. 9에 나타낸 바와 같이 각 레이어의 목표 출력높이에 비해 3층 적층시 레이어 높이가 큰 차이를 보인 것을 알 수 있다.

Fig. 6

Test specimens

Fig. 7

Layered heights of specimens

Fig. 8

Increment in heights at each layered point

Fig. 9

Heights of printed layers

P-60s 실험체에서는 Fig. 6(b)에 나타낸 바와 같이 7층 적층 시점에 1층 레이어에서 최초의 균열이 발생하였으며, 이후 총 11층 까지 적층하였다. Fig. 7과 Fig. 8(b)에 나타낸 바와 같이 P-60s 실험체는 8층까지 층 높이가 비교적 일정하게 증가하였 으며, 8층 적층 이후에는 하부층 레이어의 균열 및 변형으로 인하여 목표 층 높이와 실제 층 높이의 차이가 급격하게 증가 한 것으로 나타났다.

Fig. 6(c)에는 S-30s 실험체의 적층 사진을 나타내었다. S-30s 실험체는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하여 4층까지 적층한 후, 모래를 이용하여 추가적으로 10층을 적층하여 총 14층까지 적 층하였다. S-30s 실험체의 초기 균열 시점은 정확하게 파악되 지 않았으나, Fig. 8(a)에 따르면 3층 적층 시점부터 목표 층 높 이와 실제 층 높이의 차이가 증가한 것으로 나타났다.

Fig. 6(d)에는 S-60s 실험체의 적층 사진을 나타내었다. S-60s 실험체는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하여 4층까지 적층한 후, 모래를 이용하여 추가적으로 9층을 적층하여 총 13층까지 적 층하였다. S-60s 실험체는 추가적으로 3층에 해당하는 하중을 적용하였을 때 (즉, 총 7층) 1층 레이어에서 최초의 균열이 관측 되었다. 다만, Fig. 7에 나타낸 바와 같이 S-60s 실험체는 균열 발생 이후에도 완만한 수직 변형을 나타내었다.

3.3 PTG의 영향

P-30s 실험체는 P-60s 실험체에 비하여 상대적으로 매우 이 른 시점 (즉, 3층 레이어 적층 시)에 항복하였으며, S-30s 실험 체도 3층 적층 시점에 항복한 것으로 나타났다. 따라서 30초 의 PTG는 사출된 필라멘트의 강도가 발현되어 상부층을 적 층하기에는 부족한 것으로 판단된다. 이에 비해 60초의 PTG 로 사출된 P-60s, S-60s 실험체들은 상대적으로 높은 층높이 에서 항복하는 것으로 나타났다. 다만, P-60s와 S-60s 실험체 에서도 모두 7층 적층시 균열이 발생되었기 때문에 콘크리트 프린팅에 적합한 PTG라고 보기에는 무리가 있다. 따라서, 추 가 실험을 통해 60초 이상의 PTG에서 안정적인 적층이 가능 할 지 확인해야 할 것으로 판단된다. 다만, PTG와는 별개로 필라멘트가 적층됨에 따라 자중에 의하여 최하부층 레이어가 한계파괴응력에 도달하여 항복할 수 있으므로 프린팅 1회당 출력 가능한 최대 높이도 검토해야 할 것으로 판단된다.

3.4 모의 적층 실험의 유효성 확인

Fig. 7에 나타낸 바와 같이 S series 실험체들에 비하여 P series 실험체에서 상대적으로 더 큰 수직 변위가 발생하였다. 이는 P series 실험체의 경우 층이 높아짐에 따라 5층 이상의 레이어에서도 변형이 발생하는 것에 비해 S series 실험체에 서는 1~4층의 레이어에서만 수직 변형이 발생하기 때문이다. 또한 P-60s 실험체와 S-60s 실험체는 8층 적층 시까지 유사한 수준의 수직 변형을 나타내었다. 이에 비해, P-30s 실험체와 S-30s 실험체는 상대적으로 큰 수직 변형 차이를 나타내었다. 이처럼 PTG가 작을수록 모의 적층 실험과 콘크리트 3D 프린 팅 실험에서 수직 변형의 차이는 큰 것으로 나타났다. 따라서, 필라멘트의 강도가 발현되기 위한 최소 PTG를 만족한다면 모의 적층 실험이 콘크리트 3D 프린팅 실험을 유사하게 모사 할 수 있을 것으로 판단된다.