2.1 사용재료

결합재는 1종 보통포틀랜드시멘트(OPC: ordinary Portland cement), 플라이애시 2종(FA: fly ash), 실리카흄(SF: silica fume)을 사용하였다. 잔골재는 국내산 규사 7호사를 사용하였으며, 혼화제는 유동성과 적층성을 확보하기 위해 D사에서 개발한 3D 프린팅용 폴리카르본산계 고성능 감수제를 동일하게 적용하였다.

2.2 적용배합

배합은 기존배합과의 비교를 위해 결합재로 OPC만을 사용한 배합과 Fig. 2의 한국건설기술연구원 컨소시움에서 본 연구진이 개발하여 소형건축물(부지면적 10 m2, 높이 3m) 출력에 적용한 3D 프린팅용 배합을 사용하였다.

적층 배합을 위해 결합재는 OPC, FA, SF 세 종류를 적용하였으며, 결합재는 중량비로 OPC:FA:SF = 70:20:10%의 비율로 혼합하여 3성분계로 적용하였다. 적용한 배합표는 Table 1에 표현하였다.

2.3 사용장비

Fig. 2. 3D Printing house in test-bed (KICT)

적층에 사용한 장비는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 길이 14 m, 폭 12 m, 높이 4 m의 대형 겐트리 장비를 이용해서 시험체를 제작하였다. 출력에 사용한 장비는 Mono-pump 형식의 출력 7.5 kW 압출장치를 이용하였으며, 재료이송용 이송관은 고무재질의 호스를 20 m 연결하여 사용하였다. 압출용 노즐은 스테인레스 재질의 내경 25 mm 원형관을 사용하였다.

Fig. 3. 3D Printer in test-bed(KICT) and Nozzle (right)

2.4 수축측정용 시험체 제작방법

압축강도와 수축변형률 실험은 2회차로 나누어 진행하였다. 1회차 실험(series A)에서는 개발된 배합이 동일한 조건에서 결합재로 OPC와 3성분계 결합재를 사용할 경우 수축량 변화를 분석하였다. 수축량 비교를 위해서 OPC 배합 1개 시험체, Printing배합 1개 시험체를 제작하여 20일간 수축량을 평가했다. 수축변형률 측정을 위해 강성이 있는 강재 몰드(100×100×400 mm)를 사용하였으며, 매립게이지를 시험체 중앙에 Fig. 4와 같이 설치하였다.

Fig. 4. Specimens for shrinkage measurement (mold casted specimen - left, printed specimen – right)(Lee et al., 2019a)⁽⁷⁾

또한, 몰드의 바닥과 양단에는 1mm 두께의 테프론시트(Teflon sheet)를 폭방향과 길이방향 2중으로 위치시켰으며, 몰드와 테프론시트 사이에는 윤활유를 도포하여 시험체의 수축을 구속하지 않도록 제작하였다. 타설 후 시료표면에서의 수분증발 및 흡수를 막기 위해 폴리에스테르필름(Polyester film)을 표면을 덮어 외기의 접촉을 방지하였다. 출력 이후의 환경과 유사한 조건을 갖도록 타설 24시간 후 몰드를 탈형하고 표면의 필름을 모두 제거하여 시험체의 모든 면을 최대한 노출시켰다.

2회차 실험(series B)에서는 프린팅 배합만을 이용하여 세 가지 조건(배합 직후, 압출직후, 적층 후)의 시험체를 제작하여 수축을 분석하였다. 배합직후, 압출직후 조건에서의 시험체는 게이지의 매립 및 시험체의 이동을 위해서 Fig. 4의 그림과 같이 시험체 제작하였으며, 타설 1시간 후 몰드 및 필름을 제거하여 출력물과 동일한 환경을 조성할 수 있도록 하였다.

적층시험체의 수축율을 평가하고 몰드로 제작한 시험체와 결과를 비교하기 위해서 출력물의 폭을 100 mm 로 출력하였으며, 1 layer당 10 mm의 높이로 10 layer를 출력하여 몰드시험체와 동일한 높이인 100 mm로 출력하였다. 출력물은 몰드시험체의 탈형시기인 출력 1시간 후, 길이 400 mm 간격으로 시험체를 절단하여 모든 시험체의 조건을 최대한 동일하게 설정하였다. 적층시험체 내 수축변형률 측정을 위해 몰드시험체에 적용한 게이지와 동일한 변형률 측정게이지를 매립하였으며, 매립위치는 Fig. 5와 같이 높이방향에서의 중앙점인 5번째 layer와 6번째 layer 중앙에 매립하였다.

수축변형률 측정결과의 신뢰성을 확보하기 위해 몰드시험체와 적층시험체를 조건별 각 2개를 제작하여 결과를 도출하였다. 수축변형률 결과는 측정시작일을 원점으로 2개 시험체의 평균값을 이용하여 그래프로 표현하였다

몰드로 제작한 시험체와 출력방법으로 제작한 시험체는 모두 타설 1시간 후 온도 20 ± 2 ℃, 상대습도(RH: Related Humidity) 60RH%의 항온항습실로 이동하여 양생하였다. 몰드에 제작한 시험체와 적층공법을 적용하여 적층한 시험체의 수축변형률을 매립형 스트레인게이지와 데이터로거로 측정하였으며 결과를 상호비교하였다.

Fig. 5. Printing specimen preparation process

본 연구는 압출 전/후 몰드제작 시험체와 출력시험체의 수축특성을 상호 비교하기 위한 목적으로 실험을 21일(series A), 35일(series B) 진행하였다. 기존 출력 시험체의 수축연구 결과(Lee et al 2019)⁽⁸⁾ 출력시험체의 수축특성은 초기 14일 이전에 총 수축량의 80% 이상이 발현됐으며, 14일에서 28일까지의 수축 증가 경향이 28일 이후에도 대체적으로 유지되어 단기실험으로도 상호비교가 가능할 것으로 판단하였다.

2.5 압축강도

수축변형률 측정용 시험체를 제작 시 압출 전/후 시험체의 압축강도 측정을 위해 ASTM C 39 – 20에 따라 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 공시체를 함께 제작하여, 수축시험체와 동일한 조건의 항온항습실에서 양생하였다. 압축강도 측정은 배합당 4회(재령 1, 3, 7, 28일) 측정하였으며, 재령당 3개의 시험체를 측정하여 그 평균값을 사용하였다. 압축강도 측정을 위한 하중 재하속도는 0.3 MPa/sec를 적용하였다.

3.1 배합별 수축 및 강도 비교 (series A)

결합재로 OPC를 100% 사용한 배합과 3D 프린팅용 배합을 사용하여 강도를 평가한 결과는 Fig. 6 에 나타냈다. OPC 배합의 경우 압축강도가 34.1, 50.3, 55.0, 68.8 MPa로 7일차까지 28일 압축강도의 약 80%가 발현됐으며, Printing 배합의 경우 7일차 까지 압축강도는 유사하게 발현됐으나 28일차 강도가 74.2 MPa로 증가하여, 7일차 강도는 28일차 강도의 약 74% 가 발현됐다. OPC 배합 1일차 실험결과를 제외하고 재령별 강도 결과의 오차는 상당히 작게 나타나서 결과의 신뢰도가 높은 것으로 나타났다.

Fig. 6. Compressive strength(OPC mix, Printing mix)

결합재로 OPC를 100% 사용한 배합과 3D 프린팅용 배합을 사용하여 수축특성을 21일간 평가한 결과는 Fig. 7에 표현했다. 두 배합 모두 타설후 재령 6시간에서 12시간 사이 10 - 30 ㎛/m 범위의 미소한 팽창이 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 경향은 출력용 배합의 몰드 타설 시험체와 적층시험체에서도 모두 동일한 경향을 확인할 수 있었다.

Fig. 7. Shrinkage results(OPC mix, Printing mix)

타설 후 재령 7일 이후의 수축율 증가 경향은 두 배합이 유사하게 나타나지만 양생 초기 OPC 배합의 수축이 크게 발생함에 따라 재령 3일차에 최대 288 ㎛/m 이상 차이가 발생했다. 하지만 재령 3일 이후 차이는 서서히 감소되어 재령 21일까지 차이는 220 - 230 ㎛/m 범위에서 두 배합이 유사하게 증가하는 경향을 나타냄을 확인하였다. 결과적으로 OPC 배합과 비교하여 Printing 배합이 초기 수축을 상대적으로 저감하는 것으로 나타났다.

3.2 압출 전/후 강도 (series B)

압출과정에서의 재료물성 변화가 압축강도에 미치는 영향을 평가하기 위해 압출 전/후 두 종류의 시험체를 각각 재령 1, 3, 7, 28일에 강도를 측정하였으며 그 결과를 Fig. 8에 그래프로 비교하여 표현하였다.

Fig. 8. Compressive strength(before and after extrusion)

압출 전 시험체는 배합 후 펌프에 들어가기 전 재료를 원주형 몰드에 제작하였으며, 압출 후 시험체는 적층 직전 노즐에서 압출되는 재료를 원주형 몰드에 제작한 시험체이다. 1, 3, 7, 28일 재령별 강도는 압출전 시험체의 경우, 평균적으로 34.6, 44.1, 60.5, 85.4 MPa가 발현되었다. 압출 전 시험체의 압축강도는 앞서 1회차 실험 시 동일한 배합인 Printing 배합을 이용하여 실험한 결과와 비교했을 때 7일차까지는 대체적으로 유사하였으나, 28일차 압축강도가 15 MPa 이상 차이가 발생하였다. 이는 다양한 원인이 있으나 배합 환경 및 조건의 차이에 기인한 것으로 사료된다. 압출 후 시험체의 압축강도는 평균적으로 24.8, 40.7, 53.9, 83.6 MPa 가 발현되어 1일차에 10 MPa 가량 차이났던 강도가 28일차에 1.8 MPa 차이로 줄어들 정도로 강도가 발현된 것을 확인할 수 있었다.

3.3 압출 전/후, 적층 후 수축결과 (series B)

출력공정 중 압출 전/후 재료를 이용하여 제작한 몰드 시험체와 적층제작한 시험체를 이용하여 측정한 수축결과를 Fig. 9에 표현하였다. 제작 조건 별 2개씩 제작한 시험체의 결과를 모두 정리하였는데, 각 조건별로 제작한 2개의 시험체는 재령에 따라 서로 유사한 거동을 보이는 것을 확인하였다.

실험결과는 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 압출 전과 후, 적층 후 의 순서로 수축율이 점차적으로 증가하는데 전반적으로 각 단계별 120-130 ㎛/m 범위의 차이를 유지하며 유사하게 수축이 발생하는 것으로 나타났다. Fig. 9의 결과는 Fig. 10에 각 조건별 평균값으로 나타낸 그래프에서 더욱 확연하게 구분할 수 있다.

Fig. 9. Shrinkage results in printing process

Fig. 10. Shrinkage results in printing process (mean value)

Fig. 10에서 볼 수 있듯이 동일한 재료를 이용하여 각 공정별로 재료를 추출하여 제작한 시험체이기 때문에 동일한 거동을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 재령 1일 이후의 거동만을 검토할 경우, 편차가 매우 작게 발생할 정도로 거동이 유사함을 알 수 있다. 결과적으로 공정 중 재료의 변동에 의해 수축에 영향을 미치는 경우는 1일 이내에 발생하는 초기 수축에 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10에 표현된 수축결과의 주요 재령별 결과는 Table 2에 별도로 정리하였다. 재령별 수축결과 뿐 아니라 결과의 해석을 위해 재령별로 상대적인 수축 증가율을 함께 표현하였다. 앞서 결과를 설명한 바와 같이 초기재령에서 배합간의 수축 결과에 가장 큰 차이가 발생하였으며, 이는 재령이 증가할수록 점차적으로 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 초기재령에서는 배합 직후 재료와 비교(C/A)하여 적층된 재료의 수축이 약 1.7배 정도 높게 나타난 것과 비교하면 상당히 높은 수치이지만 재령 28일차의 결과에서는 약 1.27배 높게 나타나 수축증가율의 차가 줄어들고 있음을 확인할 수 있었다.