2.1 사용재료

3D 프린팅 복합재료의 제조에는 3종의 결합재가 사용되었으며, 사용된 결합재 중 1종 보통포트랜드시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 비중은 3.13 g/m$^{3}$이며, 분말도는 3,542 cm$^{2}$/g이다. 플라이애시 2종(fly ash, FA)의 밀도와 분말도는 각각 2.25 g/m$^{3}$과 3.23 cm$^{2}$/g이었으며, 실리카흄(silica fume, SF)의 밀도와 비표면적은 각각 2.20 g/m$^{3}$과 19.3 m$^{2}$/g이었다. 잔골재는 국내산 규사를 사용하였으며 KS 기준에 따라 원재료 분석을 실시하였다. 혼화제는 폴리카르복실계 고성능감수제(high water reduction agent, HWRA)를 사용하였으며, 3D 프린팅 복합재료의 적층성능 확보를 위하여 셀룰로오스계 증점제(Viscosity agent)를 사용했다.

2.2 적용배합

3D 프린팅 복합재료의 28일 설계기준강도는 60 MPa이며, 배합설계는 Table 1에 나타내었다. 물-결합재비(W/B)는 24%로 설정하였으며, 3종의 결합재는 중량비로 OPC:FA:SF = 7:2:1의 비율로 혼합하여 사용하였다. 셀룰로오스계 증점제는 적층성능향상을 위하여 사용하였으며, 결합재 중량대비 0.083% 적용하였다.

2.3 사용 장비

3D 프린팅 복합재료는 길이 1m, 폭 1m, 높이 1.5m의 소형 갠트리 장비를 이용하여 제조하였다(Fig. 1). 출력을 위한 압출장비는 Mono-Pump를 이용하였으며, 재료 이송관은 고무 재질의 호스를 사용하였다. 압출용 노즐은 스테인리스 재질의 내경 25mm위 원형관을 사용하였다.

Fig. 1 Concrete 3D printing equipments

2.4 시험체 제작 방법

3D 프린팅 복합재료의 출력 패턴에 따른 압축강도 특성평가를 위하여 3종의 패턴으로 제작한 적층 시험체와 노즐에 토출된 재료를 ∅100×200mm 몰드로 제작한 시험체를 제작하였다. 출력 패턴 변수는 출력된 layer 간의 출력각도로 0°, 45°, 90°로 설정하였으며 Fig.2에 나타내었다. 출력물은 1 layer 당 폭 50mm, 높이 10mm로 적층하여 총 높이 200mm로 제작하였다(Fig. 2). 적층 시험체 제작을 위하여 먼저 직육면체 형태의 출력물을 제작하고 출력물이 굳지 않은 상태에서 샘플링 관을 사용하여 압축강도 시험체를 제작하는 방식을 사용하였다(^{KCI-CT115, 2021}). 적층 출력물이 굳은 후에 코어링을 하여 시험체를 제작하는 경우, 시험체 성능평가에 부정적인 영향을 줄 수 있기 때문에 굳지 않은 상태에서 시험체 제작하는 방식을 사용하였다. o° 시험체 제작을 위한 출력물의 크기는 900×500×200 mm이었으며, 45°와 90° 시험체는 400×400×200mm 크기로 출력하였다. 적층 시험체 제작에 사용된 샘플링 관은 ∅100×200mm 일회용 몰드의 바닥면을 절단하여 제작하였다. 각각의 시험체는 패턴에 따라 출력된 부재가 출력이 완료된 후에 굳지 않은 상태에서 샘플링관을 꽂아 넣고 샘플링관 외부의 출력물을 제거하는 방식으로 제작하였다(Fig. 3). 몰드로 제작한 시험체와 적층 시험체 3종은 모두 타설 1시간 후 온도 20±2℃, 상대습도 60RH%의 항온항습실에서 양생하였다.

Fig. 2 Process of making specimens

2.5 유동성 및 레올로지 특성 평가

이 연구에서는 압출된 3D 프린팅 복합재료에 대하여 유동성과 시간에 따른 레올로지 특성평가를 수행하였다(Fig. 3). 유동성은 압출기에서 토출된 시료에 대하여 Table flow test를 이용하여 평가하였다. 3D 프린팅 복합재료의 레올로지 특성은 전단속도의 변화에 따른 전단응력의 변화량을 평가하였으며, ICAR 장비를 사용하였다. 레올로지 측정은 압출기에서 펌핑된 재료를 레오미터 컨테이너에 채운 직후부터 30분 간격으로 4회(0, 30, 60, 90 분) 측정하였다.

Fig. 3 Rheology test

2.6 압축강도

몰드 제작 시험체와 적층 시험체 3종은 ∅100×200mm의 압축강도를 측정하기 위하여 원주형 시험체를 제작하였다. 각 시험체에 따른 압축강도 및 응력 변형률관계 측정일자는 Table 2에 나타내었다. 모든 시험체는 재령 1, 7, 28일에 압축 강도와 응력-변형률 관계를 측정하였으며, 몰드 시험체와 0° 시험체는 추가적으로 재령 0.5일과 3일 및 14일에 암축강도를 측정하였다. 각 재령 당 3개의 시험체를 측정하여 평균값을 사용하였다. 또한 압축강도를 측정한 적층 시험체는 적층 계면간의 일체화 거동 평가를 위하여 X-ray CT분석을 통하여 적층 계면의 일체화 거동 및 계면간의 균열 발생 여부를 평가하였다.

3.1 유동성 및 레올로지

출력된 재료의 Table flow를 수행하였으며, 유동성은 144.68 mm로 측정되었다. 레올로지 특성은 3D 프린팅 장비에서 펌핑된 직후부터 30분 간격으로 90분까지 동일 재료에 대하여 평가하였으며, 시간에 따른 레올로지 특성평가 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 펌핑 직후의 항복응력은 1401.0 Pa으로 나타났으며, 90분 후에는 1908.0 Pa로 측정되었다. 3D 프린팅 복합재료의 항복응력은 펌핑 후 60분까지 증가하였다. 60분 이후의 항복응력은 초기 항복응력 대비 약 1.4배 높았으며, 수렴하는 경향을 나타내었다. 소성점도는 45.3~67.1 Pa.s의 범위로 나타났으며, 펌핑 직후부터 30분까지는 소폭 증가하였지만 30분 이후부터는 점차 감소하였다. 60분 이후의 소성점도는 초기 소성점도 대비 14.94~25.62% 낮게 나타났다. 결과적으로 3D 프린팅 복합재료는 펌핑 후 60분부터 급격한 재료변화가 나타났으며, 이는 시간이 경과함에 따라 수화반응과 수분증발에 의해 재료가 plastic fluid 상태에서 plastic 상태 또는 semi-solid 상태로 변화하였다고 판단된다.

Fig. 4 Rheology properties

3.2 압축강도

3D 프린팅 적층 시험체와 몰드 타설 시험체의 재령에 따른 압축강도 발현 비교를 위하여 몰드타설 시험체와 0° 시험체에 대하여 재령 12시간, 1, 3, 7, 14, 28일의 압축강도를 비교하여 Fig. 5에 나타내었다. 45°와 90°시험체는 3D 프린팅 장비의 출력 면적의 한계로 인하여 재령 1, 7, 28일 압축강도를 측정하였다. 몰드제작 시험체의 재령 1일 강도는 29.74 MPa이었으며, 적층 시험체는 25.69~29.65 MPa로 나타났다. 재령 1일의 평균 압축강도는 28.28 MPa이었으며, 표준편차는 1.89였다. 재령 1일에서 몰드 시험체와 0° 및 90° 시험체의 압축강도는 유사하게 나타났으며, 45° 시험체는 몰드 타설 시험체 대비 13.6% 낮게 측정되었다. 재령 7일 압축강도는 53.95~55.50 MPa의 범위로 나타났으며, 표준편차는 0.74로 몰드 타설 시험체와 적층 시험체의 강도편차는 미미하였다. 재령 28일애 서 몰드 타설 시험체의 압축강도는 78.8 MPa이었으며, 0° 시험체는 78.44 MPa, 90° 시험체는 80.53 MPa로 나타났다. 45°시험체의 28일 강도는 76.18 MPa로 가장 낮은 압축강도를 나타내었으며, 몰드 타설 시험체 대비 3.3% 낮았다. 모든 시험체의 평균 압축강도는 78.49 MPa이었으며, 표준편차는 1.79로 나타났다. 반면에 초기 재령인 12시간에서 몰드 타설 시험체의 압축강도는 10.17 MPa이었으며, 0° 시험체의 압축강도는 19.43 MPa으로 몰드 타설 시험체와 비교하여 1.9배 높은 압축강도를 나타내었다. 이는 시험체가 완전히 경화되기 전인 상태에서 적층 시험체는 복합재료의 압출 및 적층 공정에서 공기량이 낮아지고 밀도가 높아짐에 따라 몰드 타설 시험체 대비 밀실한 내부 구조를 생성하기 때문으로 판단된다(^{Heras Murcia et al., 2020}). 하지만 재령 1일 후 부터 몰드 타설 시험체와 적층 시험체의 압축강도는 유사한 성능을 나타내었다. 45° 시험체의 재령 28일 강도가 비교적 낮게 나타났지만, 결과적으로 재령 28일까지 몰드 타설 시험체와 적층 시험체는 재령과 출력 패턴과 관계없이 유사한 압축강도를 나타내었다. 특히, 재령 28일 압축강도의 경우, 0°와 90° 시험체는 몰드 타설 시험체 대비 동등 이상의 압축강도 성능을 확보함을 확인하였다.

Fig. 5 Compressive strength test result

3.3 응력-변형률 관계

몰드 타설 시험체과 적층 시험체의 재령별 응력-변형률 관계를 Fig. 6에 나타내었다. 3D 프린트 복합재료는 재령 28일 압축강도가 76 MPa이상의 고강도 재료로 취성파괴 특성으로 인하여 응력-변형률 관계는 최대응력 시 까지만 측정되었다. 재령 1일의 응력-변형률 곡선에서 탄성계수는 90° 와 45° 시험체가 몰드 타설 시험체와 0° 시험체 대비 낮게 나타났다. 재령 7일의 경우에는 몰드 타설 시험체의 강도와 탄성계수가 가장 높게 나타났으며, 적층 시험체는 모두 몰드 타설 시험체보다 낮은 강도와 탄성계수를 나타내었다. 반면, 재령 28일에서는 모든 시험체의 탄성계수와 최고 압축강도가 거의 동일하게 나타났다. 재령 28일에서 몰드 타설 시험체의 최대응력 시 변형률($\varepsilon_{0}$)는 0.0038로 나타났으며, 적층 시험체의 $\varepsilon_{0}$는 0.0032 ~0.0034의 범위로 출력 패턴과 관계없이 비슷한 수준을 보였다. 결과적으로 적층 시험체의 응력-변형률 곡선은 초기 재령에서는 출력패턴에 따라 영향을 받지만, 시험체가 충분한 강도를 확보한 재령 28일 이후에는 적층 시험체의 응력-변형률 곡선에 대한 출력 패턴의 영향은 미미하였다.

Fig. 6 Compressive stress-strain curves

3.4 적층 시험체 계면 분석

적층 시험체는 계면 간에서 충분한 부착력이 확보되지 않을 경우, 하중이 적용될 때 적층 계면에서의 균열 발생 및 압축강도 저하 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 이 연구에서는 재령 28일 압축강도를 측정한 3D 프린팅 적층 시험체에 대하여 X-ray CT 분석을 수행하여 계면 분석을 수행하였다(Fig. 7).

적층 시험체 내부의 공극 및 결함분석은 각 시험체의 동일한 위치와 면적(300×600 mm)에 대하여 image J 프로그램을 활용하여 분석하였다. 적층 시험체의 단면 분석 결과, 모든 시험체의 계면에서 적층불량 및 레이어 측면의 부착 불량 등의 문제없이 시험체가 제작된 것을 확인할 수 있었다. 하중 가력에 따라 발생한 균열 형상은 일반적인 콘크리트 시험체의 파괴형상과 유사하게 나타났다. 특히, 시험체 내 적층 계면에서의 균열이 발생하지 않은 것을 확인하였으며, 이는 적층 시험체 내 각각의 계면이 일체화 거동을 한 것으로 판단할 수 있다.

0° 와 90° 시험체의 이미지 분석 결과, 계면을 따라 미소한 공극이 존재하였지만 전반적으로 밀실한 상태를 나타내었으며, 공극률은 각각 1.46%와 1.031%로 나타났다. 반면, 45° 시험체는 다른 적층 시험체와 비교하여 계면을 따라 다소 많은 공극이 존재하였으며, 공극률은 2.98%로 산정되었다. 45° 시험체는 0°와 90°의 출력 패턴과 비교하여 적층 시험체 내에 많은 계면이 존재하게 함에 따라 더 많은 공극이 발생한 것으로 판단된다. 적층 시험체 내의 layer를 따라 생성된 다수의 공극은 layer간의 부착력을 저하시키는 주요한 원인 중 하나이다. 결과적으로 각 시험체의 공극률은 재령 28일 압축강도와 반비례하는 경향을 나타내었다(Fig. 8). 특히, 45° 적층 시험체의 재령 28일 압축강도가 0°와 90° 시험체 대비 2.8~5.4% 낮게 나타났는데, 이는 계면에 존재하는 다수의 공극이 압축강도 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.

Fig. 7 X-ray ct analysis of laminated specimens

Fig. 8 Relationship between compressive strength and void ratio