2.1.1 실험계획

3DCP은 프린팅 장비의 펌프종류, 펌프용량, 출력조건 등에 따라 배합에 요구되는 압출성능이 다르기 때문에(^{Buswell et al., 2018}; ^{Tay et al., 2017}) 사전실험을 통해서 압출성을 확인하여야 한다. 따라서 시멘트와 잔골재(sand)의 비(C/S)를 변수로 압출성 실험을 먼저 진행한 후, 압출이 가능한 C/S를 1:0.6으로 설정하였으며, 배합재료의 특성은 Table 1에 나타낸 바와 같다.

배합실험은 Table 2에 나타낸 바와 같이 W/C 0.26∼0.42 범위에서 5가지 경우에 대하여 수행되었다. 또한, 각 배합별로 슬럼프, 플로우테이블, 압축강도 실험을 진행하였다. 출력물의 형상을 유지하고 적층이 가능한 배합을 도출할 수 있도록 목표 슬럼프는 200 mm 이하로 설정하였다. 낮은 W/C 배합에 대해서는 폴리카본산계 유동화제를 단계적으로 첨가하여 목표 슬럼프에 도달할 수 있도록 하였다. 팬믹서를 이용하여 2분간 건배합 한 후에 물을 혼입하고 10분간 믹싱(mixing)하였다. 유동화제가 포함된 배합의 경우에는 건배합 후 물 80%를 투입하여 1분 30초 믹싱을 하고, 물 20%와 유동화제를 투입하여 10분간 더 믹싱하였다.

2.1.2 실험결과

Table 3에 나타낸 바와 같이 W/C 0.26∼0.38인 Mix 1, 2, 3, 4의 경우는 목표 슬럼프인 200 mm 이하로 나타났다. 그러나, W/C 0.42의 경우에는 슬럼프 값이 너무 크게 나타나서 적층이 불가능한 수준으로 판단되어 향후 배합에서 제외하였다.

2.2.1 실험계획

^{Le et al. (2012(b))}는 300 mm 길이의 필라멘트(filament)를 5줄 출력하여 끊어짐 없이 압출이 되는지를 검토함으로써 압출성 적합도를 판단하였다. ^{Panda et al. (2018)}는 노즐(nozzle) 이동속도 70 mm/sec 정도에서 부착강도 오차범위가 작고, 노즐의 높이를 출력물의 높이보다 높은 위치에서 출력 할수록 부착강도가 낮게 측정된다고 보고 하였다. 또한, ^{Bos et al. (2016)}도 노즐이 레이어를 누르면서 출력되도록 하는 것이 레이어 간 부착력을 향상시킬 수 있다고 보고 하였다.

선행연구를 바탕으로 본 연구에서는 노즐이동속도 80 mm/sec, 노즐높이는 10 mm로 압출성 실험을 수행하였으며, 프린팅 레이어의 폭은 40 mm, 레이어의 길이는 3,000 mm를 목표로 설정하였다.

2.2.2 실험결과

압출성 실험결과를 Fig. 4와 Table 4에 나타내었다. W/C 0.26인 Mix 1의 경우에는 호스 막힘현상이 발생하여 압출에 실패하였으며, W/C 0.3∼0.38 배합인 Mix 2, 3, 4의 경우에는 필라멘트의 끊어짐 없이 출력되어 목표한 압출성을 만족하였다. 따라서, 3DCP에 활용 가능한 배합으로 W/C 0.3, 0.34, 0.38인 Mix 2, 3, 4 경우(case)가 채택되었으며, 압축강도는 각각 71.5, 66.2, 58.6 MPa로 나타났다.

Fig. 4 Result of extrudability test

3.1.1 실험변수

Table 5에 나타낸 바와 같이 전단부착강도 실험의 변수는 W/C, PTG, 실험체 제작방식으로 계획하였다. W/C는 배합 및 압출성 실험을 통해 도출된 W/C 0.3, 0.34, 0.38, PTG는 출력가능한 시간을 고려하여 0분, 10분, 20분, 30분, 40분으로 설정하였다. 또한, 기존 거푸집 방식을 재현한 몰드타설 방식과 3D 프린팅 방식의 2가지 방법으로 실험체를 제작하였다.

3.1.2 제작 및 가력계획

실험체는 40(W)×60(L)×40(H) mm로 계획하였으며, Fig. 5(a)에 나타낸 바와 같이 선행레이어(old layer)를 제작 한 후 PTG 시간에 맞춰 그 다음 레이어(new layer)를 출력하였다. 몰드 실험체는 Fig. 5(b)에 나타낸 사진과 같이 제작한 철물에 모르타르를 타설하여 제작하였다. 3D 프린팅 실험체는 Fig. 5(c) 사진과 같이 4개의 레이어로 출력하고, Fig. 5(d)와 같이 절단하여 실험체를 제작하였다. 모든 실험체는 28일간 수중양생 되었다.

Fig. 6에 나타낸 바와 같이 제작한 철물에 실험체 한쪽 레이어를 고정을 시키고, 다른쪽 레이어를 UTM (Universal Testing Machine)으로 가력하였으며, 계면파괴가 일어날 때까지 6.7 mm/min 속도의 변위제어 방식으로 진행되었다.

Fig. 5 Shear bond strength test specimens

Fig. 6 Shear bond strength test set-up

3.2.1 몰드실험체 전단부착강도 실험결과

몰드실험체는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 계면에서 전단부착파괴 되었으며, 전단부착강도 실험결과는 Fig. 8과 Table 6에 나타내었다. 각 실험체들의 초기 전단부착강도, 즉, 0.3-M-0, 0.34-M-0, 0.38-M-0의 전단부착강도는 1.16, 1.40, 1.29로써 큰 차이를 보이지 않았다. 0.3-M시리즈는 PTG 20분, 0.34-M은 PTG 30분, 0.38-M은 PTG 40분에서 가장 낮은 강도를 보였다. 즉, W/C가 높아질수록 전단부착강도의 최저점이 나타나는 PTG가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 계면수분량과 전단부착강도가 깊은 상관관계에 있다는 것을 의미하며, PTG가 증가할수록 계면 수분 증발에 따른 수분량 감소로 인하여 전단부착강도가 저하되는 것으로 판단된다.

모든 실험체에서는 PTG 20분까지는 W/C가 낮을수록 강도가 더 급격히 감소하는 경향을 보였으나 PTG 30분부터는 각 배합마다 상이한 거동이 나타났다. 특히 M-0.3, M-0.34 시리즈의 실험체는 PTG가 증가함에 따라 전단부착강도가 감소하다가, PTG 30, 40분에서 전단부착강도가 증가하는 구간이 나타났다. 이러한 경향에 대하여 ^{Sanjayan et al. (2018)}은 표면의 수분량과 관련이 있다고 보고하였다. 따라서 본 연구에서도 표면 수분량을 측정하여 전단부착강도와 표면수분량의 관계에 대하여 파악하고자 하였다.

Fig. 7 Shear bond failure of mold specimens

Fig. 8 Shear bond strength test results of mold specimens

3.2.2 프린팅실험체 전단부착강도 실험결과

프린팅실험체도 몰드실험체와 동일하게 Fig. 9에서 나타낸 바와 같이 선행 레이어와 새로운 레이어 사이 계면에서 전단부착파괴에 이르는 양상을 보였다. 프린팅실험체의 전단부착강도 실험결과는 Fig. 10과 Table 7에 나타내었다. W/C가 가장 낮은 0.3-P-0 실험체가 가장 높은 초기전단부착강도를 보였다. PTG가 증가함에 따라 전단부착강도가 대체적으로 낮아지는 경향을 보였으나, 몰드실험체와는 다르게 프린팅실험체에서는 W/C가 가장 높은 0.38-P 시리즈 실험체에서 PTG에 따른 전단부착강도 저하가 상대적으로 급하게 나타났다. 각 실험체의 전단부착강도의 최저점은 0.3-P 및 0.38-P 시리즈 실험체의 경우에는 PTG 40분, 0.34-P 시리즈 실험체의 경우에는 PTG 30분에서 나타났다.

Fig. 9 Shear bond failure of 3D printed specimens

Fig. 10 Shear bond strength test results of 3D printed specimens

3.2.3 전단부착강도 실험결과 분석

전반적으로 프린팅실험체의 전단부착강도가 몰드실험체보다 높은 강도를 나타내었다. W/C 0.3에서는 프린팅실험체(0.3-P-0 실험체)의 초기 전단부착강도는 5.63 MPa , 몰드실험체(0.3-M-0 실험체)는 1.16 MPa로써 프린팅실험체가 약 4.8배 높은 강도를 나타내었다. 이는 ^{Bos et al. (2017)}이 보고한 바와 같이 프린팅 진행시 노즐에 의한 레이어의 눌림으로 인하여 부착강도증진효과가 나타난 것으로 판단된다. W/C 0.3인 프린팅실험체와 몰드실험체를 감소율로 비교하였을 때, 두 타입 실험체 모두 PTG 10분까지는 초기 전단부착강도 대비 15∼20%의 전단부착강도 감소율을 나타내었으나, PTG 20에서는 급격한 감소를 보였다.

W/C 0.34 실험체에서도 마찬가지로 프린팅실험체(0.34-P-0 실험체)의 초기 전단부착강도는 3.68 MPa, 몰드실험체(0.34-M-0 실험체)는 1.4 MPa로써 프린팅실험체의 초기 전단부착강도가 약 2.6배 높은 것으로 나타났다. W/C 0.34인 프린팅실험체와 몰드실험체를 감소율로 비교하였을 때, 두 타입 실험체 모두 PTG 10분까지는 전단부착강도를 유지하다가 PTG 20에서는 급격한 감소를 나타내었다. W/C 0.38 실험체에서도 마찬가지로 프린팅실험체(0.38-P-0 실험체)의 초기 전단부착강도는 3.2 MPa, 몰드실험체(0.38-M-0 실험체)는 1.29 MPa로써 약 2.5배의 차이를 보였다. W/C 0.38인 실험체에서 가장 낮은 전단부착강도는 PTG 40분에서 나타났다.

동일한 W/C를 갖는 몰드와 프린팅실험체는 유사한 PTG구간에서 전단부착강도의 최저점을 나타난 것을 확인하였다. 앞서 언급한 바와 같이 PTG가 증가함에 따라 전단부착강도가 감소하다가 증가하는 구간은 레이어표면수분량과 관련이 있으며(^{Sanjayan et al., 2018}) 이를 보다 상세히 파악하기 위해서는 레이어표면수분량 측정이 필요하다.

4.2.1 레이어표면수분량 실험결과

Fig. 12는 PTG에 따른 몰드 실험체들의 레이어표면수분량 측정결과를 나타낸 것이며, Fig. 13은 PTG 0분을 기준으로 하여 각 PTG의 레이어표면수분량 감소율을 그래프로 나타낸 것이다. 0.3-M시리즈 실험체는 PTG 10분에서 초기레이어표면수분량(PTG 0분)에 비해 약 17% 감소하였으나, PTG 20분에서는 75%의 급격한 레이어표면수분량 감소를 나타내었다. 그러나, PTG 30분에서는 오히려 레이어표면수분량이 증가하였는데, 이는 블리딩 현상에 의한 것으로 판단된다. 0.3-M시리즈 실험체의 레이어표면수분량 최저점은 대략 PTG 20분과 40분에서 나타났다.

0.34-M 실험체는 PTG 10분에서 초기레이어표면수분량보다 약 6% 많은 레이어표면수분량을 보였다. 그러나, 이후 레이어표면수분량은 지속적으로 감소하였으며, PTG 30분에서는 약 63%의 레이어표면수분량 감소를 나타내었다. 0.34-M의 레이어표면수분량은 PTG 30분에서 최저점을 나타내었으며, PTG 40분에서는 블리딩 효과로 인하여 레이어표면수분량이 오히려 증가하였다.

0.38-M 실험체는 PTG 10분에서 초기레이어표면수분량 대비 약 10% 감소한 표면수분량을 나타내었으며, 이후 PTG 40분까지 지속적으로 감소하여 약 62% 감소한 수분량을 보였다. 0.38-M 실험체의 레이어표면수분량 최저점은 PTG 40분에서 나타났다.

Fig. 12 Test results of interlayer moisture content (Mold specimens)

Fig. 13 Reduction rate of interlayer moisture content (Mold specimens)

4.2.2 전단부착강도와 레이어표면수분량 실험결과비교

Fig. 14는 몰드 실험체의 전단부착강도 감소율을 나타낸 것이다. Fig. 15는 동일한 W/C를 갖는 몰드실험체의 전단부착강도 감소율과 레이어표면수분량 감소율을 비교하여 나타낸 것이다. 전단부착강도 감소율과 레이어표면수분량 감소율의 감소 혹은 증가하는 구간이 매우 유사함을 알 수 있다. 0.3-M 실험체는 전단부착강도와 레이어표면수분량이 모두 PTG 20, 40분에 급격히 감소하며 낮은 값을 나타내었다. 0.34-M 실험체는 30분에서 전단부착강도와 레이어표면수분량이 가장 낮은 수치를 보였고, 0.38-M 실험체는 PTG 40분에서 가장 낮은 전단부착강도와 레이어표면수분량의 값을 나타내었다. 몰드실험체의 레이어표면수분량과 전단부착강도의 감소 및 최저점이 동일한 경향을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이는 레이어표면수분량이 전단부착강도에 큰 영향을 미치는 것을 나타내는 것이다.

또한, 0.3-M, 0.34-M 두 시리즈 실험체들에서 레이어표면수분량이 감소하다가 블리딩 효과로 인하여 증가하는 구간이 발생하였는데, 이 구간에서 전단부착강도도 이와 유사한 경향을 보였다. 비교적 높은 W/C의 0.38-M 실험체에서는 레이어표면수분량 및 전단부착강도가 감소하다가 증가하는 구간이 PTG 40분내에서는 나타나지 않았으나 PTG가 더 길어지면 레이어표면수분량의 변화에 따라 전단부착강도가 증가하는 구간이 존재할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 14 Reduction rate of shear bond strength (Mold specimens)

Fig. 15 Comparison for reduction rates of shear bond strength and interlayer moisture content (Mold specimens)

4.3.1 레이어표면수분량 실험결과

Fig. 16과 17은 프린팅실험체의 레이어표면수분량 실험결과와 레이어표면수분량 감소율을 나타낸 것이다. 0.3-P 시리즈 실험체는 PTG 10분에서 초기레이어표면수분량보다 약 50% 감소한 수분량을 보였으며 PTG 20분에서는 약 77%, PTG 30분에서는 약64% 감소한 레이어표면수분량을 나타내었다. PTG 40분에서는 약 84%까지 감소하여 가장 낮은 수분량으로 측정되었다. 0.3-P시리즈 실험체의 레이어표면수분량 최저점은 대략 PTG 20분과 40분에서 나타났다.

0.34-P시리즈 실험체는 PTG 10분에서 초기레이어표면수분량보다 약 24% 감소한 레이어표면수분량을 보였다. PTG 20분에서는 약 76%까지 급격히 감소하였으며 PTG 30분에서는 81% 감소한 값으로 가장 낮은 레이어표면수분량을 나타내었다. 그러나, PTG 40분에서는 PTG 30분보다 오히려 높은 수분량이 측정되었다. 0.34-P시리즈 실험체의 레이어표면수분량 최저점은 대략 PTG 20분과 30분에서 나타났다.

0.38-P시리즈 실험체는 PTG 10분에서는 초기레이어표면수분량보다 약 8% 감소한 레이어표면수분량을 나타내었으며, PTG 30, 40분에서는 약 88%, 84%로 급격히 감소하였다. 0.38-P시리즈 실험체의 레이어표면수분량 최저점은 대략 PTG 30분과 40분에서 나타났다.

Fig. 16 Test results of interlayer moisture content (3D printed specimens)

Fig. 17 Reduction rate of interlayer moisture content (3D printed specimens)

4.3.2 전단부착강도와 레이어표면수분량 실험결과비교

Fig. 18은 프린팅실험체의 전단부착강도 감소율을 나타낸 것이다. Fig. 19는 동일한 W/C를 갖는 프린팅실험체의 전단부착강도 감소율과 레이어표면수분량 감소율을 비교하여 나타낸 것이다. 몰드 실험체에서 관찰된 바와 같이, 프린팅 실험체에서도 전단부착강도 감소율과 레이어표면수분량 감소율의 감소 혹은 증가하는 구간이 상당히 유사함을 알 수 있다. 0.3-P 실험체는 전단부착강도와 레이어표면수분량이 모두 PTG 20, 40분에서 유사하게 낮은 값을 보였으며, 0.34-P 실험체는 PTG 30과 40분에서 가장 낮은 값으로 측정되었다. 0.38-P 실험체는 PTG 10분부터 전단부착강도가 급격히 감소하였으며 PTG 40분에서 가장 낮은 강도를 나타내었다. 레이어표면수분량도 역시 유사하게 PTG 40분에서 낮게 측정되었다.

몰드 및 프린팅 실험체 모두에서 레이어표면수분량과 전단부착강도가 W/C 0.3의 경우 PTG 20분, W/C 0.34의 경우 PTG 30분, W/C 0.38의 경우 PTG 40분에서 동일하게 최저점을 나타내었으며, 각 PTG에서 전단부착강도와 레이어표면수분량의 변화율이 유사한 경향을 나타내었다.

따라서, 레이어표면수분량이 전단부착강도에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되므로 3D 프린팅 출력 시 PTG에 따라 레이어표면수분량이 유지될 수 있도록 유의해야 할 것이다. 또한, 여러 가지 프린팅 환경, 즉, 온도, 습도, 바람 등이 레이어표면수분량에 영향을 줄 수 있을 것이므로 이에 대한 후속 연구가 필요할 것이다.

Fig. 18 Reduction rate of shear bond strength (3D printed specimens)

Fig. 19 Comparison for reduction rates of shear bond strength and interlayer moisture content (3D printed specimens)