2.1 사용재료

결합재는 기존 3D 프린팅 연구에서 사용한 배합으로부터 결합재의 구성 및 사용량을 참고하였다^{(Lee et al., 2020)}. 기존연구에서 3D 프린팅에 사용된 배합의 결합재는 1종 보통시멘트(Ordinary Portalnd cement, OPC), 플라이애시(Fly ash, FA), 실리카흄(Silica fume, SF)이 혼합된 3성분계를 사용했으며, 화학혼화제는 고성능 감수제(High-range water-reducing agent, HRWRA), 점도조절제(Viscosity modifying-agent, VMA), 수축저감제(Shrinkage-reducing agent, SRA) 3종이 사용되었다.

시멘트는 KS L 5110 및 KS L 5201에 따라 분석한 결과, 비중 3.13g/㎤, 비표면적 3542㎤/g, 오토클레이브 팽창도 0.09%, 초기 응결 시간 260분, 최종 응결 시간 360분의 Type 1 일반 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 재료의 이송과정에서 유동성능 확보를 위해 결합재의 20%를 플라이애시로 치환하였다. 실리카흄은 시멘트 입자 사이의 공극을 메움으로써 고강도 및 내구성 특성을 달성하기 위해 결합재의 10%를 대체하였다. 사용한 플라이애시를 KS F 5405에 따라 시험한 결과, SiO$_{2}$ 함량은 55.0%, 비중 2.25 g/㎤, 강열감량 2.9%, 비표면적 3,232 ㎠/g, 활성도지수 재령 28일에 81%, 재령 91일에 99%로 나타났다. 실리카흄을 KS F 2567에 따라 시험한 결과, SiO$_{2}$ 함량은 91.3%, 강열감량은 3.4%, 45μm 잔류물은 4.4%, 비표면적은 193,000 ㎠/g이었다. 입도 제어를 위해 95.5%의 SiO$_{2}$ 함량을 갖는 규사를 잔골재로 사용하였다. 0.17~0.25 mm 크기의 규사 7호사를 사용하여 실험을 진행했다.

모르타르 3DCP(3-Dimensional Construction Printing) 장비에 적용 시 원활한 압출 및 출력을 위해 고성능 감수제를 바인더 함량 대비 0.8% 적용하였다. HRWRA는 밀도 1.07±0.1 g/㎤, 고형분 30.1±2.0%의 밝은 갈색 액상 폴리카르복실산계 제품을 사용하였다. 3D 프린팅용 모르타르 배합에 사용되고 있는 혼화제의 수축거동 특성 분석을 위해 화학혼화제 2종을 선정하였다. 3D 프린팅 후 모르타르의 시공성을 향상시키고 레이어의 형상유지 성능을 확보하기 위해 국내 D사에서 생산한 셀룰로오스계 VMA를 결합재 중량 대비 0.1%로 사용하였다. 또한 수축저감 효과 분석을 위해 식물성 유지류 기반의 SRA를 결합재 중량 대비 1%로 적용하였다.

2.2 적용배합

이 연구에 사용한 배합은 기존연구^{(Lee et al., 2020)}에서 3D 프린팅용으로 사용한 배합을 참고하여 선정하였다. 3D 프린팅용 복합재료의 배합설계는 3종의 결합재(OPC, FA, SF)를 중량비로 OPC:FA:SF = 70:20:10%의 비율로 혼합하여 3성분계로 사용하였다. 배합설계는 Table 1에 나타내었으며, 배합명의 선정과 양생조건에 따른 표기법은 Table 1의 미주에 표기하였다.

Table 1 Mix proportion

Mix	W/B (%)	Unit weight (kg/㎥)
		Water	OPC	FA	SF	Sand	HRWRA	VMA	SRA
OPC 100	28	239	852	0	0	1177	17.64	0	0
F20 S10	28	239	596	171	85	1177	17.04	0	0
F20 S10-V	28	239	596	171	85	1177	17.04	0.85	8.52
F20 S10-VS	28	239	596	171	85	1177	17.04	0.85	8.52

2.3 수축측정용 시험체 제작방법

모르타르의 건조수축 시험방법은 ASTM C 596-18에서 규정하고 있으며 길이변화를 측정방법은 ASTM C 490-18과 KS F 2424에서 시험법을 규정하고 있다.

ASTM C 490-18에서는 모르타르 시험체의 크기를 폭 25 mm, 높이 25 mm, 길이 285 mm로 규정하고 있다. KS F 2424에서는 모르타르의 경우 폭 40 mm, 높이 40 mm, 길이 160 mm 로 제작하고, 콘크리트의 경우, 폭 100 mm, 높이 100 mm, 길이 400 mm(또는 500 mm)로 제작하도록 규정하고 있다. 이 연구에서는 출력구조물의 크기효과를 고려하여 100 × 100 × 400 mm 크기의 시험체를 이용하여 수축거동을 분석하였다.

수축측정용 시험체 제작 시 모르타르와 몰드간의 구속을 최소화하기 위하여 몰드 내부에 윤활유를 도포하고 폭방향과 길이방향 2중으로 1 mm 두께의 테프론시트(Teflon sheet)를 위치시켰다. 양생조건에 따른 시험체의 수축변형률 측정하기 위하여 모든 시험체는 동일한 매립형 스트레인게이지와 데이터로거로 측정하였다(Fig. 1).

측정결과의 신뢰성을 확보하기 위해 각 배합별로 노출조건(Exposure curing, EC) 수축변형률과 밀봉조건(Sealed curing, SC) 수축변형률 시험체를 조건별로 2개씩 제작하였다. 수축변형률 결과는 각 변수별로 2개 시험체의 평균값을 이용하여 그래프로 나타내었다. OPC100 배합과 F20S10-V 배합의 SC시험체와 EC시험체 각 1개씩에 온도측정이 가능한 스트레인게이지를 매립하여 시험체 내부에서의 온도변화를 측정했다. 시험체는 타설 1시간 후 항온항습실로 이동하여 온도 22 ± 2 ℃, 상대습도(RH: Related Humidity) 80RH%의 조건으로 양생하였다. 밀봉조건 수축평가용 시험체는 타설 후 폴리에스테르 필름(Polyester film)으로 모든 시험체 표면을 덮어 외기의 접촉을 막아 시료표면에서의 수분증발 및 흡수를 방지하였다.

Fig. 1 Test method for shrinkage measurement

시험체는 타설 24시간 이후 몰드를 탈형하여 구속을 제거하였다. 노출조건 수축을 측정하기 위한 시험체는 출력 이후의 환경과 유사한 조건을 갖도록 타설 초기부터 표면의 폴리에스테르 필름을 덮지 않고 표면을 노출 시켰으며, 타설 24시간 후 몰드 탈형하고 표면의 필름을 모두 제거하여 시험체의 모든 면을 노출시켰다.

2.4 압축강도 측정

3D 프린팅 콘크리트 복합재료의 압축강도는 ASTM C 39 – 20에 따라 배합별로 원주형 공시체(Ø100×200 mm)를 제작하여, 수축 측정용 시험체와 동일한 조건으로 양생하였다. 압축강도는 재령 1, 3, 7, 28일에 재령 당 3개의 시험체에 대하여 0.3 MPa/sec의 하중재하속도로 측정하였다.

3.1 밀봉양생 및 노출양생 시험체의 수축거동

OPC100 배합을 포함한 4종 배합에 대하여 재령 100일 이상 수축 측정 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 실선은 밀봉조건 수축거동 측정결과이며, 점선은 노출조건 수축거동 측정결과를 나타냈다. 재령초기 수화에 의한 팽창을 모두 포함하여 측정결과를 정리하였다. OPC100 배합은 재령 12시간에 SC 325 ㎛/m, EC는 202 ㎛/m 로 나타나 배합 초기부터 외기에 노출시킨 조건에서도 일시적인 팽창이 나타났다. 재령 1일에는 SC 183 ㎛/m, EC 85 ㎛/m 로 나타나 12시간과 비교하여 약간의 수축이 발생했다. 재령 3일에는 EC가 – 85 ㎛/m로 초기 제작 시험체와 비교해 수축이 발생하는 것으로 나타났다. 반면, SC의 경우 재령 28일에 – 41 ㎛/m로 나타나서 초기 팽창으로 인해 수축의 효과가 상당부분 완화된 것으로 나타났다(Fig. 2(a)).

F20S10 OPC100재령 12시간에 SC 370 ㎛/m, EC – 77 ㎛/m 로 나타나 OPC100 배합과 비교하여 SC 시험체는 길이변화율의 증가가 나타나 상대적인 팽창이 발생했으며, 반면 EC 시험체는 약 270 ㎛/m 수준의 길이변화율 감소가 나타나 상대적으로 수축이 더 크게 발생했다. 재령 1일에는 SC – 195 ㎛/m, EC – 629 ㎛/m 로 나타나 EC는 12시간 총 수축결과와 비교하여 약 – 550 ㎛/m의 길이변화가 발생했다(Fig. 2(b)).

F20S10-V 배합은 12시간에 SC 135 ㎛/m, EC 352 ㎛/m 로 나타나 4종의 배합 중 유일하게 12시간 측정결과에서 EC 시험체가 SC 시험체 대비 팽창이 더 크게 발생한 배합으로 나타났다. 그러나 1일차에서는 SC 7 ㎛/m, EC – 13 ㎛/m 로 나타나 양생초기 일시적인 현상으로 나타났다(Fig. 2(c)).

F20S10-VS 배합은 재령 12시간에 SC 376 ㎛/m, EC 211 ㎛/m 로 나타났다. EC 시험체는 재령 7일에 – 29 ㎛/m로 나타나

팽창효과가 약 7일간 지속됐으며, SC 시험체는 최종 길이변화율이 47 ㎛/m로 재령 100일 이상의 측정기간 동안 수축이 발생되지 않은 것으로 나타났다(Fig. 2(d)). 수축발생 방지 효과는 VMA와 SRA를 동시에 적용함으로써 수축에 대한 저항성이 상당히 높아진 결과가 나타났으며, SRA 사용으로 모르타르의 미세공극을 충전해주는 효과로 인해 자기수축량을 감소시킨 것으로 판단된다^{(Lee et al, 2019a)}.

Fig. 2 Shrinkage test results

3.2 배합별 수축거동 비교

4종의 배합을 양생조건별로 정리하여 Fig. 3에 표현했다. 밀봉양생한 시험체의 측정결과는 Fig. 3(a)에 나타냈으며, 타설 직후부터 표면을 노출시켜 양생한 시험체의 길이변화율은 Fig. 3(b)에 나타냈다. 주요 재령에서의 수축량을 Table 2에 정리하였다.

재령 91일에서의 밀봉시험체의 수축량은 F20S10 배합이 가장 크고 F20S10-VS 배합이 가장 작게 나타났다(Fig. 3(a)). 동일배합에서 VMA를 사용한 경우, 재령 91일에서 수축량은 214 ㎛/m 저감됐다. F20S10-VS배합은 F20S10-V 배합과 비교하여 수축량 저감이 재령 91일에서 약 542 ㎛/m 작게 나타났다. 재령 91일에서 F20S10배합의 수축량이 – 709 ㎛/m 로 나타난 결과를 고려할 때, SRA를 사용 시 수축저감 효과는 큰 것으로 나타났다.

노출시험체의 재령 91일의 수축량은 F20S10 배합이 가장 크고 F20S10-VS 배합이 가장 작게 나타났다(Fig. 3(b)). 다만, F20S10-V배합과 OPC100배합은 거의 유사한 수축거동을 보이는 것으로 나타났다. F20S10-V배합이 초기 재령 0.5일에서 352 ㎛/m 수준으로 팽창이 발현됐던 결과를 제외하고는 재령 3일부터는 거의 유사한 거동을 보였다.

Fig. 3 Shrinkage results

F20S10 배합의 재령91일 수축량은 – 1388 ㎛/m로 OPC100 배합과 F20S10-V 배합 대비 약 1.9배 수준으로 높게 나타났으며, F20S10-VS 배합과 비교하면 약 3.4배 높게 나타났다. 결과적으로, VMA와 SRA가 밀봉된 환경 뿐 아니라 노출된 환경에서도 수축을 저감시킬 수 있는 것으로 나타났다.

4종 배합의 외기에 의한 길이변화율 효과를 분석하기 위해 Table 2의 양생조건별 측정값의 차를 Fig. 4에 나타내었다. 재령 91일의 길이변화율의 크기는 양생 초기부터 F20S10, OPC100, F20S10-VS, F20S10-V의 순서로 나타났다. 측정결과 이 연구에서 사용한 유지계 SRA는 밀봉양생 시 자기수축 저감에 더 효과적인 것으로 나타났다. F20S10 배합은 양생조건과 관계없이 4종의 배합 중에서는 가장 수축률이 크게 나타났으나, 두 값의 차이를 통해 노출에 의한 수축량은 OPC100 배합과 비교하여 약 – 90 ㎛/m 차이가 발생하였다(Fig. 4).

Fig. 4 Shrinkage (EC-SC)

결과적으로 OPC100 배합은 외기에 노출될 경우 OPC100 배합이 가진 화학수축, 자기수축 등에 의한 길이변화보다 외기 노출 시 수분증발 등에 길이변화가 더 크게 나타나기 때문인 것으로 판단된다. F20S10-V 배합은 F20S10 배합과 비교하여 밀봉양생조건에서 길이변화율이 더 작게 나타났으며, 자기수축 및 화학수축을 감쇄시키는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

3.3 온도변화와 초기재령에서의 수축

OPC100 배합과 F20S10-V 배합 양생조건별 SC와 EC 시험체에서 측정한 시험체 내부 온도 및 양생실 온도를 측정한 온도데이터를 Fig. 5에 나타냈다.

모든 재령에서 양생실 온도는 약 20∼23℃ 범위로 나타나 설정온도를 유지한 것으로 나타났다. 시험체 내부의 온도는 타설 초기 약 30 ℃ 수준에서 재령 0.4일 20 ℃ 수준까지 지속적으로 감소했다. 재령 0.4일 온도 변곡점이 나타난 후 약 12∼15 ℃ 까지 감소된 것으로 나타났다. 재령 0.8일 구간에서 시험체의 온도는 하한 값을 타나내고 상승하여 양생실 온도까지 점차적으로 상승했다.

타설 직후부터 재령 3일까지의 온도측정결과를 수축측정결과와 함께 Fig. 6에 표현하였다. 그래프를 통해 온도데이터의 변곡점과 수축거동과 연관성을 시각적으로 검토하였다.

시험체 내부온도는 타설 약 0.4일까지 온도변화와 함께 OPC100, F20S10, F20S10-V 배합의 수축거동은 지속적으로 팽창하다가 변형률이 감소세로 전환되는 경향을 나타냈으며 그 경향은 특히 F20S10 배합에서 두드러지게 나타났다(Fig. 6(a)). 타설 0.4 – 0.8일 사이의 시험체 온도 저하와 함께 길이변화율은 급격하게 수축한 후 재령 0.8일을 기준으로 수축률이 완만하게 변화한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5 Temperature measurement results

Fig. 6 Early age shrinkage results

EC와 SC 시험체는 거의 동일한 시점에서 시험체 온도 변곡점을 확인할 수 있었지만, EC조건에서는 F20S10-V 배합에서만 온도 변화와 수축거동의 변화지점이 유사하게 발현되었다(Fig. 6(b)). 재령 0.4일까지 수화반응 시 발생하는 반응열에 의한 팽창거동이 발생된 후 재령 0.8일까지 자기수축과 화학수축이 발생된 것으로 판단된다. OPC의 미소수화열 측정을 통해 분석한 수화반응 단계는 initial, induction, acceleration, deceleration, diffusion의 총 5단계로 구분할 수 있다^{(Shi and Day, 1995)}. 이 중 acceleration과 deceleration 사이의 peak가 나타나는 시간대는 결합재의 종류와 치환율에 따라 차이가 있지만 FA와 SF로 OPC를 치환하여 사용한 경우에는 배합 후 약 8-10시간 사이에 peak가 나타난다. 또한 deceleration과 diffusion의 구분은 배합 후 약 18-22시간 사이에 나타난다^{(Langan et al., 2002)}. 이를 통해 Fig. 6에서 측정된 재료의 온도곡선은 이 시간과 매우 유사하게 나타났음을 확인할 수 있어, 수화열에 의해 온도변화가 발생했음을 예상할 수 있다.

기존연구^{(Kim et al., 2016; Park et al., 2015)}에 따르면 타설 후 재령 6시간까지 화학수축시험체는 부피변화율이 수축방향으로 약 2% 가량 급격하게 증가하지만, 자기수축시험체는 재령 6시간까지 부피가 팽창하다가 재령 6시간부터 부피가 감소하는 것으로 나타났다. 재령 0.4일까지의 길이변화에서 팽창이 발생한 것은 초기 시멘트 수화반응에 의한 반응열의 발생 및 자기수축의 영향으로 예상된다. EC조건에서는 F20S10-V 배합이 온도의 변곡점과 길이변화율의 변곡점이 유사하게 발현되어 상관성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 다만, 그 외 배합에서는 외기노출로 인한 수분증발 등으로 인한 길이변화 영향이 더 크기 때문에 온도변화와의 상관성이 상대적으로 감소한 것으로 판단된다.

3.4 압축강도 변화

압축강도는 각 재령별로 3개의 시험체를 측정 후 그 평균값을 사용했으며, 측정결과의 표준편차를 이용하여 오차막대로 표현하였다(Fig. 7). 재령 1일차 OPC100 배합은 약 18 MPa로 다른 3종의 배합이 10∼12 MPa 수준으로 발현되는 것과 비교하여 높게 나타났다. 이는 플라이애시 사용으로 인한 초기강도 발현이 늦어지기 때문으로 보이나, 재령 3일 차에는 모든 배합이 거의 유사하게 약 25 MPa 수준으로 발현되었다. 재령 7일에는 F20S10배합과 F20S10-V 배합은 약 30 MPa, OPC100 배합과 F20S10-VS 배합은 약 27 MPa로 나타났다.

Fig. 7 Compressive strength

재령 28일 압축강도는 F20S10, F20S10-VS 배합 61 MPa, F20S10-VS 배합 58 MPa, OPC100 배합 49 MPa 순서로 나타났다. 플라이애시와 실리카흄을 사용한 배합이 OPC100 배합 대비 약 10 MPa 강도가 상승한 것으로 확인됐다.