2.1 사용재료 및 배합설계

3D 프린팅용 시멘트계 복합재료는 결합재 3종과 국내산 규사를 사용하여 제작하였으며, 각 재료의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다. 결합재는 1종 보통포트랜드시멘트(ordinary Portland cement, OPC)와 플라이애시 2종(fly ash, FA) 및 실리카흄(silica fume, SF)을 사용하였다. 잔골재는 KS 기준에 맞춰 국내산 규사를 사용하였으며, 혼화제는 폴리카르복실계 고성능 감수제(high water reduction agent, HWRA)를 사용하였다. 3D 프린팅 시멘트계 복합재료의 적층성능을 향상시키기 위하여 셀룰로오스계 증점제(Viscosity agent)를 혼입하였다. 3D 프린팅 시멘트계 복합재료는 설계기준 강도를 60 MPa로 설정하였으며, 상세 배합설계는 Table 2에 나타내었다. 물-결합재비(W/B)는 24%이었으며, 결합재 3종은 OPC 70%와 FA 20% 및 SF 10%의 비율로 구성하였다. 증점제와 고성능 감수제는 각각 결합재 중량 대비 1.67%와 0.083%를 혼입하였다.

2.2 사용 장비

3D 프린팅 시멘트계 복합재료의 적층 시험체 제조를 위해서 Fig. 1과 같은 소형 갠트리 장비(길이 1m, 폭 1m, 높이 1.5m)를 이용하였다. 시멘트계 복합재료의 압출 및 출력은 Mono-Pump를 사용하였다. 재료 이송에는 고무재질의 호스를 사용하였으며, 복합재료 압출용 노즐은 스테인리스 재질의 원형관(∅25mm)을 사용하였다. 압출기 이동속도는 적층성 확보를 위하여 2 m/min으로 설정하여 실험을 수행하였다.

Fig. 1 Concrete 3D printing equipments

Fig. 2 Process of making specimens

2.3 시험체 제작 방법

3D 프린팅용 시멘트계 복합재료의 역학적 특성평가를 위하여 압축강도와 쪼갬 인장강도를 측정하였으며, 몰드 타설 시험체와 적층 시험체에 대한 비교 분석을 수행하였다. 몰드 시험체는 3D 프린팅 장비 노즐에서 토출된 재료를 몰드에 직접 타설하는 방식으로 제작하였다. 압축강도와 쪼갬 인장강도 측정용 시험체는 ∅100×200mm 몰드를 사용하여 제작하였다. 적층 시험체 제작시의 출력각도는 0°로 설정하였으며, 1 layer 당 폭 50mm, 높이 10mm로 적층하였다. 압축강도와 쪼갬인장 강도 측정용 시험체는 900×400×200mm 크기의 출력물을 제작하고 모르타르가 경화하기 전에 샘플링 관을 이용하여 시험체를 제작하였다^{(KCI-CT115, 2021)}. 출력된 부재에 샘플링관을 삽입하고 관 외부의 출력물을 제거하여 시험체를 제작하였다(Fig. 3).

Fig. 3 Fluidity and penetration resistance test

출력물이 굳은 후에 코어링을 하여 시험체를 채취하는 경우에는 코어링 과정에서 시험체애 손상을 줄 수 있는 문제가 있어서 KCI-CT115에서 제시하고 있는 방법을 사용하여 시험체를 제작하였다. 압축강도와 쪼갬인장강도 측정 시험체 제작을 위하여 900×400×200mm 크기의 출력물을 2개 제작하여 총 42개의 ∅100×200mm 시험체를 제작하였다. 모든 시험체는 타설 1시간 후 항온항습실로 이동시켜 온도 20±2℃, 상대습도 60RH%의 조건에서 양생하였다.

2.4 시간에 따른 유동성 및 응결특성

3D 프린팅용 시멘트계 복합재료는 첫 번째 layer 출력 후 두 번째 layer가 출력되기 위해서는 굳지 않은 상태에서의 적층성능이 확보되어야한다. 모르타르가 굳지 않은 상태에서의 적층성능과 형상유지성능 확보여부를 판단하기 위하여 시간에 따른 유동성 평가(Table flow test, Slump)와 레올로지 특성 및 관입저항 실험을 수행하였다. Table flow test와 Slump 및 관입저항 실험은 배합 후 3D 프린팅 장비 노즐에서 토출된 재료에 대하여 토출한 직후부터 30분 간격으로 8회 측정하였다. 동일 재료의 유동성에 대한 시간의 영향도를 평가를 위하여 유동성을 측정한 모르타르 시료를 지퍼백에 밀봉하여 보관하여 측정시간에 맞춰 꺼내어 사용하였다. 3D 프린팅 복합재료의 시간에 따른 레올로지 특성은 ICAR 장비를 사용하여 재료 토출 후 30분 간격으로 항복응력과 소성점도를 측정하였다. 관입저항 실험은 KS F 2436에 따라 측정하였으며, 이 연구에서는 굳지 않은 상태에서의 모르타르의 지지력 평가를 위하여 일반적인 응결특성실험과 달리 초결과 종결까지 측정하지 않고 굳지 않은 상태에서 유동성 평가와 동일한 시간의 응결특성을 평가하였다.

2.5 압축강도와 쪼갬 인장강도 측정방법

적층 시험체와 몰드 제작 시험체의 압축강도를 비교하기 위하여 ∅100×200mm를 제작하였으며, 재령 1, 7, 28일에 각 재령 당 시험체 3개씩 압축강도 및 응력 변형률 관계를 측정하였다. 쪼갬인장 강도 측정을 위하여 압축강도 측정 시험체와 동일하게 적층 시험체와 몰드 시험체를 ∅100×200mm 크기로 제작하여 재령 1, 7, 28일에 측정하였다. 적층 시험체의 쪼갬인장 강도 측정 시에는 적층 패턴 방향을 변수로 측정하여 Fig. 4와 같이 적층 시험체의 패턴방향을 수평방향(P-H)과 수직방향(P-V) 2가지로 구분하여 재령에 맞춰 각각 3개씩 측정하였다.

Fig. 4 Splitting tensile strength specimen

3.1 유동성과 레올로지 특성 및 응결특성

압출기에서 토출된 모르타르 재료의 시간에 따른 유동성 평가와 관입저항 실험을 수행하여 Fig. 5에 나타내었다. 토출된 직후의 초기 Table flow는 118.9mm로 측정되었으며, 30분 후 부터 90분까지 Table flow는 104~107mm의 범위로 초기 유동성 대비 약 13% 저하된 상태에서 유동성이 유지되는 경향을 나타내었다. 반면에 2시간부터는 Table flow는 0으로 측정되어 유동성이 확보되지 않았다. 초기 Slump는 105mm이었으며, 30~60분과 90분은 각각 29mm와 10mm로 나타났다. 30분 후의 Slump는 초기 유동성의 26.7%의 수준으로 Table flow의 결과와 유사한 경향을 나타내었으나 급격한 유동성 저하를 나타내었다. 90분 후 slump는 104.5mm이었으며, 2시간 후에는 zero slump로 나타났다.

3D 프린팅 장비로 모르타르를 압출하여 적층하여 부재를 만들기 위해서는 압출이 가능한 유동성능과 굳지 않은 상태에서의 지지력이 모두 확보되어야한다. 굳지 않은 상태의 지지력평가를 위하여 유동성 측정시점에 콘크리트 관입저항력을 측정하였다. 배합 직후부터 1시간까지의 관입저항력은 10.96~31.30 kPa의 범위로 측정되었으며, 관입저항력이 완만하게 증가되었다. 배합 후 관입저항력의 증가 기울기는 1시간 이내는 0.5이었지만 1시간부터 3시간 구간에서는 1.3으로 배합 후 1시간을 기점으로 급격하게 증가하는 경향을 나타내었다. 배합 후 90분부터 210분까지의 관입저항력은 지속적으로 증가하였다. 측정을 종료한 210분의 관입저항력은 245.71 kPa로 초결 기준인 3.5MPa는 도달하지 못하였지만 90분을 이후부터 응결이 급속도로 진행되는 경향을 나타내었다.

레올로지 특성평가도 유동성 평가와 동일하게 압출기에서 토출된 복합재료에 대하여 Slump와 Flow가 0으로 측정된 시점인 120분까지 30분 간격으로 측정하여 Fig. 6에 나타내었다. 펌핑 직후의 항복응력은 2,283.7 Pa으로 나타났으며, 30분과 60분 후는 각각 2,683.6 Pa과 2,840.0 Pa로 측정되었다. 특히, 30분 이후의 항복응력은 초기 항복응력 대비 약 1.2배 높게 측정되었으며, 30분부터 120분까지의 항복응력은 약 2,700 Pa 내외로 수렴하는 경향을 나타내었다. 초기 소성점도는 35.5 Pa.s이었으며, 30분 후부터 소성점도는 소폭 낮아진 상태인 32.6~33.5 Pa.s의 범위를 유지하였다. 하지만 120분 후의 소성정도는 27.3 Pa.s로 초기 소성점도 대비 약 23% 저감되었다. 압출기에서 토출된 재료의 항복응력과 소성점도가 급격히 변화하는 시점은 30분 후로 나타났다. 항복응력과 소성점도가 급격히 변하는 이유는 시간에 따른 Slump와 Flow의 유동특성변화와 관계가 있는 것으로 판단된다.

이에 따라 시간에 따른 유동성과 레올로지 특성을 비교하여 Fig. 7에 나타내었다. 일반적으로 Slump는 항복응력에 영향을 받는 인자이며, Flow는 plastic viscosity에 영향을 받는다^{(N. Roussel, 2006)}. 이에 따라 Slump는 항복응력에 영향을 받아서 항복응력이 급격하게 상승된 30분 시점에 유동성이 급격히 저감되어 나타난 것으로 판단된다. 반면, Flow는 초기 유동성 대비 30분 후에 약 13% 낮아지지만 소성점도가 유지되는 30~90분 동안에 유동성이 유지되는 경향을 나타내었다. 또한 압출 후 120분이 되는 시점에는 유동성은 0으로 측정되고 관입저항력이 급격히 증가되어 수화반응이 급격히 진행된 것으로 판단된다. 결과적으로 3D 프린팅용 복합재료는 압출 후 30분 후부터 재료의 물성변화가 시작되고 90분까지 재료의 점도가 유지되는 경향을 나타나지만, 이송성능과 적층성능의 품질을 확보하기 위해서는 배합 및 압출 후 60분 이내의 시공이 필요한 것을 확인하였다.

Fig. 5 Workability and penetration resistance

Fig. 6 Rheology properties

Fig. 7 Relationship of workability and rheology properties

3.2 압축강도

3D 프린팅 복합재료로 적층된 시험체의 압축강도 성능평가를 위하여 몰드 타설한 시험체와 동일하게 재령 1, 3, 7, 28일에 압축강도를 측정하여 Fig. 8에 나타내었다. 적층 시험체와 몰드 시험체의 재령 1일 압축강도는 각각 35.63 MPa와 35.01 MPa로 거의 동일한 압축강도를 나타내었다. 몰드 시험체의 3일 압축강도는 51.61 MPa이었으며, 적층 시험체의 재령 3일 압축강도는 55.27 MPa로 몰드 시험체보다 약 6.63% 높게 나타났다. 재령 7일의 적층시험체와 몰드 시험체의 압축강도는 평균적으로 61.53 MPa로 거의 동일한 압축강도가 측정되었다. 적층 시험체의 재령 28일 강도는 73.21 MPa로 몰드 시험체의 28일 압축강도인 66.17 MPa보다 약 9.62% 높게 나타났다. 적층 시험체의 재령 28일 압축강도가 몰드 시험체보다 높게 나타난 것은 적층 시험체가 노즐에서 압출되어 적층되는 과정에서 공기량이 저감되고 밀도가 증가되는 등의 현상으로 시험체가 몰드 시험체 대비 내부 구조가 밀실해지기 때문으로 판단된다^{(Seo et al., 2021; Heras Murcia et al., 2020)}. 결과적으로 적층 시험체의 재령에 따른 압축강도는 몰드 시험체와 동등이상의 성능을 확보하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 9에는 몰드 시험체와 적층 시험체의 시간에 따른 압축강도 발현율을 나타내었다. 몰드 시험체의 재령 28일 대비 재령 1일의 압축강도 발현율은 0.54이었으며, 적층 시험체는 0.48로 몰드 시험체보다 약 11% 낮게 나타났다. 재령 3일과 7일의 적층 시험체의 강도발현율은 몰드 시험체 대비 3.2~6.5% 낮게 나타났다. 전 재령에서 적층 시험체의 압축강도 발현율이 몰드 시험체보다 낮게 나타난 이유는 적층 시험체의 재령 28일 압축강도가 몰드 시험체보다 다소 높게 나타났기 때문으로 판단된다.

또한 몰드 시험체의 재령 1일 압축강도의 표준 편차는 0.34로 굉장히 낮은 편차를 나타내었으며, 재령 3일~28일의 압축강도 표준 편차는 0.53~2.75로 측정되었다. 반면에 적층 시험체의 재령 1일 압축강도의 표준편차는 2.03으로 몰드 시험체보다 높게 나타났지만, 재령 3일부터 적층 시험체의 압축강도 편차는 0.56~1.31 범위로 점차 압축강도 편차가 줄어드는 경향을 나타내었다. 이는 모르타르가 동일한 품질로 적층되는 적층 시험체가 초기재령에서는 레이어 간에 부착력이 충분히 발현되지 않아 강도 편차가 나타나지만, 재령이 증가함에 따라 계면간의 부착력이 향상되어 일체화 거동을 나타내어 시험체간의 압축강도 편차가 저감된 것으로 판단된다. 결과적으로 3D 프린팅 장비로 동일한 조건으로 출력된 시험체가 작업자가 직접 제작하는 몰드 시험체보다 동일한 품질을 확보하는데 유리한 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 Compressive strength test result

Fig. 9 Compressive strength development

3.3 응력-변형률 관계

적층 시험체와 몰드 시험체의 재령에 따른 응력-변형률 관계를 Fig. 10에 나타내었다. 적층 시험체의 재령 1일 응령-변형률 곡선에서는 몰드 시험체와 비교하여 초기 기울기인 탄성계수가 상대적으로 낮게 나타났으며, 최대 응력 이후의 하강 기울기는 다소 높게 나타났지만 전반적으로 거의 유사한 거동을 나타내었다. 재령 3일와 7일의 경우, 적층시험체와 몰드 시험체의 초기 기울기인 탄성계수는 거의 동일한 경향을 나타내었다. 재령 3일의 경우, 적층 시험체의 하강곡선부 중 변형률이 약 0.006인 지점에서의 응력이 최고 응력의 69%로 급격히 저하되어 나타나 몰드 시험체와 비교하여 상대적으로 취성적인 거동을 보였다.

재령 28일에서 몰드 시험체와 적층시험체의 최대응력 시 변형률($\varepsilon_{0}$)은 각각 0.00349와 0.003549로 나타났으며, 적층 시험체의 최대 응력이 약 11% 높게 나타났다. 특히, 적층 시험체의 하강부 기울기는 최대 응력인 지점부터 최대 응력의 80%인 지점까지를 기준으로 비교했을 때 몰드 시험체와 대비 약 2.7배 높은 기울기를 나타났다. 적층 시험체의 응력-변형률 곡선은 몰드 시험체와 비교했을 때 재령과 관계없이 초기 기울기는 비교적 유사한 거동을 보였으며, 하강 기울기는 평균적으로 약 1.9배 높게 나타나 몰드 시험체와 비교했을 때 상대적으로 취성적인 거동을 나타내었다. 이는 적층 시험체가 몰드 시험체와 다르게 다수의 계면이 존재하고 이 계면이 상대적으로 취약하기 때문에 응력-변형률 곡선의 하강부 곡선의 기울기가 비교적 높게 나타난 것으로 판단된다. 하지만 적층 시험체의 28일이 압축강도가 74.09 MPa로 고강도이기 때문에 적층 계면의 영향과 더불어 일반적인 고강도 모르타르의 거동을 나타낸 것으로 판단된다.

Fig. 10 Compressive stress-strain curves

3.4 쪼갬 인장강도

적층 시험체는 다수의 계면이 존재하고 계면 사이에 부착력이 충분히 확보되어야 몰드 시험체와 동일한 성능을 확보할 수 있다. 적층 시험체와 몰드 시험체에 대하여 재령에 따른 쪼갬 인장강도를 평가하였다. 특히, 적층 시험체의 출력 계면의 방향과 하중 방향의 영향도를 분석하기 위하여 출력 패턴 방향을 구분하여 쪼갬 인장강도를 측정하였다(Fig. 11). 적층 시험체의 쪼갬인장 강도는 출력 방향을 변수로 출력 패턴을 수직으로 세팅하여 쪼갬 인장강도를 측정하는 시험체(P-V)와 수평방향으로 측정하는 시험체(P-H)로 구분하였다.

재령 1일의 몰드 시험체 쪼갬 인장강도는 3.80 MPa이었으며, P-H와 P-V 시험체는 각각 4.49 MPa와 3.95 MPa로 몰드 시험체 대비 동등이상의 강도를 나타내었다. 재령 7일의 쪼갬 인장강도의 경우, P-V 시험체는 몰드 시험체와 유사하게 나타났으며, P-H 시험체는 몰드 시험체 대비 약 9% 높은 강도를 나타내었다. 재령 28일의 P-H 시험체의 쪼갬 인장강도는 몰드 시험체와 거의 동일하게 나타났다. 하지만 P-V 시험체의 재령 28일 쪼갬 인장강도는 4.90 MPa로 몰드 시험체의 쪼갬 인장강도인 5.20 MPa보다 약 6% 낮게 측정되었다. P-V 시험체의 쪼갬 인장강도의 경우, 초기 재령에서는 몰드 시험체 대비 동등 이상의 강도를 확보할 수 있지만 재령이 증가됨에 따라 몰드 시험체 대비 강도가 저하되는 경향을 나타내었다. 이는 강도가 충분히 발현되지 않는 초기 재령에서는 계면간의 부착력이 쪼갬인장강도에 미치는 영향도가 낮지만 강도가 충분히 발현된 재령 28일에서는 계면의 부착력이 쪼갬 인장강도에 미치는 영향도가 증가한 것으로 판단된다.

특히, 쪼갬 인장강도 측정 시 시험체는 수직 방향으로 파단이 되는데 P-V 시험체의 경우 파단 방향과 출력 패턴 방향이 동일하여 P-H 시험체와 비교하여 더 취약한 것으로 판단된다(Fig. 11(b)). 결과적으로 적층 시험체의 출력 패턴은 모든 레이가 동일한 0°로 출력하는 것보다 인접 레이어의 출력패턴이 수직으로 형성되는 적층 패턴을 90°로 하는 것이 안정적인 쪼갬인장 확보가 유리할 것으로 판단된다^{(Seo et al., 2021)}.

또한 적층 시험체의 쪼갬 인장강도 측정 후의 적층 시험체의 적층 단면을 확인하였다. 적층 시험체 단면에서는 적층된 레이어를 육안으로 뚜렷하게 확인할 수 있었으며, 각 레이어의 높이는 계획된 레이어 출력 높이 10mm를 만족하였다. 적층 시험체의 각 레이어 간의 공극분포와 계면간의 부착력 등의 평가는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 11 Splitting tensile strength measurement result