2.1.1 결합재와 잔골재

결합재(binder)는 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)와 유동성 및 내구성을 개선하기 위해 플라이 애시(fly ash, FA), 분말형 수지 에틸렌비닐콜로라이드(ethylene vinyl chloride, EVCL)를 사용하였으며 각 재료의 특성은 Table 1과 같다. 잔골재는 압출노즐 크기를 고려하여 0.1~0.3 mm 크기의 7호사를 사용하였다. 잔골재의 특성은 Table 2와 같다.

2.1.2 보강섬유

3D 프린팅 시멘트 모르타르 배합에서는 섬유를 적절한 비율로 사용할 경우 출력 후 적층성을 유지하는 데 도움이 될 수 있다^{(Souza et al., 2020)}. 본 연구에서 사용하는 보강섬유는 유기계 섬유 중 나일론(nylon, NY) 섬유와 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 섬유를 사용하였다. 각 섬유의 특성은 Table 3과 같다.

2.1.3 혼화제

본 연구에서 사용한 증점제는 3D 프린팅 압출 시 발생할 수 있는 재료의 탈수 및 분리를 방지하기 위해 MC를 혼입하였다. MC는 메틸기(R; CH3)로 합성되는 대표적인 합성 폴리머 혼화제이다. 또한, 섬유의 분산성을 높이기 위해 폴리카르복실계 고성능 감수제(superplasticizer, SP)를 사용하였다. MC와 SP의 특성은 Table 4와 같다.

2.1.4 바이오 폴리머

바이오 폴리머 혼화제는 손바닥 선인장(opuntia ficus- indica)의 열매를 수확한 후 버린 폐선인장 줄기를 사용하였다. Fig. 1과 같이 줄기를 분쇄하여 200 mesh 이하로 제조된 선인장 줄기 분말(cactus stem, CS)을 사용하였다. CS의 화학적 조성은 Table 5와 같다. 손바닥 선인장은 대부분 점질다당류로 셀룰로스계 다당류 폴리머 구조와 유사한 화학적 구조를 가져 MC와 유사한 특성을 가질 수 있다. 이러한 폴리머 구조는 시멘트 입자 사이를 치밀한 미세구조로 형성하여 내구성을 개선시킬 수 있다^{(Shanmugavel et al., 2020)}. 또한, 끈쩍끈쩍한 고유의 젤라틴 점액을 함유하고 있어 수분유지와 유동성을 가질 수 있다^{(Martinez-Molina et al., 2015)}. 그 외 콘크리트 감수제 원료와 같은 리그닌을 포함하고 있어 유동성 및 내구성을 개선할 수 있다^{(Vieyra et al., 2015)}.

Fig. 1 Cactus stem powder

2.2.1 3D 프린팅 모르타르 배합

3D 프린팅 모르타르 배합은 Table 6과 같으며 물- 결합재비(W/B)는 38%로 동일하게 진행하였다. 혼화제는 기존 연구^{(Kim et al., 2020)}에서 CS 0.3%와 MC 0.1%의 점도 결과가 유사한 것으로 보고되어 이 결과를 바탕으로 CS를 MC 혼입량의 10% 범위로 치환하여 혼입하였다. 보강섬유는 압축노즐 폐색을 고려하여 노즐 크기보다 작은 6 mm 길이를 사용하여 모르타르 부피 대비 0.5~1.0% 범위로 혼입하였다. SP는 결합재 질량 대비 0.2%를 혼입하였다.

2.2.2 시험체 제작

본 연구에서는 압력에 의해 재료 출력이 되는 갠트리(gantry) ME 방식의 3D 프린터를 사용하였다. 500×500×500 mm 크기 출력이 가능한 프린터이며 그 제원과 출력설정은 Table 7과 같다.

압축강도, 길이변화, 동결융해 특성 검토를 위한 일반 타설 시험체는 40×40×160 mm 크기로 제작하였다. 3D 프린팅 타설 시험체는 40×40×160 mm 이상이 되도록 출력한 후 굳지 않은 상태에서 금속 틀로 찍어내어 40×40×160 mm 크기로 제작하였다. 균열 저항성을 검토하기 위한 시험체는 지름 100 mm, 높이 60 mm 크기의 원주형 형태를 모델링 한 후 적층 layer 높이를 6.0 mm가 되도록 중공 원기둥 출력 형상으로 출력하여 제작하였다.

2.3.1 압축강도 시험

각 배합요인의 타설방법에 따른 압축강도를 비교·분석 하였다. 3D 프린팅 출력물의 경우 기존 연구결과에 따르면 출력방향과 하중방향에 따라 강도가 상이한 것으로 나타난다^{(Xiao et al., 2021)}. 본 연구에서의 시험체 하중방향은 출력된 적층계면과 수직방향이 되도록 하여 KS L ISO 679 시험방법에 따라 강도를 측정하였다. 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하기 위해 시험체는 각각 3개씩 제작하여 진행하였다.

2.3.2 길이변화 시험

건조수축에 의한 길이변화 특성을 평가하기 위하여 KS F 2424 ｢모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법｣에 따라 진행하였다. 타설방법에 따라 재령 60일까지 건조수축에 의한 길이를 측정하여 길이변화 감소율을 계산하였다.

2.3.3 동결융해 저항성 시험

KS F 2456 ｢급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법｣의 B 시험방법에 준하여 시험체를 20±2 ℃ 의 수중 양생 후 챔버에서 –18∼+4 ℃에서 1일 6 cycle로 하여 100 cycle까지 동결융해를 수행하였다. 타설방법에 따른 동결융해 저항성을 평가하기 위해 동일 재령에서의 동결융해 시험에 의한 압축강도 감소 비율을 계산하였다.

2.3.4 균열 저항성 평가

3D 프린터로 출력된 시험체의 균열 저항성을 평가하기 위하여 비구속 상태에서 수축으로 인한 균열 발생을 확인하였다. 출력이 완성된 시험체를 온도 23 ℃, 상대습도 60 %의 조건에서 28일간 양생 후 발생된 균열의 상태를 육안으로 관찰하였다.

2.4.1 압축강도 시험 결과

타설조건에 따른 압축강도 시험 결과는 Fig. 2 및 Fig. 3에 나타내었다. Plain 배합의 경우 재령 28일 기준 일반 타설방법시 20.71 MPa, 3D 프린팅 타설방법시 18.62 MPa으로 나타나 3D 프린팅 타설방법의 경우 10.09% 강도가 저하 되었다. 또한 ,섬유 종류 및 혼입량과 상관없이 3D 프린팅 타설방법의 경우 일반 타설방법에 비해 8.55~12.61% 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 이는 3D 프린팅 타설방법의 경우 적층시 발생되는 각 적층 계면 사이의 불규칙한 미소공극이 의해 압축강도가 저하되는 것으로 판단된다. 강도감소의 원인은 적층계면간 부착특성, 계면과 하중방향의 관계도 있으나 대부분 3D 프린팅 출력물의 출력 경로에 따라 발생되는 재료의 이방성구조(aniostropic) 파괴 메커니즘이 연속체로 거동하는 일반 타설방법의 시험체와 다르기 때문이다^{(El Cheikh et al., 2017)}. 또한, 3D 프린팅 출력 특성상 시멘트 필라멘트 간 적층면이 필수적으로 발생하기 때문에 적층면에 분포한 미세한 공극과 층간 접착성이 충분히 확보되지 못하기 때문이다^{(Seo et al., 2022)}.

Plain-CS 배합의 경우, Plain 배합보다 CS 치환량에 의한 셀룰로오스계 다당류 구조가 증가되어 셀룰로오스의 하이드록시기(-OH)에 의한 시멘트 입자나 수화생성물에 흡착하는 경우가 많아져 강도 저하가 있을 것으로 예상되었으나^{(Han et al., 2002)} 타설방법과 상관없이 9.84~23.92% 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 SP의 폴리카르복실기와 CS의 리그닌의 성분이 시멘트 입자표면에 흡착하여 시멘트 입자끼리의 응집을 방해하고 수화반응물을 증가시켜 강도 발현이 효과적이었던 것으로 판단된다^{(Na et al., 2010)}.

섬유 배합의 경우, 타설방법과 상관없이 섬유 종류 및 혼입량에 따른 강도 발현 경향은 Plain-CS 배합의 경향과 유사한 결과를 나타내었다. 이는 섬유의 종류 및 혼입량이 모르타르 강도에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 섬유를 혼입한 경우 시멘트 입자 사이에 흡착하게 되면서 응집력을 향상시켜 유동성을 감소시킬 수 있다. 그러나 섬유는 연속적인 매트릭스 구조를 형성함으로써 시멘트 수화생성물을 방해하지 않고 강도 발현에 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 따라서 섬유 배합의 경우, 섬유의 종류 및 혼입량과 상관없이 바이오 폴리머 혼화제 혼입에 의한 강도 발현의 경향을 나타낸 것으로 사료된다.

Fig. 2 Compressive strength of conventionally cast specimens

Fig. 3 Compressive strength of 3D printed specimens

2.4.2 길이변화 시험 결과

건조수축에 의한 길이변화 시험 결과는 Fig. 4 및 Fig. 5와 같다. 일반 타설방법과 3D 프린팅 타설방법 시험체 모두 재령이 경과함에 따라 수축에 의한 길이변화 감소율은 증가하는 경향을 나타내었다. 재령 60일 이후 일반 타설방법 배합의 경우 총 길이변화 감소율은　–0.18~–0.25 %, 3D 프린팅 타설방법 배합의 경우 –0.19~-0.26 %로 타설방법에 따른 감소율 차이는 미소한 수준으로 나타나 3D 프린팅 타설방법 시험체와 일반 타설방법 시험체가 서로 대등한 수준의 수축특성을 나타내는 것으로 나타났다.

타설방법과 상관없이 Plain < Plain-CS < CP0.5 < CN0.5, CN1.0, CP1.0 순으로 감소율이 적은 것으로 나타나 섬유 혼입에 의해 수축저감이 효과적인 것으로 나타났다. PP 섬유보다 NY 섬유 혼입 배합의 경우가 수축변화에 유리한 것으로 나타났으며 이는 섬유의 형상이 수축변화와 상관관계가 있는 것으로 판단된다. NY 섬유는 수분을 유지할 수 있는 친수성을 가지며 시멘트 매트릭스 내 분산성 효과가 우수하다. 반면, PP 섬유는 NY 섬유와 달리 소수성 특성을 지니며 분산성 효과가 떨어지는 특징을 지닌다^{(Lee et al., 2012)}. 따라서 분산성 효과가 우수한 NY 섬유가 수축변화에 유리한 것으로 사료된다.

Fig. 4 Length change ratio of conventionally cast specimens

Fig. 5 Length change ratio of 3D printed specimens

2.4.3 동결융해 저항성 시험 결과

동결융해 저항성 시험 결과는 Fig. 6과 같다. Plain 배합의 경우 일반 타설방법시 35.30%, 3D 프린팅 타설방법시 37.97%로 압축강도가 저하하는 것으로 나타났다. 섬유 종류와 상관없이 일반 타설방법의 시험체보다 3D 타설방법의 시험체가 0.61~2.70% 강도 저하를 나타내었다. 이는 3D 프린팅 타설 시험체의 경우 일반 타설 시험체와 달리 적층시 발생되는 각 적층 계면 사이의 불규칙한 미소공극이 유해인자의 이동경로가 되어 내구성을 저하시키는 것으로 판단된다^{(Mohan et al., 2021)}.

MC 대신 CS 10% 일부 치환한 배합의 경우 Plain 배합의 경우보다 강도감소율이 일반 타설방법시 4.96~9.68%p, 3D 프린팅 타설방법시 6.38~10.40%p 작아지는 것으로 나타나 동결융해 저항성이 개선됨을 나타냈다. 이는 기존 연구결과^{(Chandra et al., 1998)} 같이 CS를 일부 치환함으로써 셀룰로스계 다당류 폴리머 구조가 증가되고 다당류 폴리머가 제공하는 접착력에 의해 시멘트 입자 사이의 공극을 감소시키므로 치밀한 내부구조를 유지할 수 있으므로^{(Shanmugavel et al., 2020)} 동결융해 저항에 유리한 것으로 판단된다.

섬유 배합의 경우, 타설방법과 상관없이 Plain-CS 배합의 경우보다 2.89~4.72%p 작아지는 것으로 나타나 섬유 혼입에 의한 동결융해 저항성능이 개선됨을 나타내었다. 이는 섬유 혼입에 의해 시멘트 매트릭스 사이의 결합력을 향상시키고 급속 동결융해 작용에 의해 발생되는 시멘트 매트릭스 사이의 인장응력 감소에 유리한 것으로 판단된다^{(Yoo et al., 2019)}. 섬유 종류와 혼입량은 동결융해에 의한 강도에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

Fig. 6 Reduction ratio in compressive strength after freeze-thaw test

2.4.4 균열 저항성 평가 결과

Fig. 7은 수축으로 인한 발생한 균열 패턴을 표시한 것이며 Fig. 8은 총 균열 개수를 도시한 것이다. 동일면 구역에서의 균열 개수를 관찰하였으며 균열 상태의 사진 위에 시각적으로 두드러지게 하기 위하여 균열을 빨간 선으로 표시하였다.

섬유와 바이오 폴리머를 혼입하지 않은 Plain 배합의 경우 총 10개의 레이어 중 7개의 레이어에 수직방향의 균열 개수가 17개 발생하였다. 반면, CS 10% 일부 치환한 Plain-CS 배합의 경우 7개의 레이어에서 균열 개수가 11개 발생하여 균열이 감소한 것으로 나타났다. CS의 경우 MC와 같이 다양한 유형의 다당류 폴리머를 포함하고 있으므로 혼합수 유지에 효과적이다. 이는 3D 프린팅 출력물의 수분 손실을 방지할 수 있으며 수축에 의한 균열 저항성에 효과적인 것으로 판단된다. 따라서 CS를 일부 치환함으로써 다당류 폴리머 구조가 증가되어 수축에 의한 균열 저항성에 효과적인 것으로 판단된다.

NY 섬유를 혼입한 CN 배합의 경우 3개의 레이어에서 균열 개수가 각각 4개, 3개가 발생하여 섬유 보강에 의한 균열 저항성이 효과적인 것으로 나타났다. PP 섬유를 혼입한 CP0.5 배합의 경우 6개 레이어에서 12개 균열이 발생하였고 CP1.0 배합의 경우 3개 레이어에서 3개 균열이 발생하였다. NY 섬유 경향과 같이 혼입량이 증가할수록 균열 개수가 줄어드는 것으로 나타나 균열 저항성에 효과적인 것으로 나타났다. PP 섬유의 경우보다 NY 섬유를 혼입한 경우가 균열 저항성에 유리한 것으로 나타나 이는 길이변화 시험 결과와 같이 섬유의 형상이 균열 제어와 상관관계가 높은 것으로 판단된다.

3D 프린팅 타설은 일반 타설에 비해 낮은 물-결합재비와 수분 노출 시간이 길어 수축의 영향이 크며 이러한 수축은 시멘트 매트릭스에 매립된 섬유가 경화 과정에서의 부착력이 증가할수록 수축 저항성이 클 것으로 판단된다. 즉, 섬유의 혼입량이 증가할수록 시멘트 매트릭스 간의 가교작용 증가하여 균열 저항성을 증가시키는 것으로 사료된다.

Fig. 7 Crack pattern marked with ink pen after 3D printing for: (a) Plain; (b) Plain-CS; (c) CN0.5; (d) CN1.0; (e) CP0.5; and (f) CP1.0.

Fig. 8 Number of cracks observed in 3D printed specimens