2.1 3D 콘크리트 프린팅의 주요 특성

3DCP과 관련된 주요 인자는 압출성, 적층성(buildability), 오픈타임(opentime) 등이 있다^{(Le et al., 2012(b))}. 압출성은 굳지 않은 콘크리트가 프린트 노즐을 통해 막힘 없이 출력되어 연속적으로 필라멘트를 형성하는 성능이다. 일반적으로는 콘크리트를 막힘없이 출력하기 위해서는 콘크리트의 유동성(flowability)이 높아야 한다. 다만, ^{Lee et al.(2020)}은 콘크리트의 유동성이 높으면 점도가 낮을 수 있으며, 점도가 매우 낮은 콘크리트로 출력한 필라멘트는 형태를 유지하기 어렵다고 보고하였다. 따라서, 3D 프린팅용 콘크리트는 작업성을 확보할 수 있는 적정한 유동성과 출력물의 균일한 품질을 확보할 수 있도록 다소 높은 점성이 요구된다.

^{Rahul et al.(2019)}은 3D 프린팅용 배합을 설계하고, 유동화제의 함량을 변수로 하여 압출성 실험을 수행하였다. 필라멘트의 치수와 표면결함의 분석을 통하여 압출성을 평가하였다. 필라멘트의 단면 치수를 측정하여 단면의 치수가 노즐의 치수와 0.5 mm 오차 이내로 유사하고, 동시에 필라멘트의 표면에 공극 및 불연속성 같은 결함이 없는 경우를 압출성능이 확보된 것으로 판단하였다. 실험 결과, 유동화제 혼입율이 0.09 % 미만인 실험에서는 유동성이 부족하여 압출이 불가하였다. 유동화제 0.09 %인 배합은 필라멘트의 폭 및 두께가 프린트 노즐의 단면치수와 다소 차이가 있었으며, 출력된 필라멘트의 치수도 일관적이지 못하였다. 이와는 달리 유동화제의 혼입률을 0.10 %로 설정한 변수에서는 필라멘트의 폭 및 두께가 프린트 노즐의 단면치수와 유사하였으며, 출력된 필라멘트의 치수도 일정하게 형성되어 압출성능을 만족한 것으로 평가하였다.

적층성은 출력된 필라멘트의 과도한 변형이나 붕괴 없이 굳지 않은 콘크리트를 적층하는 성능으로 정의한다. 선행연구^{(Jeong et al., 2019)}에서는 상부에 적층된 필라멘트들과 하부층의 자중에 의하여 압축응력이 굳지 않은 콘크리트의 항복응력을 초과하는 경우 붕괴로 이어질 수 있다고 보고하였다. 따라서, 3D 프린팅용 콘크리트는 필라멘트 자중과 상부에 적층된 필라멘트들의 무게로 인한 변형에 저항할 수 있는 충분한 항복응력을 가져야 한다. 또한, 오픈타임은 배합 이후 굳지 않은 콘크리트가 출력 가능한 상태로 유지되는 시간이며, 3D 프린팅 시 콘크리트가 펌프나 호스 내부에서 굳는 사고를 방지하기 위해서도 사전실험을 통해 오픈타임을 파악하는 것이 필요하다 ^{(Ye et al., 2021)}.

2.2 굵은 골재가 포함된 콘크리트의 3D 프린팅

본 연구에서는 굵은 골재가 포함된 3D 프린팅 용 콘크리트의 배합설계를 위하여 문헌연구를 수행하였다. ^{Rahul and Santhanam(2020)} 은 굵은 골재의 함량이 3DCP 주요 특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 굵은 골재와 잔골재의 총 함량 대비 굵은 골재 비율을 변수로 실험을 수행하였다. 출력실험 결과, 총 골재량 대비 굵은 골재 비율이 0 % ~ 30 %인 배합은 압출성을 확보하였으며, 굵은 골재 비율이 45 %인 배합은 압출성 확보에 실패하였다. 이는 굵은 골재의 양이 많아질수록 탈수로 인하여 재료가 분리되며 콘크리트의 유동성이 부족해지기 때문이다.

^{Vespalec et al.(2020)}은 배합 직후부터 10∼65분 동안 5분 간격으로 필라멘트를 출력하여 프린팅 품질을 관찰하였다. 초기 10분 동안은 콘크리트의 유동성이 과도하여 필라멘트 형상을 안정적으로 유지할 수 없었으며, 40분 이후에 출력된 필라멘트에서는 불연속적인 형상 및 균열이 관찰되었다. 따라서, ^{Vespalec et al.}은 콘크리트 배합의 적절한 오픈타임을 20~40분으로 제시하였다.

이외에도 총 10개의 문헌^{(Chen et al., 2021; Ji et al., 2019; Ji, et al., 2022; Liu et al., 2022; Mechtcherine et al., 2019; Rahul and Santhanam 2020; Vespalec et al., 2020; Wang et al., 2022; Xiao et al., 2022; Zhang et al., 2022)}을 통해 27개의 굵은 골재가 포함된 3D프린팅용 콘크리트 배합비를 수집하였으며, 이를 Fig. 1에 나타내었다. 그래프에서 x축은 배합시 사용된 굵은 골재의 최대 치수를 나타내었고, Fig. 1(a)의 y축은 시멘트 대비 골재의 양, Fig. 1(b)의 y축은 시멘트 대비 굵은 골재의 양을 의미한다. 또한, ● 표식은 압출성을 확보한 배합, ▲ 표식은 압출성이 미흡한 배합을 의미하고, 이 연구에서 설정한 배합은 × 표식으로 나타내었다.

일반적으로 최대 치수 10 mm인 골재를 사용하는 경우가 많았으며, 15 mm와 20 mm인 골재를 사용한 실험에서는 우수한 압출성이 확보되지 않은 것으로 미루어 보아 골재의 최대치수가 클수록 압출성을 확보하기 어렵다는 것을 알 수 있다. Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이, 기존 연구에서 시멘트 대비 골재의 함량은 약 100 % ∼ 400 % 범위 내에 분포하였다. 또한, Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이, 대부분의 배합에서 시멘트 대비 굵은 골재의 비율은 1.3 이하인 것으로 나타났다. 일반적인 콘크리트의 배합에서 굵은 골재의 함량이 시멘트 대비 2.82 배 ∼ 4.09 배 수준인 것을 고려하면(IS:10262-2009), 3DCP 배합의 굵은 골재 함량은 상대적으로 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, ^{Rahul and Santhanam(2020)}이 수행한 실험에서는 동일한 총 골재량에서 굵은골재의 비율이 증가할수록 탈수성(desorptivity)이 증가하고, 충전밀도(packing density)가 감소하는 경향을 보였다. 결과적으로 골재의 비율이 가장 높은 배합이 압출성 실험을 통과하지 못하였다. 본 연구에서는 앞서 조사한 굵은 골재가 포함된 3D 프린팅용 콘크리트 문헌을 통하여 압출이 가능한 굵은 골재 함량의 범위를 참조하였다. 특히, ^{Rahul and Santhanam(2020)}의 배합 출력물의 품질이 가장 우수한 것으로 판단되어 본 연구에서는 이들의 연구 결과를 기반으로 실험을 계획하였다.

Fig. 1 Collected mix proportions containing coarse aggregate

3.1 실험계획

Table 1에는 3D 프린팅을 위한 콘크리트 배합비를 정리하여 나타내었다. 배합재료는 시멘트(Cement), 플라이애시(Fly ash), 굵은 골재(Coarse aggregate), 잔골재(Fine aggregate), 물(Water), 유동화제(Super-plasticizer, SP), 증점제(Viscosity modifying agent, VMA)를 사용하였다. 결합재로써 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 빠른 초기 수화반응이 특징인 순환유동층 플라이애시(Circulating Fluidized Bed Combustion Fly ash)를 사용하였다. 굵은 골재는 최대 치수가 13 mm인 것을 사용하였으며, 물-시멘트비(Water-cement ratio, W/C)는 0.4로 설정하였다. 혼화제로써 굳지 않은 콘크리트의 유동성을 지속시키기 위하여 고형분 30 %가 포함된 폴리카본산계 유동화제를 활용하였다. 또한, 점도가 높은 배합이 압출성을 확보하기에 용이하기 때문에^{(Lee et al., 2020)} 증점제를 통해 점도를 증진시켰다.

^{Neville(1997)}에 의하면 유동화제는 W/C에 따라 함량이 달라질 수 있으며, 사용하는 시멘트와의 호환성을 고려해야 하는 등의 여러 변수가 존재한다. 따라서, 제조사에서 권장하는 함량을 그대로 적용하기 보다는 배합실험을 통해 사용하는 시멘트와 환경에 적합한 유동화제의 함량을 찾는 것이 매우 중요하다. 또한, 증점제 역시 압출성에 큰 영향을 미치기 때문에 적용하는 배합에 적합한 증점제의 보다 정확한 함량을 파악할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 적정한 유동화제 및 증점제 함량을 결정하기 위한 배합실험을 수행하였다.

Table 1에 나타낸 바와 같이 유동화제와 VMA 함량을 실험변수로 설정하였다. 유동화제는 제조사에서 권장하는 결합재 대비 유동화제 비율인 0.6 %부터 추가적으로 1.0 %, 2.0 %, 3.0 %, 4.0 %로 설정하였다. VMA는 제조사 권장하는 물 대비 VMA 비율인 1.5 %와 그 두 배인 3.0 %로 설정하였다. 실험은 KS F 2402에 따라 슬럼프와 슬럼프플로우를 측정하여 압출이 가능한 유동성이 확보되는지 확인하고, 배합시 물 투입 후 약 90분 동안 시간 경과에 따른 슬럼프를 측정하여 오픈타임도 파악하고자 하였다. 시간에 따른 슬럼프가 초기슬럼프에서 KS F 4009의 슬럼프 허용오차인 ±25 mm 내로 유지되는 시간을 오픈타임으로 설정하였다. 본 연구에는 출력물을 제작하는 시간을 고려하여 오픈타임은 최소 50분을 확보하는 것을 목표로 하였다.

3.2 실험결과

유동화제 함량이 0.6 % ∼ 2.0 %인 배합은 배합이 원활하게 이루어지지 않아 슬럼프 및 슬럼프플로우를 측정할 수 없었으며, 나머지 변수에 대한 배합실험 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 이때 측정시간은 배합수를 투입한 시점부터 경과한 시간이다. S3-V1.5 실험체와 S4-V1.5인 실험체의 평균 슬럼프는 각각 216.3 mm, 237.5 mm로써 두 배합 모두 압출이 가능할 것으로 판단되었다. 또한, 두 경우 모두 배합수 투입 후 약 60분이상 일정한 유동성을 보였으며, 이에 따라 목표한 오픈타임을 확보한 것으로 판단하였다. 유동화제 함량 3.0 %와 4.0 %의 배합실험 결과가 유사하였으므로 경제성을 고려해 출력실험 시 유동화제의 함량 3.0 %를 적용하였다. 증점제 3.0 %인 S3-V3 실험체의 평균 슬럼프와 슬럼프플로우는 181.7 mm, 298.3 mm로써 증점제 1.5 %인 실험체보다 다소 낮게 나타났으며, 일정한 유동성이 확보되는 시간은 약 50분으로 확인되었다.

Fig. 2 Measured slump and slump flow

4.1 실험계획

Table 1에 나타낸 바와 같이 증점제 함량이 각각 1.5 %와 3.0 %인 S3-V1.5 및 S3-V3 배합의 압출성을 검증하기 위해서 3D 프린팅 실험을 수행하였다. 실험은 굳지 않은 콘크리트를 길이 1,000 mm까지 연속적으로 출력하는 것으로 계획하였다. 이때 사용된 출력장비는 NETZSCH 사의 Progressive Cavity Pump NM 063모델이다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 시멘트와 혼합하여 원활하게 출력이 가능한 최대 골재 사이즈는 최대 12.5 mm이고, 펌프 내부를 통과할 수 있는 고체의 최대 크기는 50 mm이다. 또한, 3DCP에 사용되는 펌프는 일반적인 펌프와 다르게 최소 토출량 및 토출량 제어가 중요하기 때문에 출력 가능한 최소 유량을 20 L/h로 제작하였으며, 토출량의 미세 제어가 가능하도록 인버터를 부착하였다.

3D 프린팅 시 기본적으로 노즐에서의 막힘이나 필라멘트의 끊어짐이 없어야 하며, 본 연구에서는 필라멘트의 치수 적합성, 표면 품질, 골재 분포도를 압출성 검증에 대한 지표로 설정하고 관측하였다. 또한, 치수적합성, 표면품질, 골재분포도는 해당 변수로 출력된 하나의 필라멘트에서 모두 평가하였으며, 출력 후 28일이 경과된 시점에서 그라인더를 사용하여 필라멘트를 절단해서 시편을 추출하였다.

^{Rahul et al.(2019)}에 의하면 출력물은 필라멘트의 단면적($A_{fillament}$)과 노즐의 단면적($A_{nozzle}$)이 동일할 때 형상안정성을 갖는다. 따라서, 본 연구에서는 $A_{fillament}$와 $A_{nozzle}$이 동일할 때 치수 적합성이 가장 우수한 것으로 간주하였다. 또한, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 필라멘트의 폭($w_{filament}$)이 노즐의 직경($d_{nozzle}$)과 유사할수록 안정적으로 적층할 수 있는 것으로 판단하였다. 이 실험에서는 $d_{nozzle}$이 50 mm인 원형 노즐을 사용하였으므로 이상적인 $w_{filament}$는 50 mm이며, 필라멘트의 단면을 직사각형으로 가정하면 $h_{filament}$가 약 40 mm ($h_{fillament}=A_{nozzle}/w_{fillament}\approx 40{mm}$)로 형성되었을 때 압출성이 우수한 것으로 판단할 수 있다. 따라서 $h_{nozzle}$은 40 mm로 설정하였다.

두 번째 평가지표인 필라멘트 표면의 품질을 관찰하기 위하여 3D 스캐너(Artec Eva)를 사용하여 출력물의 표면을 스캔한 후, ISO 4287/1에 제시된 최대 높이 거칠기 측정방법을 적용하였다. 이 방법은 3D 스캔을 통해 측정한 모델에서 단면을 추출하여 설정한 기준길이로 구간을 나누고, 각 구간 내에서 가장 높은 봉우리($R_{{peak}}$)와 가장 낮은 골짜기 사이($R_{valley}$)의 수직거리($R_{\max}$)를 측정하는 것이다. 즉,

으로 나타낼 수 있다. 식 (1)에 따르면, $R_{\max}$가 클수록 표면이 거칠어 표면 품질이 낮다는 것을 의미하고, $R_{\max}$가 작을수록 표면 품질이 우수한 것으로 간주할 수 있다.

세 번째 평가지표인 골재 분포도를 확인하기 위하여 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 이미지후처리 프로그램(Image J)을 활용하여 필라멘트 단면 내 골재 분포를 관찰하였다. 먼저, 필라멘트 단면을 지정하고, 골재를 명확하게 구분하기 위해 사진의 색감을 조정하였다. 이후 골재를 마스킹(masking)하고, 마스킹된 면적을 계산하여 필라멘트 전체면적 대비 골재 면적의 비율을 도출하였다.

Fig. 3 Particle size of transportable in pump

Fig. 4 Filament section

Fig. 5 Evaluation of aggregate distribution

4.2 실험결과

Fig. 6에는 3D 프린팅된 실험체 사진을 나타내었으며, 증점제 함량이 1.5 % 및 3.0 %인 배합에서 모두 노즐에서의 막힘없이 연속적으로 압출되었다. Table 2에는 필라멘트의 치수 측정 결과를 나타내었으며, 이를 기반으로 압출성 평가지표 중 첫 번째인 치수 적합성에 대해서 평가하였다. 증점제 함량이 1.5 %인 경우에 비해 증점제 함량이 3.0 %인 배합의 필라멘트의 단면적이 노즐의 단면적(=1962.5 mm2)에 근접하게 형성되었다. 증점제 함량이 3.0 %인 배합의 $w_{filament}$도 $d_{nozzle}$(=50 mm)에 더 근접하게 나타났으며, $w_{filament}$의 표준편차도 매우 낮게 나타났다. 또한, $h_{filament}$와 $h_{nozzle}$을 비교하였을 때에도 증점제 함량이 3.0 %인 배합으로 출력한 필라멘트의 $h_{filament}$가 $d_{nozzle}$인 40 mm에 더 가깝게 형성된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 치수 적합성은 증점제 3.0 %가 혼입된 배합이 더 우수하다고 평가할 수 있다.

ISO 4287/1에서 제시하는 최대 높이 거칠기 측정방법을 활용하여 각 실험체 단면의 표면 품질을 평가한 결과를 Fig. 7 및 Table 3에 나타내었다. 증점제 함량 1.5 %인 실험체의 $R_{\max}$ 평균은 2.30이며, 증점제 함량 3.0 %인 실험체의 $R_{\max}$ 평균은 1.05로 나타났다. 이는 증점제 3.0 %가 혼입된 배합이 증점제 1.5 %가 혼입된 배합에 비해 표면 품질이 더 뛰어남을 의미한다.

Table 4에는 이미지후처리 프로그램을 기반으로 필라멘트 단면의 골재 분포도를 측정한 결과를 나타내었다. 출력된 필라멘트에서 임의로 4지점을 절단하여 단면을 추출하였으며, 각 단면의 면적과 골재의 면적을 산출하여 비율로 나타내었다. 골재 분포도의 경우, 증점제의 혼입량에 관계 없이 유사한 수준으로 나타났다. 또한, 두 배합의 골재 분포도의 표준편차는 0.05 이하로써 3D 프린팅을 하더라도 필라멘트 길이에 걸쳐 골재가 균일하게 분포된 것으로 확인되었다.

Fig. 6 3D-printed specimen according to content of viscosity modifying agent

Fig. 7 Evaluation of filament surface quality