2.1 사용재료 및 배합설계

3DP 콘크리트에 사용된 결합재는 4종으로 1종 보통포트랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)와 1종 조강형 시멘트(early strength improvement type cement, ESIC), 실리카 흄(silica fume, SF), 고로 슬래그(slag powder, SP)로 구성하였다. OPC의 비중과 비표면적은 3.14 g/cm³과 3,750 cm²/g이며초결 5시간 49분, 종결 8시간 37분으로 측정됐다. ESIC의 비중과 비표면적은 3.15 g/cm³과 4,955 cm²/g이며, 초결 4시간 46분, 종결 7시간 37분으로 측정됐다. SF의 비중과 비표면적은 2.21 g/cm³과 19.3 m²/g이며, SP의 비중과 비표면적은 2.87 g/cm³과 4,261 cm²/g이다. 잔골재는 국내산 규사 3, 5, 7호사를 중량비 3:5:2로 혼합하여 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 8 mm의 쇄석을 사용하였다.

배합결정 전 재료의 압출과 적층이 가능한 유동성 범위를 검토하기 위해 사전에 유동성 범위 설정을 위한 기초실험을 실시 후, 목표 플로우를 110 ± 10 mm로 설정하여 배합을 결정하였다. 이러한 유동성 확보를 위하여 3D 프린팅 콘크리트에 폴리카르복실계 고성능감수제(high water reduction agent, HWRA)를 사용하였으며, 레이어의 형상유지성능 향상을 위하여 셀룰로오스계 증점제(viscosity agent, VA)를 사용했다. HRWA는 결합재 중량 대비 1%를 혼입하였으며, VA는 단위수량 대비 1.5%를 혼입하였다. 3DP용 콘크리트의 배합설계는 Table 1에 나타내었으며, 물-결합재비(water-binder ratio, W/B)와 설계 압축강도는 각각 30%와 30 MPa로 설정하였다.

2.2 3D 프린팅 장비

콘크리트용 3DP 장비는 Fig. 1과 같이 갠트리형으로 자체개발하여 사용하였다. 3DP 콘크리트의 수중 출력 환경을 구현하기 위하여 너비 2.4 m, 길이 2.4 m, 높이 0.9 m의 수조를 제작하였으며, 수조에 물을 채운 후에 압출기를 수조 안에 넣어 출력 실험을 진행하였다. 프린팅 장비의 출력가능 범위는 폭 3 m, 길이방향 6 m, 높이 2 m이며, 노즐 이동 최대 속도는 2 m/min이다. 압출기는 20 L의 호퍼와 스크류형 날로 구성되었다. 압출기 실린더 내의 날 사이의 굵은 골재 끼임현상 발생과 이로 인한 재료의 흐름 방해문제를 해결하기 위하여 압출기 내부의 날의 간격은 120 mm로 제작하였다. 노즐크기는 100×50 mm이며, 콘크리트가 토출되는 전면부 이외에는 ㄷ자 형태로 막혀있는 형태이다. 3DP 콘크리트의 이송과 출력을 위하여 피스톤 펌프(Piston pump)를 사용하였으며, 재료 이송관은 직경 127 mm에서 직경 76.2 mm로 줄이는 강관 리듀서와 직경 76.2 mm의 고압 고무호스를 체결하여 사용하였다. 3DP 콘크리트는 1분 당 80 L의 배합이 가능한 연속믹서를 사용하였다. 콘크리트 배합은 사전에 프리믹싱을 통해 재료를 균질하게 교반하였으며, 연속믹서를 통해 교반된 재료는 유동성을 확인 후 사용했다. 1종 조강형 시멘트는 배합직후 급결이 발생하지 않아 일반적인 출력 프로세스를 적용했다.

Fig. 1 3D printing equipments

2.3 출력물 설계

3DP 콘크리트의 적층성능과 압축강도 성능평가를 위하여 Fig. 2와 같이 곡선부와 직선부로 구성된 크기 1.9 m×1.7 m의 부재를 설계하였다. 3DP 콘크리트는 곡률반경에 따라 출력품질과 적층성능이 영향을 받기 때문에 4종의 곡선부를 설계하였다. 출력부재의 단일 레이어 높이는 50 mm이며, 총 10개 레이어로 0.5 m를 적층하는 것으로 설계하였다. 출력환경에 대한 영향을 분석하기 위하여 동일한 형상의 부재를 수중과 기중에서 출력한 후에 출력된 레이어의 폭과 총 적층높이를 측정하여 적층성능을 평가하였다. 기존 연구에서는 1회 출력 레이어의 높이가 30 mm지만 이 연구는 레이어의 높이를 50 mm로 설정하여 1회 출력 레이어의 단면적이 기존 연구 대비 약 67% 증가하였다^{(Seo et al., 2023}a). 이는 1개 레이어의 단위길이 당 중량의 증가로 인해 상대적으로 높은 적층저항성능을 가져야 되는 것을 의미한다. 이 연구에서는 실험을 통해 치수안정성이 확보된 재료의 적층저항성을 동일한 재료를 이용하여 굳지 않은 재료의 압축강도를 측정하여 분석하였다.

Fig. 2 Process of making specimens

2.4 원주형 적층시험체 제작 방법

원주형 적층시험체 제작은 Fig. 2와 같이 상하면이 모두 개방되어 있고 외력에 의한 변형이 거의 없도록 특수 제작된 플라스틱 재질의 샘플링관을 사용하였다^{(KCI-CT115, 2021)}. 삽관 시 샘플링관의 테두리에만 수직으로 하중을 가할 수 있도록 원형의 가압판을 제작하였다. 삽관 이후 샘플링관 내부와 외부의 레이어 높이를 확인하여 차이가 없음을 확인했다. 다만, 레이어 측면의 변형은 삽관으로 인해 밀려나면서 발생했다. 기존 연구결과, 출력이후 60분이 지나면서 3DP 재료가 점차적으로 소성점도가 감소하여 샘플링관 삽관 시 점성으로 인한 변형이 발생하지 않았다^{(Seo et al., 2023}a; ^{Seo et al., 2023}b). 3DP 적층시험체의 제작방법별 부착강도 차이의 기존 연구 분석 결과, 출력물의 경화이후 코어드릴을 이용하여 측정 시 레이어의 계면 손상 등의 원인으로 인해 시험체의 강도가 약화되는 경향을 나타나 경화 전 샘플링관 삽관을 통해 제작하는 것이 효과적인 것으로 확인되었다^{(Lee et al., 2019)}.

Fig. 3 Specimen identification

적층시험체는 샘플링관 외부의 콘크리트를 제거하여 기중 시험체는 온도 20±2 ℃, 상대습도 60 RH%의 항온항습실에서 양생하였으며, 수중 시험체는 동일한 온도조건의 수조에서 수중양생하였다. 적층시험체와 성능평가를 위하여 기중환경에서 압출된 콘크리트를 몰드(∅100×200 mm)에 타설하여 시험체를 제작하였다. KCI-CT115에서는 수중환경에서 몰드시험체 제작방법을 제시하고 있으나, 이 연구에서는 적층물에 초점을 맞춰 연구를 수행하여 몰드 시험체는 기중에서만 제작하여 적층시험체와 성능을 비교하기 위한 용도로 사용했다. 각 시험체는 수중(underwater, UW)과 기중(Air, A)환경에서 일반타설로 몰드에 제작한 시험체(mold casting concrete, M)와 3D 프린팅으로 적층된 시험체(3DP concrete, P)로 구분하여 Fig. 3과 같이 시험체를 명명하였다.

2.5 굳지 않은 콘크리트의 유동성 및 적층성능 측정방법

3DP 콘크리트는 일반적인 콘크리트와 다르게 굳지 않은 상태에서 형상을 유지하면서 적층성능을 확보해야하는 특징이 있다. 3DP 콘크리트의 형상유지 특성은 유동성능에 영향을 받기 때문에 배합직후와 3DP 압출기에서 압출된 콘크리트의 플로우를 측정하였다^{(KS L 5111, 2022)}, 굳지 않은 콘크리트의 적층성능의 평가는 Green strength test를 통하여 측정이 가능하다^{(Chang et al., 2023; Wang et al., 2023; Zou et al., 2023)}. 굳지 않은 콘크리트의 적층성능의 측정 방법은 ^{ASTM C39(2019)}와 유사하지만, 낮은 하중가력속도에서 굳지 않은 콘크리트의 압축강도를 측정하는 방식을 사용하고 있다.

굳지 않은 콘크리트의 적층성능 평가에 대한 국·내외의 규정된 기준은 없기 때문에 기존 연구분석과 예비실험을 통하여 실험방법을 결정하였으며, Fig. 4와 같이 실험을 수행하였다^{(Chang et al., 2023; Wang et al., 2023; Zou et al., 2023)}. 적층성능 평가용 시험체는 Φ50×100 mm의 몰드를 이용하여, 배합 후 30분 단위로 최대 3시간까지 각 시험체를 탈형하여 0.2 kN/sec의 속도로 강도를 측정하였다.

이 연구의 3DP 콘크리트는 배합수 투입시점부터 출력조건을 확인하고 재료 출력 시까지 약 30분정도가 소요되었으며, 설계된 부재 1개 레이어 당 출력시간은 약 5분으로 10개 레이어를 출력할 때 50분에서 1시간정도가 소요되었다. 이에 따라 이 연구에서는 출력 종료 후 1시간 뒤(배합시점으로부터 약 2시간 30분 후) 적층된 재료의 높이에 변화가 없음을 확인하고 처짐량을 측정하였다. 기중과 수중에서 동일한 부재의 10개 레이어 적층높이를 측정하여 처짐량과 설계 높이를 비교분석하였다.

Fig. 4 Green compressive strength testing of fresh concrete

2.6 겉보기 밀도 및 강도 측정

타설방식과 출력환경에 따른 성능평가를 위하여 겉보기 밀도와 압축강도 및 쪼갬인장강도를 측정하였다. 겉보기 밀도($\rho$)는 재령 28일 시험체의 압축 및 쪼갬인장강도 측정 전에 측정하였다. 모든 시험체는 상하부의 연마 및 건조 후에 직경과 높이 및 중량을 측정하였다. 겉보기 밀도는 6개 시험체에서 측정한 평균값으로 나타냈다. 콘크리트의 겉보기 밀도는 ^{KS F 2405(2022)}에 근거하여 식 (1)과 같이 산정하였다.

여기서, $m$과 $h$및 $d$는 각각 콘크리트 시험체의 질량(kg), 높이(m), 직경(m)이다. 압축강도는 재령 1, 7, 28일에 측정하였으며, 쪼갬인장강도는 적층시험체 제작에 한계가 있어서 재령 28일에만 측정하였다.

3.1 유동성 및 굳지 않은 콘크리트의 압축강도

3DP 콘크리트의 배합직후의 플로우는 115 mm이며, 압출기에서 출력된 후의 flow는 109 mm로 측정됐다. 압송 전 대비 압송 후의 유동성이 약 5%가 저감되었으며, 이는 펌핑장비와 이송관 등을 거치는 과정에서 콘크리트의 수분이 손실되어 유동성이 낮아 진 것으로 판단된다^{(Lee et al., 2012)}.

굳지 않은 콘크리트의 응력-변형률 관계와 시간에 따른 최대 압축강도를 Fig. 5에 나타내었다. 3DP 콘크리트는 배합 후 30분부터 몰드를 탈형해도 시험체가 형상유지가 가능하여 굳지 않은 상태에서의 압축강도 측정이 가능하였다. 이는 3DP 콘크리트가 유동성능이 낮고 증점제의 사용을 통하여 높은 형상유지성능을 확보하였기 때문으로 판단된다^{(Zhu et al., 2019; Liu et al., 2022)}. 배합 후 3시간까지 콘크리트의 최대 응력에서의 변형률은 8.3~9.6%의 범위를 나타내었다. 굳은 콘크리트의 압축파괴 변형률이 약 0.3%인 것과 비교하여 25배 이상 높은 변형률을 나타내었다. 이는 응력-변형률 관계에서 시간이 증가함에 따라 초기 기울기는 점차 증가하였으며, 굳은 콘크리트의 응력-변형률 관계와 동일한 경향을 나타냈다. 굳지 않은 3DP 콘크리트의 배합 30분 후에 측정된 초기 압축강도는 5.0 kPa이었다. 1시간과 1.5시간 후의 압축강도는 각각 5.7 kPa과 7.0 kPa로 초기 압축강도와 비교하여 13%와 40%가 증가하였다. 배합 후 2시간과 2.5시간의 압축강도는 7.0 kPa과 7.1 kPa로 1.5시간의 압축강도와 거의 동일하게 측정되어 압축강도 증진은 미미하였다. 배합 후 3시간의 압축강도는 7.9 kPa로 초기 강도 대비 1.6배 높았으며, 2.5시간의 강도와 비교하여 10% 향상되었다.

Fig. 5 Green compressive strength of fresh concrete

굳지 않은 콘크리트의 탄성계수를 산정하는데 있어 국내·외의 규정이 없기 때문에 굳은 콘크리트의 탄성계수 산정방법을 기반하여 산정한 결과를 Fig. 5(b)에 나타내었다. 콘크리트 배합 30분 후의 탄성계수는 67.5 kPa로 측정되었으며, 1~1.5 시간 후의 탄성계수는 약 80 kPa로 30분에서의 탄성계수와 비교하여 1.2배 향상되었다. 2~2.5 시간 후의 탄성계수는 각각 87.9 kPa과 84.24 kPa이며, 3시간 후의 탄성계수는 95.3 kPa로 배합 후 30분의 탄성계수 대비 1.4배 높았다. 굳지 않은 콘크리트의 압축강도와 탄성계수 평가는 시멘트 페이스트와 골재의 경화 이전에 측정되기 때문에 굳은 콘크리트와 비교하여 시험체 내의 골재 비율과 공극 등의 시험체 제작 품질에 의해 더 큰 영향을 받을 수 있다^{(Wolfs et al., 2018)}. 따라서 재령 12시간이내의 굳지 않은 콘크리트의 조기 압축강도와 탄성계수 평가 시에는 다수의 시험체의 측정을 통한 평균값을 사용해야할 것으로 판단된다.

3.2 수중과 기중환경에서의 콘크리트 적층성능

수중과 기중 환경에서 3DP 콘크리트의 적층성능은 콘크리트 출력형상의 육안검토와 총 적층높이의 측정을 통하여 평가하였다(Table 2). 수중적층 콘크리트의 각 레이어별 높이 측정은 현실적으로 어렵기 때문에 레이어 직선부의 4지점에서 총 높이를 측정하였다. 적층 콘크리트의 단일 레이어의 설계높이는 50 mm로 설계하였으며, 총 10 개의 레이어를 출력하여 설계된 총 적층 높이는 500 mm이다. 3DP 콘크리트는 적층성이 좋은 재료라도 하단의 레이어가 경화되기 전 상부 레이어가 연속적으로 적층되면 재료의 자중과 압출기에서의 재료 토출압력으로 인해서 처짐이 발생한다. 따라서 일반적으로 레이어의 처짐이 발생하지 않는 적층성을 확보하기 위해 몇 가지 방법을 사용하는데, 대표적인 예로 출력물의 적층경로에 따라 노즐의 이동속도(적층속도)를 조절하는 방식을 사용한다. 노즐의 이동속도가 압출속도에 비해 빠르면 레이어의 끊김현상이 발생하며, 이동속도가 느리면 재료의 과도한 압출로 인해서 레이어 출력 품질이 저하된다.

따라서 본 연구에서는 사전실험을 통해 노즐의 이동속도를 1500 mm/min으로 설정하여 재료의 레이어의 출력조건을 확인하고 수중과 기중에 모두 적용하여 처짐성을 비교하였다. 기중환경에서 출력직후의 총 적층 높이는 500 mm이며, 1시간 후의 총 적층 높이는 499 mm로 측정되어 1 시간동안 1 mm의 처짐이 발생하였다. 수중환경에서 출력직후와 1시간의 총 적층높이는 500 mm와 499.8 mm로 측정되었다. 또한 출력 1시간 후의 처짐량도 기중환경에서는 1 mm이었으며, 수중환경에서는 0.2 mm로 기중환경 대비 처짐량이 20% 저감되었다. 이는 수중에서의 부력으로 인하여 기중환경 대비 콘크리트의 자중이 감소하여 처짐이 저감된 것으로 판단된다^{(Seo et al., 2023}a). 출력된 콘크리트는 기중과 수중환경과 관계없이 각 레이어의 과도한 변형없이 일정하게 유지하여 10개 레이어가 적층되었다. 특히, 수중환경에서 적층된 콘크리트는 압출 시에 물에 의한 콘크리트 분리현상이 발생하지 않고 형상을 유지하고 기중환경보다 처짐량이 적어 형상유지 및 적층성능을 확보함을 확인할 수 있었다.

Table 2 Height and shape analysis of printed layers

Printing conditions		Air				Underwater
Design height (mm)		500
Height of total layers (mm)	0 h	500	500	500	500	500	500	500	500
		500				500
	1 h	499	499	499	499	500	499	500	500
		499				499.8
Printed concrete shape

3.3 수중과 기중환경의 겉보기 밀도

겉보기 밀도는 재령 28에 압축 및 쪼갬인장강도 측정용 시험체를 강도 측정이전에 무게와 부피를 측정 후 산정한 평균값으로 Fig. 6에 나타냈다. 기중환경에서 일반타설로 제작된 몰드 시험체 A-M의 겉보기 밀도는 2,250.8 kg/m³이며, 기중환경에서 3D 프린팅으로 제작된 시험체 A-P는 2,247.1 kg/m³으로 측정되었다. 기중환경에서 출력한 시험체의 밀도가 몰드 시험체보다 3.7 kg/m³이 작게 측정되었지만 유사한 밀도를 나타내었다. 반면, 수중환경에서 출력된 UW-P 시험체의 겉보기 밀도는 2,229.0 kg/m³으로 측정되어 A-M과 A-P 시험체 대비 각각 21.8 kg/m³과 18.2 kg/m³이 낮았다.

Fig. 6 Apparent density at 28 day

A-M과 A-P 시험체의 6개 시험체간 밀도측정결과의 표준편차는 10.29 kg/m³과 4.40 kg/m³으로 측정되었다. A-P 시험체의 밀도 표준편차는 A-M 시험체와 비교하여 67%가 낮게 나타났다. 이는 몰드 제작 시험체는 작업자에 따라 시험체의 품질이 변동될 가능성이 있고, 적층시험체는 상대적으로 일정한 품질로 출력되기 때문이다.

UW-P의 시험체간 표준편차는 11.68 kg/m³으로 기중환경에서 제작된 시험체와 비교하여 편차가 크게 나타났다. 하지만 수중과 기중환경의 모든 시험체의 표준편차는 12 kg/m³이내로 나타나 겉보기 밀도 측정결과의 신뢰도가 높은 것으로 나타났다. 결과적으로 몰드 제작 시험체보다 적층시험체의 밀도가 더 낮게 나타났는데 이는 콘크리트 시험체의 다짐 기능이 없기 때문에 출력과정 중에 콘크리트 내부로 많은 공기가 함께 혼합되었기 때문이라고 사료된다. UW-P 시험체가 A-P 시험체보다 밀도가 낮았으며, 이는 시험체 제작 시 수압에 의해 콘크리트 내부로 물이 침투된 것으로 판단된다. 수중에서는 압출기 노즐 내부로 침투되는 물의 영향으로 인해 시멘트 페이스트와 골재 사이의 빈 공간을 수압으로 더 크게 만들어 그 공간을 수조내부의 물이 채우는 효과로 인해 밀도가 더 낮아진 것으로 판단된다.

3.4 수중과 기중환경의 압축강도

재령 1, 7, 28일의 압축강도를 측정하여 Fig. 7에 나타내었다. 기중환경에서 제작된 A-M과 A-P 시험체의 재령 1일 압축강도는 각각 19.6 MPa와 18.9 MPa로 거의 동일한 압축강도를 나타내었다. A-M 시험체의 7일 압축강도는 53.1 MPa이며, A-P 시험체의 재령 7일 압축강도는 53.3 MPa로 동일한 성능을 나타냈다. A-M 시험체의 재령 28일 압축강도는 69.6 MPa이며, A-P 시험체의 28일 압축강도는 62.42 MPa로 나타났다. 기중환경에서 출력된 콘크리트가 몰드 제작 시험체와 비교하여 재령 28일 압축강도가 다소 낮게 측정되었으나, 60 MPa 이상의 높은 압축강도를 확보함을 확인하였다. 수중에서 출력된 UW-P 시험체의 재령 1일 압축강도는 16.2 MPa로 기중 제작 시험체와 비교하여 평균 15%가 낮았다. UW-P 시험체의 재령 7일 압축강도는 기중 시험체 대비 1.04배 높게 측정되어 동등이상의 성능을 보였다.

Fig. 7 Compressive strength of specimens

재령 28일 압축강도의 경우, UW-P 시험체는 64.8 MPa로 A-M 시험체보다 7% 낮았으며, A-P 시험체보다는 4% 높게 측정되었다. 재령 28일 대비 7일의 압축강도 발현율은 A-M 시험체가 76.3%이며, A-P와 UW-P 시험체는 85.4%와 85.6%이었다. 결과적으로 적층시험체의 재령 7일 압축강도 발현율이 몰드 제작 시험체보다 높게 나타났으며, 적층시험체의 제작환경에 따른 강도 발현율의 영향은 미미하였다. Table 3에는 콘크리트 타설방식과 환경에 따른 압축강도 비율을 나타냈다. 재령 1, 7, 28일에서 A-P/A-M의 압축강도 비는 0.9~1.0의 범위로 나타나 적층시험체가 몰드 시험체와 비교하여 동등한 성능을 나타내었다. 제작환경에 따른 압축강도 비를 비교하기 위하여 UW-P/A-P를 비교하였으며, 재령 1일에는 0.86으로 기중환경의 압축강도비가 더 높았다. 하지만 재령 7일을 기점으로 UW-P/A-P의 압축강도 비는 1.04로 수중 제작 콘크리트의 압축강도가 높게 나타났다. 이는 UW-P 시험체가 기중환경과 다르게 타설 직후부터 수중환경에서 양생되어 충분한 수화반응이 발생될 수 있었기 때문으로 예상된다.

3.5 수중과 기중환경의 쪼갬인장강도

쪼갬인장강도는 재령 28일만 측정을 하여 Fig. 8에 나타냈다. A-M과 A-P 시험체의 쪼갬인장강도는 각각 4.9 MPa와 4.8 MPa로 거의 동일한 성능을 확보함을 확인하였다. 수중환경에서 출력된 UW-P 시험체의 쪼갬인장강도는 5.4 MPa로 측정되어 기중환경에서 제작된 시험체보다 다소 높은 강도를 나타내었지만 쪼갬인장강도의 큰 차이는 없는 것으로 판단된다. 각 시험체의 쪼갬인장강도의 표준편차를 분석한 결과, A-M 시험의 표준편차는 0.52 MPa로 가장 크게 나타났다.

Fig. 8 Splitting tensile strength of specimens

반면, A-P와 UW-P 시험체의 표준편차는 각각 0.15 MPa와 0.19 MPa로 A-M 시험체의 29~36%의 수준으로 낮았다. 결과적으로 출력환경과 관계없이 인력으로 제작한 A-M 시험체보다 3DP 기술로 제작한 적층시험체가 품질변동성이 매우 낮아 콘크리트의 품질확보에 효과적임을 확인하였다. 일반적으로 적층시험체는 적층계면의 위치에 따라 강도특성이 영향받는 특성이 있다^{(Won, 2021)}. 하지만 이 연구에서는 출력부재의 형상으로 인하여 레이어의 수직방향에 대해서만 적층시험체의 쪼갬인장강도를 평가했기 때문에 레이어 수평방향의 적층시험체에 대한 쪼갬인장강도 평가에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.