2.1 3D 콘크리트 프린팅 재료

본 연구에서 사용된 결합재는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(cement), 실리카흄(silica fume)과 플라이애시(fly ash)이다. 출력성 확보를 위해 잔골재는 최대입경을 1.18 mm 로 제한하여 사용하였다. 또한 적층 성능 향상을 위한 섬유 보강재로 PVA(polyvinyl alcohol) 섬유를 사용하였다. 혼화제는 유동성 확보를 위해 유동화제(polynaphthalene sulfonate, PNS)와 적층 성능 향상을 위해 증점제(Viscosity modified agent, VMA)를 사용하였다. 다양한 배합실험을 바탕으로 도출한 최적 배합설계는 Table 1에 나타내었다.

2.2 3D 콘크리트 프린팅 시스템

실험체 제작에 사용된 3D 콘크리트 프린터는 1.0 m³의 유효 제작 공간을 갖춘 갠트리 타입 3D 프린터이다(Fig. 1). 또한 재료의 이송을 위해 펌프를 사용하였으며, 직경 25 mm의 노즐을 통해 최종 토출하였다. 단일 필라멘트의 높이는 10 mm 이며, 노즐의 수평 이동 속도는 5000 mm/min 이다.

Fig. 1 Gantry type 3D concrete printing system

2.3 실험체 준비

모니터링을 위한 실험체 크기는 50 mm x 50 mm x 200 mm로 설정하였고, 몰드는 절연체인 폴리락틱엑시드(polylactic acid)로 제작하였다. 본 연구에서는 양생 환경에 노출된 표면적을 주요 변수로 설정하고, 실험체는 거푸집을 사용하여 제작된 두 종류(formwork and formless samples)의 거푸집 타설 실험체와 실제 3D 프린팅 시스템을 활용하여 제작된 프린팅 실험체(printing sample)로 구분하였다. 거푸집 실험체(formwork sample)는 거푸집 시공 시의 외기 노출 상태를 반영하였으며, 이상적인 외기 차단 상태를 모사하기 위해 몰드 타설 후 상부면을 밀폐하여 제작하였다. 무거푸집 실험체(formless sample)는 3D 프린팅 공법의 개방된 양생 환경을 반영하여 몰드 타설 직후 탈형하여 제작하였다. 프린팅 실험체(printing sample)는 실제 3D 프린팅 시스템을 이용하여 너비 50 mm, 높이 10 mm의 콘크리트 필라멘트를 5층 적층한 후, 길이 200 mm로 절단하여 제작하였다. 모든 실험체는 균일한 양생 조건을 유지하고 실험 변수의 영향을 최소화하기 위해 온도 30℃에서 양생하였으며, 수축 방지를 위해 상대습도 95%로 유지하였다. 실험체 제작 과정은 Table 2에 요약하였다.

2.4 양생 모니터링

2.4.2 전기비저항 측정법

본 연구에서는 전기비저항 측정을 통해 시멘트 재료 기반 3D 프린팅 콘크리트에 대해 양생 모니터링을 수행하였다. 전기비저항 측정을 위한 전극법은 분극화 현상 방지^{(Azarsa and Gupta, 2017)}, 측정 편의성^{(Sengul and Gjørv, 2008; Layssi et al., 2015; Salehi et al., 2016)}의 이점이 있는 Wenner의 4-전극법을 사용하였으며, 이를 Fig. 2에 도식화 하였다. 측정된 전류($I$) 와 전위차($V$)를 통해 전기저항($R$)을 산출하며($R=V/I$), 이를 바탕으로 식 (1)에 따라 전기비저항을 계산하였다.

(1)

$\rho =2\pi\alpha R$

여기서, $\rho$는 전기비저항(Ω⋅m), $\alpha$는 전극 간격(m), $R$은 접지저항(Ω)을 나타낸다.

실험체의 전기비저항 비파괴 측정 셋업을 위해 National Instruments의 compact RIO 9178 내, 전원 공급을 위한 NI-9263, 전류 측정을 위한 NI-9227, 전압 측정을 위한 NI-9222로 구성되었다(Fig. 3). 외부 전극에 1 V, 100 Hz의 사인파 교류전원을 인가하였으며, 전위차는 내부 전극으로 측정하였다. 실험체의 손상 최소화 및 충분한 접촉 면적 확보를 위해, 전극을 90도로 굴곡시켜 길이 방향으로 30 mm가 실험체에 접촉되도록 구성하였으며, 전극 지름의 약 3배인 5 mm를 실험체에 삽입하였다. 실험체 타설 직후부터 24시간 동안 5분 간격으로 전기비저항 변화를 모니터링하였으며, 각 실험 결과는 동일 조건에서 수행된 3개 실험체의 평균값으로 나타내었다.

Fig. 2 Wenner's 4-electrode method

Fig. 3 Electrical resistivity measurement system

2.4.3 초음파 속도 측정법

콘크리트의 초기 재령 초음파 속도 측정 셋업은 Fig. 4에 나타내었다. PUNDIT Lab+의 펄스 발생기(Proceq)를 통해 두 개의 초음파 탐촉자(54 kHz)를 실험체 표면에 부착하였으며, 탐촉자간 초음파 전파 경로는 50 mm로 설정하였다. 실험체의 수화물 생성에 따른 초음파 속도 변화를 측정하기 위해, 500 V의 펄스 전압을 실험체에 인가하여 24시간 동안 5분 간격으로 초음파 속도(Ultrasonic Pulse Velocity, UPV)를 측정하였다. UPV는 식 (2)에 따라 계산되었다.

(2)

$UPV=\dfrac{L}{T}$

여기서,$UPV$는 초음파 속도(m/s), $L$은 초음파의 경로 거리(m), $T$는 전송 시간(s)을 나타낸다.

Fig. 4 Ultrasonic pulse velocity measurement system

2.5 압축강도 및 휨강도 시험

3D 콘크리트 프린팅의 무거푸집 양생이 강도에 미치는 영향을 평가하기 위해, 거푸집 실험체(formwork sample)와 무거푸집 실험체(formless sample)의 압축강도 및 휨강도를 측정하였다. 압축강도 측정을 위한 실험체는 24시간 양생 후, 50 mm x 50 mm x 50 mm로 커팅하여 제작하였다. 이후 압축강도 시험은 ^{ASTM C109}에 준하여 수행하였으며, 휨강도 측정은 ^{ASTM C293/C293M-16}에 준하여 3점 굽힘 시험을 수행하였다. 모든 실험체는 동일한 실험 조건에서 각각 3개씩 24시간 양생 시간에 실험을 수행하였다.

3.1 관입 저항침 시험 기반 3D 프린팅 콘크리트 배합의 초결 및 종결

3D 프린팅용 콘크리트 배합에 대한 관입 저항침 시험 결과는 회귀 분석 결과와 함께 정리하였다(Fig. 5). 양생 온도 30℃, 상대습도 95%에서 실험체의 초결 및 종결 시점은 각각 5.9 h와 8 h로 결정되었다. 본 비교 실험을 통해 측정된 초결 및 종결 결과로부터, 3D 프린팅용 콘크리트 배합의 상변화 시점 및 경화 시점을 확인할 수 있다. 그러나 3D 프린팅 시공의 자립식 타설과 무거푸집 양생의 영향을 고려할 때, 관입 저항침 시험으로 프린팅 재료의 응결 시점을 나타내기에는 한계가 존재한다.

Fig. 5 Penetration resistance values presented as elapsed time with the fitted curve of printable concrete

3.2 무거푸집 콘크리트의 비파괴 기반 24시간 양생 모니터링

전기전도성 변화 및 탄성파 전파 속도 변화 기반의 비파괴 평가법을 이용하여 무거푸집 양생 조건에서의 자립식 콘크리트의 응결 및 경화 특성을 평가하였다(Fig. 6). 무거푸집 실험체(formless sample)를 대상으로 모니터링을 수행하였으며, 각 측정법에 따른 실험은 동일 조건으로 3회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다. 전기비저항 측정법을 이용한 무거푸집 실험체의 24시간 모니터링 결과는 초기 약 20 Ω⋅m의 전기비저항을 유지 후 급격히 상승하는 결과가 나타난다(Fig. 6(a)). 이 결과는 시멘트 수화 반응이 지속됨에 따라 수화 생성물이 미세 공극을 채우고 그에 따른 공극수 네트워크의 감소 및 단절로 나타나는 전기비저항 상승 결과이다. 이 상승시점(rising time)은 시멘트계 재료의 미세구조 변화를 기반으로 한 응결 평가 기준으로 활용될 수 있으며, 다양한 배합 및 양생 조건에 따른 결과들이 보고되었다(Yim et al., 2017). 본 연구에서는 전기비저항 상승시점을 초기 측정값의 1.5배로 상승하는 시점으로 정의하였으며, 그에 따른 무거푸집 실험체의 상승시점은 11.75 h로 결정되었다(Fig. 6(a)). 동일 실험체의 초음파 속도 측정을 이용한 무거푸집 실험체의 24시간 모니터링 결과는, 초음파 속도가 초기에 급격히 상승한 후 일정 값으로 수렴하는 결과로 나타났다(Fig. 6(b)). 실험체의 초기 초음파 속도 결과는 시멘트계 재료의 소성 특성에 따라 초음파 전파 시 감쇠, 반사, 산란 등 다양한 탄성파 전파 특성을 포함하고 있으며, 이후 시멘트 수화반응에 따라 재료의 탄성계수 증가 및 고체 상변화에 따라 초음파 속도의 급격한 상승이 발생한다. 이러한 초음파 속도 변화는 시멘트계 재료의 상변화(phase change) 및 경화(hardening)를 반영하며, 일정 시간 후 증가량 감소 및 수렴하기 시작한다(Yim et al., 2012). 이 시점을 시멘트계 재료의 고체 네트워크(solid network) 형성 및 고체화에 따른 탄성파 전파 속도의 수렴시점으로 정의하였으며, 속도 기울기가 0.008 m/s 이하가 되는 시점으로 결정하였다. 무거푸집 실험체의 수렴시점은 11 h로 결정되었다(Fig. 6(b)).

본 연구에서 적용한 비파괴 평가법을 통해 자립식 무거푸집 타설 콘크리트의 응결 및 양생 품질을 모니터링할 수 있음을 확인하였다. 또한 두 측정법의 재현성 확인 결과, 전기비저항 측정법의 최대 변동은 약 3.92%로 준수한 재현성이 확인되었으나, 초음파 속도 측정법의 최대 변동은 약 9.80%로 상대적으로 낮은 재현성이 나타났다. 이는 전극 또는 초음파 탐촉자를 사용한 두 측정법의 센서 차이 및 무거푸집 실험체에 커플러(coupling agent) 사용 유무에 따른 센싱 오차 등에 따른 결과로 판단된다. 또한 굵은 골재가 제외된 프린팅 배합에서의 초기 수축 발생 가능성 역시 센서 접촉 컨디션에 영향을 미치며, 이러한 다양한 실험 셋업 오차가 재현성 변화 크기로 나타나는 것으로 보인다.

거푸집 유무에 따른 비파괴 평가 결과 분석을 위해, 거푸집 실험체(formwork sample)와 무거푸집 실험체(formless sample) 의 양생 모니터링을 수행하였다. 각 비파괴 측정법에 따른 실험 결과는 관입 저항침 시험에 의한 응결 시점과 함께 Fig. 7에 나타내었다. 전기비저항 측정에 따른 상승시점은 거푸집 실험체에서 12.58 h, 무거푸집 실험체에서 11.75 h로 결정되었다(Fig. 7(a)). 또한 초음파 속도 측정에 따른 수렴시점은 거푸집 실험체에서 14.17 h로, 무거푸집 실험체에서 11 h로 결정되었다(Fig. 7(b)). 두 다른 비파괴 평가법의 응결 변수(Non- destructive setting parameters)는 상변화 재료의 서로 다른 미세구조 변화를 나타내고 있다. 즉 고체 네트워크 형성과 공극수 네트워크 차단 등 수화물 발생에 따른 미세구조의 상대적 변화에 따라 결정된다. 실험체 종류에 따라 전기비저항 상승시점으로부터 약 1∼2 h 차이로 초음파 속도 측정법의 수렴시점이 확인되며, 거푸집 유무에 따른 응결 시점의 변화는 비파괴 측정법에 따라 다른 결과를 보인다. 관입 저항침 시험에 의한 응결 시점은 고체 입자들이 일정 수준의 부착 강도를 형성함에 따른 관입 저항 응력을 반영한다. 관입 저항침 시험에 의한 종결 시점(8h)으로부터 전기비저항 상승시점은 약 4 h 이후 나타나며, 초음파 속도의 수렴시점은 무거푸집 실험체와 거푸집 실험체에서 각각 약 3 h, 6 h 이후이다. 이를 통해 3D 프린팅 사용 시멘트계 재료의 비파괴 응결 변수 측정 시점은 ASTM에 따른 종결 시점 이후로, 비파괴 평가를 통해 프린팅 재료의 응결 및 고체 상변화 시점 평가가 가능함을 확인할 수 있다.

노출 면적의 증가로 인해, 콘크리트의 응결 이후 경화 과정 역시 차이가 나타난다. 전기비저항의 상승시점 이후 상승속도(increase rate)는 수화 반응으로 인해 감소된 공극수 네트워크와 응집된 시멘트 입자의 영향을 나타낸다. 상승속도는 상승시점부터 24시간까지 측정된 전기비저항 결과를 통해 결정되었으며, 거푸집 실험체는 4.64 Ω⋅m/h로 무거푸집 실험체는 5.25 Ω⋅m/h로 나타났다(Fig. 7(a)). 전기비저항 측정법은 수화열 및 함수량에 의한 영향으로 변화될 수 있으며^{(Luo et al., 2019)}, 본 연구에서는 거푸집 사용에 따른 수화열 축적 정도와 무거푸집 양생에 따른 수분 손실 등의 변수들이 반영된 비파괴 평가 결과로 나타난 것으로 판단된다. 초음파 속도 측정법은 초음파 속도의 수렴값이 무거푸집 실험체에서 3,619 m/s, 거푸집 실험체에서 3,967 m/s로 나타났다(Fig. 7(b)). 이는 거푸집 유무에 따른 노출 양생 환경 차이의 결과로, 시멘트 수화물의 공극 충전성, 고체 입자 응집 정도, 실험체의 고체 네트워크 및 강성 발현 차이 등에 의해 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 6 Measured results from non-destructive curing monitoring of formless sample: (a) electrical resistivity measurement and (b) ultrasonic pulse velocity measurement

Fig. 7 Comparison of monitored results between formwork and formless samples: (a) Electrical resistivity measurement and (b) Ultrasonic pulse velocity measurement

3.3 무거푸집 콘크리트의 24 시간 강도 발현 특성

Fig. 8은 거푸집 실험체(formwork sample)와 무거푸집 실험체(formless sample)의 24시간 양생 후 압축강도와 휨강도 측정 결과를 보여준다. 압축강도는 거푸집 실험체에서 11.09 MPa, 무거푸집 실험체에서 8.52 MPa로 측정되었으며, 휨강도는 각각 5.69 MPa와 4.40 MPa로 나타났다. 비파괴 측정 결과에서와 같이, 모든 강도 시험 결과에서 무거푸집 실험체의 강도는 거푸집 실험체 대비 약 23% 감소된 값을 보였다. 거푸집 사용 유무에 따른 양생 환경 직접 노출 면적의 차이로 인해, 미세구조 및 수화반응 변화가 나타나게 되고, 이는 무거푸집 시멘트계 재료의 초기강도 발현에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타난다. 거푸집 실험체는 양생 과정에서 상대적으로 안정적인 온도와 습도 환경이 유지되나, 무거푸집 실험체는 표면 노출면 증가로 인해 수분 손실이 가속화될 수 있다. 따라서 무거푸집 실험체의 수화 반응이 단면 내 불균질하게 진행되는 등 양생 초기 실험체의 압축강도 및 휨강도 저하를 발생시키는 것으로 판단된다.

Fig. 8 Mechanical strength of formwork and formless samples after 24 hours of curing: (a) Compressive strength and (b) Flexural strength

3.4 3D 프린팅 콘크리트의 응결 및 경화 특성

Fig. 9는 무거푸집 실험체(formless sample)와 프린팅 실험체(printing sample)의 양생 모니터링 결과이다. Fig. 9(a)는 전기비저항 측정법의 실험 결과이며, Fig. 9(b)는 초음파 속도 측정법의 실험 결과이다. 전기비저항 측정법을 통해 결정된 상승시점은 무거푸집 실험체에서 11.75 h, 프린팅 실험체에서 12 h이다. 상승속도는 무거푸집 실험체에서 5.25 Ω⋅m/h, 프린팅 실험체에서 5.90 Ω⋅m/h로 결정되었다. 초음파 속도 측정법을 통해 결정된 수렴시점은 무거푸집 실험체에서 11 h, 프린팅 실험체에서 10.83 h이다. 또한 24 h에서의 초음파 속도 수렴값은 두 실험체 모두 약 3,500 m/s로 도출되었다.

전기비저항 측정법과 초음파 속도 측정법을 이용한 타설 초기 24시간 양생 모니터링 결과, 무거푸집 실험체와 프린팅 실험체의 응결 시점은 거의 동일하게 나타났다. 두 실험체의 표면 노출 면적이 거의 동일함에 따라, 양생 환경의 영향 역시 거의 동일하게 영향을 미친 것으로 판단된다. 하지만 프린팅 실험체의 전기비저항 결과는 무거푸집 실험체 대비 약 12% 높게 측정되었다. 프린팅 실험체는 적층 타설로 인해 층간 계면이 형성되고, 타설 후 다짐 공정 생략으로 인해 계면 공극(air voids in interlayers)이 형성될 수 있다. 하지만 무거푸집 실험체는 타설 중 다짐봉을 이용한 다짐 과정이 있으며, 이에 따른 두 실험체의 전기전도성 및 전기비저항의 차이가 나타나게 되는 것으로 보인다. 그리고 이러한 결과는 초기 양생 24시간 동안 일정하게 유지되었다.

Fig. 9 Comparison of monitored results between formless and printing samples: (a) Electrical resistivity measurement and (b) Ultrasonic pulse velocity measurement