굳지 않은 콘크리트의 적층성은 콘크리트 3D 프린팅의 핵심 요소로써 필라멘트의 변형 및 붕괴 없이 일정한 높이로 적층하는 성능이다. 적층성은 항복응력과 밀접한 관련이 있으며, 항복응력이 높을수록 우수하다. 또한, 굳지 않은 콘크리트는 압출된 후 시간경과에 따라 경화되면서 전단응력이 증가하기 때문에 적층성이 높아지게 된다. 따라서, 콘크리트 3D 프린팅 시 굳지 않은 콘크리트의 적층성 확보를 위해서는 출력되는 레이어 사이의 적절한 시간 간격(Printing Time Gap, 이하 PTG)이 필요하다. PTG가 증가함에 따라 적층성은 증가하지만, PTG가 과다하게 커지면 출력된 레이어 간의 부착성능이 감소하며, 출력시간이 길어짐에 따라서 압출성능이 저하될 수 있다. 이 연구에서는 100 MPa급 고강도 콘크리트 배합에 적합한 적층성을 확보하기 위하여 PTG를 변수로 한 3D 프린팅 실험을 수행하였으며, 이와 더불어 콘크리트 3D 프린팅 방법을 유사하게 모사할 수 있는 모의 적층실험 방법의 유효성을 검토하기 위하여 모의 적층실험을 수행하였다.
굳지 않은 콘크리트의 적층성은 콘크리트 3D 프린팅의 핵심 요소로써 필라멘트의 변형 및 붕괴 없이 일정한 높이로 적층하는 성능이다. 적층성은 항복응력과 밀접한 관련이 있으며, 항복응력이 높을수록 우수하다. 또한, 굳지 않은 콘크리트는 압출된 후 시간경과에 따라 경화되면서 전단응력이 증가하기 때문에 적층성이 높아지게 된다. 따라서, 콘크리트 3D 프린팅 시 굳지 않은 콘크리트의 적층성 확보를 위해서는 출력되는 레이어 사이의 적절한 시간 간격(Printing Time Gap, 이하 PTG)이 필요하다. PTG가 증가함에 따라 적층성은 증가하지만, PTG가 과다하게 커지면 출력된 레이어 간의 부착성능이 감소하며, 출력시간이 길어짐에 따라서 압출성능이 저하될 수 있다. 이 연구에서는 100 MPa급 고강도 콘크리트 배합에 적합한 적층성을 확보하기 위하여 PTG를 변수로 한 3D 프린팅 실험을 수행하였으며, 이와 더불어 콘크리트 3D 프린팅 방법을 유사하게 모사할 수 있는 모의 적층실험 방법의 유효성을 검토하기 위하여 모의 적층실험을 수행하였다.
Buildability of fresh concrete, a key element of Concrete 3D printing, is the ability to build filaments at a desirable height without excessive deformation or collapse. Buildability is closely related to yield stress, and the higher the yield stress, the better. Also, the shear stress of fresh conc...
Buildability of fresh concrete, a key element of Concrete 3D printing, is the ability to build filaments at a desirable height without excessive deformation or collapse. Buildability is closely related to yield stress, and the higher the yield stress, the better. Also, the shear stress of fresh concrete increases as it hardens over the time after extruded, and consequently the buildability increases. Therefore, in concrete 3D printing, proper time gaps between printed layers (Printing Time Gap, PTG) are required to ensure the buildability of fresh concrete. As the PTG increases, the buildability increases; however, an excessive PTG reduces the bond performance between the printed layers, and the extrudability can be lowered as the printing time increases. In this research, therefore, 3D printing experiments were conducted with the variable of PTG to examine the buildability of 100 MPa-high strength concrete. In addition, a pseudo-layer loading method was applied to simulate the buildability test for 3D concrete printing and its applicability was examined.
Buildability of fresh concrete, a key element of Concrete 3D printing, is the ability to build filaments at a desirable height without excessive deformation or collapse. Buildability is closely related to yield stress, and the higher the yield stress, the better. Also, the shear stress of fresh concrete increases as it hardens over the time after extruded, and consequently the buildability increases. Therefore, in concrete 3D printing, proper time gaps between printed layers (Printing Time Gap, PTG) are required to ensure the buildability of fresh concrete. As the PTG increases, the buildability increases; however, an excessive PTG reduces the bond performance between the printed layers, and the extrudability can be lowered as the printing time increases. In this research, therefore, 3D printing experiments were conducted with the variable of PTG to examine the buildability of 100 MPa-high strength concrete. In addition, a pseudo-layer loading method was applied to simulate the buildability test for 3D concrete printing and its applicability was examined.
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문제 정의
본 논문에서는 콘크리트 3D프린팅의 PTG에 따른 적층 성능을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 이 연구를 통하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
이 연구에서는 100 MPa급 고강도 콘크리트 배합에 적합한 적층성을 확보하기 위하여 PTG를 변수로 한 3D 프린팅 실험을 수행하였으며, 이와 더불어 콘크리트 3D 프린팅 방법을 유사하게 모사할 수 있는 모의 적층실험 방법의 유효성을 검토하기 위하여 모의 적층실험을 수행하였다.
가설 설정
각 필라멘트의 목표 층 높이는 8 mm이며, 필라멘트를 프린팅 한 후 출력한 총 높이를 측정하여 목표 값과 실험 값을 비교하였다. 실험체의 항복은 적층 시 균열이 발생하거나 급격하게 수직변위가 증가하였을 때로 가정하였으며, 각 실험체의 항복한 시점(층수)과 변위를 비교하였다. 점도와 항복응력은 Brookfield Rheometer (DV3T)를 사용하여 측정하였다.
제안 방법
Table 3에 나타낸 바와 같이 실험변수는 가력방법(loading type)과 PTG이다. 가력방법은 실제 콘크리트 3D프린팅을 통한 적층 하중 (P)과 모래를 통한 모의적층 하중가력(S)이며, PTG는 30초와 60초로 설정하였다.
이 연구에서는 Table 1에 제시된 바와 같이 100 MPa급 고강도 콘크리트 배합에 적합한 적층성을 확보하기 위하여 PTG를 변수로 한 3D 프린팅 실험을 수행하였다. 배합재료는 시멘트(Cement, C), 물(Water, W), 고형분 30% 함량의 폴리카본산계 고성능감수제(Superplasticizer, SP), 응결지연제(Retarder, RT), 실리카 퓸(Silica Fume, SF), 필러(Filler, F), 잔골재(Fine-Sand, FS) 이며, 잔골재는 입자의 크기가 0.
모든 실험체는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하여 각각의 PTG에 따라 4개층 (4-layer) 까지 적층하였다. 이 후 5층(5-layer) 부터 P-30s와 P-60s 실험체에서는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하여 적층하였으며, S-30s와 S-60s 실험체에서는 모래를 이용하여 필라멘트 1개의 무게씩 PTG에 따라 가력하였다.
(2018)은 실제 콘크리트 3D프린팅 상황을 가정하여 PTG에 따른 모의 적층실험을 수행하였다. 즉, 이들의 모의 적층실험에서는 콘크리트 3D프린팅으로 적층실험을 수행하지 않고, 몰드로 실험체를 제작하여 만능재료실험기(Universal TestingMachine, UTM)로 압축력을 가하는 실험을 수행하였으며, 이때 가력하중의 크기는 콘크리트 레이어 상부 층의 무게를 고려하여 적용하였다. 실험결과, Fig.
대상 데이터
6(c)에는 S-30s 실험체의 적층 사진을 나타내었다. S-30s 실험체는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하여 4층까지 적층한 후, 모래를 이용하여 추가적으로 10층을 적층하여 총 14층까지 적층하였다. S-30s 실험체의 초기 균열 시점은 정확하게 파악되지 않았으나, Fig.
6(d)에는 S-60s 실험체의 적층 사진을 나타내었다. S-60s실험체는 콘크리트 3D 프린팅을 이용하여 4층까지 적층한 후, 모래를 이용하여 추가적으로 9층을 적층하여 총 13층까지 적층하였다. S-60s 실험체는 추가적으로 3층에 해당하는 하중을 적용하였을 때 (즉, 총 7층) 1층 레이어에서 최초의 균열이 관측되었다.
이 연구에서는 Table 1에 제시된 바와 같이 100 MPa급 고강도 콘크리트 배합에 적합한 적층성을 확보하기 위하여 PTG를 변수로 한 3D 프린팅 실험을 수행하였다. 배합재료는 시멘트(Cement, C), 물(Water, W), 고형분 30% 함량의 폴리카본산계 고성능감수제(Superplasticizer, SP), 응결지연제(Retarder, RT), 실리카 퓸(Silica Fume, SF), 필러(Filler, F), 잔골재(Fine-Sand, FS) 이며, 잔골재는 입자의 크기가 0.22~0.42인 6호사 및 0.07~0.22인 7호사를 사용하였다. 배합재료의 물성자료는 Table 2에 나타내었다.
데이터처리
각 필라멘트의 목표 층 높이는 8 mm이며, 필라멘트를 프린팅 한 후 출력한 총 높이를 측정하여 목표 값과 실험 값을 비교하였다. 실험체의 항복은 적층 시 균열이 발생하거나 급격하게 수직변위가 증가하였을 때로 가정하였으며, 각 실험체의 항복한 시점(층수)과 변위를 비교하였다.
성능/효과
1. 콘크리트 3D 프린팅 실험(P)과 모의 적층 실험(S)에서 PTG가 30초인 실험체들은 모두3층 적층시점에서 항복하였으며, 따라서, 30초의 PTG는 필라멘트의 강도가 발현되기에는 부족한 것으로 나타났다.
이에 비해, P-30s 실험체와 S-30s 실험체는 상대적으로 큰 수직 변형 차이를 나타내었다. 이처럼 PTG가 작을수록 모의 적층 실험과 콘크리트 3D 프린팅 실험에서 수직 변형의 차이는 큰 것으로 나타났다. 따라서, 필라멘트의 강도가 발현되기 위한 최소 PTG를 만족한다면 모의 적층 실험이 콘크리트 3D 프린팅 실험을 유사하게 모사할 수 있을 것으로 판단된다.
3. 콘크리트 3D 프린팅 실험(P)과 모의 적층 실험(S)에서 PTG에 따른 항복시점은 매우 유사한 것으로 나타났다. 필라멘트의 강도가 발현되기 위한 최소 PTG를 만족한다면 모의 적층 실험을 통하여 콘크리트 3D 프린팅의 적층성을 모사하는 데에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
이에 비해 PTG가 60초인 실험체들은 상대적으로 높은 층높이에서 항복하는 것으로 나타났다. 다만, PTG가 60초인 실험체들에서도 모두 7층 적층시 균열이 발생되었기 때문에 콘크리트 프린팅에 적합한 PTG라고 보기에는 무리가 있으며, 60초 이상의 PTG에 대한 추가적인 적층성 실험을 통하여 콘크리트 3D 프린팅에 보다 적합한 PTG를 도출할 필요가 있을 것으로 판단된다.
따라서, 추가 실험을 통해 60초 이상의 PTG에서 안정적인 적층이 가능할 지 확인해야 할 것으로 판단된다. 다만, PTG와는 별개로 필라멘트가 적층됨에 따라 자중에 의하여 최하부층 레이어가 한계파괴응력에 도달하여 항복할 수 있으므로 프린팅 1회당 출력 가능한 최대 높이도 검토해야할 것으로 판단된다.
다만, P-60s와 S-60s 실험체에서도 모두7층 적층시 균열이 발생되었기 때문에 콘크리트 프린팅에 적합한 PTG라고 보기에는 무리가 있다. 따라서, 추가 실험을 통해 60초 이상의 PTG에서 안정적인 적층이 가능할 지 확인해야 할 것으로 판단된다. 다만, PTG와는 별개로 필라멘트가 적층됨에 따라 자중에 의하여 최하부층 레이어가 한계파괴응력에 도달하여 항복할 수 있으므로 프린팅 1회당 출력 가능한 최대 높이도 검토해야할 것으로 판단된다.
이처럼 PTG가 작을수록 모의 적층 실험과 콘크리트 3D 프린팅 실험에서 수직 변형의 차이는 큰 것으로 나타났다. 따라서, 필라멘트의 강도가 발현되기 위한 최소 PTG를 만족한다면 모의 적층 실험이 콘크리트 3D 프린팅 실험을 유사하게 모사할 수 있을 것으로 판단된다.
콘크리트 3D 프린팅 실험(P)과 모의 적층 실험(S)에서 PTG에 따른 항복시점은 매우 유사한 것으로 나타났다. 필라멘트의 강도가 발현되기 위한 최소 PTG를 만족한다면 모의 적층 실험을 통하여 콘크리트 3D 프린팅의 적층성을 모사하는 데에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압출성이란?
Petit(2007)의 연구에 따르면 콘크리트 3D프린팅에서는 압출성과 적층성을 확보하는 것이 중요하다. 압출성은 굳지 않은 콘크리트를 끊어짐 없이 연속적으로 출력하는 성능이며, 적층성은 필라멘트를 변형 및 붕괴 없이 일정한 높이로 적층하는 성능이다. 이러한 압출성과 적층성은 굳지 않은 콘크리트의 레올로지 특성 중 점도 및 항복응력과 밀접한 관련이 있다.
콘크리트 3D프린팅의 장점은?
또한, 최근 수요가 증가하고 있는 비정형 건축물에서는 이러한 거푸집 작업을 한층 더 복잡하고 어렵게 하고 있다. 콘크리트 3D프린팅은 굳지 않은 상태의 콘크리트를 압출하고 적층하는 방식으로 시공이 가능하기 때문에 거푸집이 필요하지 않으며, 이에 따라 공사비 및 노동력을 절감하고 공사기간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 국외에서는 이러한 콘크리트 3D프린팅을 성공적으로 개발⋅적용한 사례가 다수 존재하며, 이미 상용화 단계에 접어들고 있다.
3D프린팅의 PTG에 따른 적층 성능을 파악하기 위하여 실험을 수행한 결과, 30초의 PTG로도 필라멘트의 강도가 발현되기에 충분한가?
1. 콘크리트 3D 프린팅 실험(P)과 모의 적층 실험(S)에서 PTG가 30초인 실험체들은 모두3층 적층시점에서 항복하였으며, 따라서, 30초의 PTG는 필라멘트의 강도가 발현되기에는 부족한 것으로 나타났다.
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