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적층 방향에 따른 3D 프린팅 콘크리트의 강도 특성
Strength Characteristics of 3D Printed Concrete According to the Stacking Direction 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.2, 2021년, pp.632 - 637  

원희재 (동산콘크리트산업(주))

초록
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현재 미래의 건설 산업 기술을 발전시키고자 최근 미래 산업으로 각광받고있는 3D 프린팅을 이용한 콘크리트의 시공기술을 활용하여 구조물을 건설하는 연구가 국내외 건설업계 및 학계에서 활발히 진행되고 있다. 하지만 현재 개발되고 있는 3D 프린팅 기술은 적합한 시공기술, 콘크리트 재료 자체의 물성이 사용기준에 미치지 못하고 실제 현장에서 적용하기가 어려운 상황이다. 또한 시공된 구조물에 대한 내구성 관리 및 유지관리를 위한 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 Material extrusion 방식으로 출력한 3D 프린팅 콘크리트를 각각의 적층 방향 X, Y, Z축으로 나누어 측정한 압축강도와 휨강도를 기존의 몰드에 제작한 시험체와 비교 분석하였다. Test direction II Z축의 시험체의 압축강도가 나머지 Test direction I, III Y축, X축의 시험체에 비하여 8~10%의 높은 강도를 발현하였고 몰드 제작 시험체와 비교하였을 경우 4%가량 낮은 강도를 발현하였다. 휨강도 측정결과 재령 28일 기준으로 Test direction II Z축 방향의 시험체의 휨강도가 Test direction I, III Y축, X축의 시험체에 비하여 5~7%의 높은 강도를 발현하였고 몰드 제작 시험체와 비교하였을 경우 2%가량 낮은 강도를 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to develop future construction technology, research is actively being conducted on concrete construction technology using 3D printing, which is currently in the spotlight as a future industry in domestic and foreign construction industries and academia. However, 3D printing technology is cu...

주제어

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AI 본문요약
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제안 방법

  • 분석하였다. 각각의 실험은 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 기존 몰드에 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 동일한 배합으로 제작한 시험체를 각각 재령 일수에 따라 비교하며 실험을 진행하였다. 현재 3D 프린팅은 KS 기준이 명확하지 않기에 압축강도 시험 및 휨강도 실험을 공시체의 크기와 형상에 따른 강도에 관한 선행연구 [8]와 KS F 2405와 KS F 2408에 준하여 진행하였다.
  • 휨강도 측정은 100×100×400mm 사이즈로 컷팅한 시험체를 압축강도 측정방법과 마찬가지로 Fig 2의 나타낸 것과 같이 X, Y, Z축으로 각각 나누어 기존 몰드에 제작한 시험체와 비교하여 실험을 진행하였다. 단 몰드에 제작한 시험체와 비교 분석하는 것에 초점을 두었기 때문에 몰드 제작 시험체의 압축강도와 휨강도 측정값은 모두 동일하게 적용하였고 3D 프린팅을 이용해 제작한 시험체의 측정값에만 변화를 주어 비교 분석을 실시하였다.
  • 사용된 배합표는 Table 3과 같다. 또한 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 비교하기 위해 기존 몰드에 제작한 시험체 또한 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 동일한 배합으로 시험체를 제작하였다. 콘크리트의 믹싱은 가변식 콘크리트 팬 믹서를 이용하여 분할혼합방식으로 혼합을 실시하였으며, Fig 1과 같이 시험체를 제작하기 위해 노즐 폭 40mm의 노즐을 제작하고 프린팅 적층 높이는 10mm로 설정하여 120×120×500mm의 빔 형태로 압출 성형하였다.
  • 압출한 빔 형태의 시험체는 프린팅 24시간이 지난 후 시험대에서 시험체를 제거하여 컷팅 절단기를 이용하여 100×100×100mm의 각주형 압축강도 시험체와 100×100×400mm 휨강도 시험체를 제작하였다. 실험에서 압축강도 시험체를 각주형 공시체로 제작한 이유는 3D 프린팅 설비의 출력 특성상 원주형 공시체 제작이 어려워 콘크리트 호안 및 옹벽 블록 단체표준(SPS-KCIC0001-0703)을 참고하여 100×100×100 사이즈의 각주형 공시체로 시험을 실시하였다. 양생은 기건 양 생을 실시하였다.
  • 본 실험에서는 Material extrusion 3D 프린팅 기술을 적용하여 적층 성형한 콘크리트의 압축강도 및 휨강도를 분석하였다. 각각의 실험은 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 기존 몰드에 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 동일한 배합으로 제작한 시험체를 각각 재령 일수에 따라 비교하며 실험을 진행하였다.
  • 본 실험의 배합은 W/C는 30%로 계획하였으며 시멘트와 잔골재의 비율은 50:50으로 설정하였고 혼화제의 혼입률을 20%로 설정하여 배합을 실시하였다. 사용된 배합표는 Table 3과 같다.
  • 선행연구에서는 몰드에 단순히 노즐을 통해 압출되는 재료를 타설하여 다짐 후 시험체를 제작하여 실험을 진행한 것을 확인할 수 있었다[6]. 연구에서는 ME(Material Extrusion) 방식의 적층공법을 적용한 빔 형태의 시험체를 컷팅하여 각각의 X, Y, Z축의 적층 방향에 따른 압축강도와 휨강도를 기존의 몰드에 제작한 시험체와 비교하여 강도 특성을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 Material extrusion 방식으로 출력한 3D 프린팅 콘크리트를 각각의 적층 방향으로 나누어 측정한 압축강도와 휨강도를 기존의 몰드에 제작한 시험체와 비교 분석하였고 분석한 결론을 요약하면 다음과 같다.
  • 압축강도는 국내 H사 제품의 용량 1000kN의 유압식 만능시험기를 사용하였다. 시험체는 프린팅 24시간 이후에기건양생 실시하였으며 재령 일수에 맞춰 실험을 진행하였다. 압축강도 측정은 앞서 적층 성형 후 100×100× 100mm 사이즈로 컷팅한 각주형 시험체를 Fig 2에 나타낸 것과 같이 X, Y, Z 축으로 각각 나누어 출력 방향에 따른 압축강도를 몰드에 제작한 시험체와 각각 비교하며 실험을 진행하였다.
  • 시험체는 프린팅 24시간 이후에기건양생 실시하였으며 재령 일수에 맞춰 실험을 진행하였다. 압축강도 측정은 앞서 적층 성형 후 100×100× 100mm 사이즈로 컷팅한 각주형 시험체를 Fig 2에 나타낸 것과 같이 X, Y, Z 축으로 각각 나누어 출력 방향에 따른 압축강도를 몰드에 제작한 시험체와 각각 비교하며 실험을 진행하였다. 휨강도 측정은 100×100×400mm 사이즈로 컷팅한 시험체를 압축강도 측정방법과 마찬가지로 Fig 2의 나타낸 것과 같이 X, Y, Z축으로 각각 나누어 기존 몰드에 제작한 시험체와 비교하여 실험을 진행하였다.
  • 또한 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 비교하기 위해 기존 몰드에 제작한 시험체 또한 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 동일한 배합으로 시험체를 제작하였다. 콘크리트의 믹싱은 가변식 콘크리트 팬 믹서를 이용하여 분할혼합방식으로 혼합을 실시하였으며, Fig 1과 같이 시험체를 제작하기 위해 노즐 폭 40mm의 노즐을 제작하고 프린팅 적층 높이는 10mm로 설정하여 120×120×500mm의 빔 형태로 압출 성형하였다. 압출한 빔 형태의 시험체는 프린팅 24시간이 지난 후 시험대에서 시험체를 제거하여 컷팅 절단기를 이용하여 100×100×100mm의 각주형 압축강도 시험체와 100×100×400mm 휨강도 시험체를 제작하였다.
  • 양생은 기건 양 생을 실시하였다. 현재 3D 프린팅현장에서는 3D 프린팅으로 구조물을 제작할 시 수중양생이 어려워 본 실험 또한 현장 상황을 고려하여 기건양생을 실시하였다.
  • 혼화제는 시멘트 분산작용과 미세공기의 연행으로 단위 수량저감, 워커빌리티(Workability) 및 내동해성을개선시키는 국내 D사 제품의 고성능 AE감수제를 사용하였다. 물리적 성질은 Table 2와 같다.
  • 압축강도 측정은 앞서 적층 성형 후 100×100× 100mm 사이즈로 컷팅한 각주형 시험체를 Fig 2에 나타낸 것과 같이 X, Y, Z 축으로 각각 나누어 출력 방향에 따른 압축강도를 몰드에 제작한 시험체와 각각 비교하며 실험을 진행하였다. 휨강도 측정은 100×100×400mm 사이즈로 컷팅한 시험체를 압축강도 측정방법과 마찬가지로 Fig 2의 나타낸 것과 같이 X, Y, Z축으로 각각 나누어 기존 몰드에 제작한 시험체와 비교하여 실험을 진행하였다. 단 몰드에 제작한 시험체와 비교 분석하는 것에 초점을 두었기 때문에 몰드 제작 시험체의 압축강도와 휨강도 측정값은 모두 동일하게 적용하였고 3D 프린팅을 이용해 제작한 시험체의 측정값에만 변화를 주어 비교 분석을 실시하였다.

대상 데이터

  • 골재는 주물사, 타일시멘트, 드라이비트, 방수에 많이 사용되는 60∼80Mesh, 0.1mm∼0.35mm 입도의 7호사 규사를 사용하였다.
  • 반면 3D 프린팅으로 제작한 시험체는 적층 과정에 다짐과 진동다짐을 하여 공극을 메꾸는 과정이 없어 적층 시 내부에 공기가 침입하여 공극이 발생하므로 인해 몰드 제작 시험체보다 낮은 강도가 나온 것으로 판단된다. 또한 본 실험에 적용한 배합은 표준 모르타르의 배합보다 배합수의 양이 적고 표준사보다 입경이 작은 규사를 사용하였다. 이에 장시간 혼합할 경우 유동성이 저하될 것을 고려해 유동성 확보를 위해 사용한 AE 감수제가 적층 레이어(Layer)간에 공극을 유발하여 강도가 감소한 것으로 보인다.
  • 현재 3D 프린팅은 KS 기준이 명확하지 않기에 압축강도 시험 및 휨강도 실험을 공시체의 크기와 형상에 따른 강도에 관한 선행연구 [8]와 KS F 2405와 KS F 2408에 준하여 진행하였다. 압축강도는 국내 H사 제품의 용량 1000kN의 유압식 만능시험기를 사용하였다. 시험체는 프린팅 24시간 이후에기건양생 실시하였으며 재령 일수에 맞춰 실험을 진행하였다.
  • 콘크리트의 믹싱은 가변식 콘크리트 팬 믹서를 이용하여 분할혼합방식으로 혼합을 실시하였으며, Fig 1과 같이 시험체를 제작하기 위해 노즐 폭 40mm의 노즐을 제작하고 프린팅 적층 높이는 10mm로 설정하여 120×120×500mm의 빔 형태로 압출 성형하였다. 압출한 빔 형태의 시험체는 프린팅 24시간이 지난 후 시험대에서 시험체를 제거하여 컷팅 절단기를 이용하여 100×100×100mm의 각주형 압축강도 시험체와 100×100×400mm 휨강도 시험체를 제작하였다. 본 실험에서 압축강도 시험체를 각주형 공시체로 제작한 이유는 3D 프린팅 설비의 출력 특성상 원주형 공시체 제작이 어려워 콘크리트 호안 및 옹벽 블록 단체표준(SPS-KCIC0001-0703)을 참고하여 100×100×100 사이즈의 각주형 공시체로 시험을 실시하였다.
  • 이 실험에서 사용한 시멘트는 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트이며, 물리적 성질은 Table 1과 같다.

이론/모형

  • 또한 레이어(Layer)를 적층하여 구조물을 제작하는 방식인 3D 프린터의 적층공법과 적층된 구조물에 대한 내구성 관리와 유지관리를 위한 연구가 필요한 실정이다[4]. 본 연구에서 사용된 3D 프린터는 X, Y, Z축을 이동시켜 노즐을 통해 압출시키는 갠트리(Gantry) 타입의 3D 프린터이며 레이어(Layer)를 적층하는 기술인 ME(Material Extrusion) 방식을 적용하여 실험을 진행하였다[5~7]. 선행연구에서는 몰드에 단순히 노즐을 통해 압출되는 재료를 타설하여 다짐 후 시험체를 제작하여 실험을 진행한 것을 확인할 수 있었다[6].
  • 각각의 실험은 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 기존 몰드에 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 동일한 배합으로 제작한 시험체를 각각 재령 일수에 따라 비교하며 실험을 진행하였다. 현재 3D 프린팅은 KS 기준이 명확하지 않기에 압축강도 시험 및 휨강도 실험을 공시체의 크기와 형상에 따른 강도에 관한 선행연구 [8]와 KS F 2405와 KS F 2408에 준하여 진행하였다. 압축강도는 국내 H사 제품의 용량 1000kN의 유압식 만능시험기를 사용하였다.
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참고문헌 (8)

  1. Park, hye mee, Development of the mix proportion of concrete for the extruder of construction 3D printers, Master's thesis, School of Civil and Environmental Engineering Graduate School, Kookmin University Seoul, Korea, [1] 

  2. Chen, Chao.Park, Yoo-Na.Yoo, Seung-Kyu.Bae, Sung-Chu.Kim, Jae-Jun, "Developing Design Process of 3D Printing Concrete Mix Proportion", Journal of the Korean BIM Society Vol.7, No.3 (2017) DOI: https://doi.org/10.13161/kibim.2017.7.3.001 

  3. Dong-gyu Lee, Byung-Hyun Yoo, Ho-Jung Son, Development of Shrinkage Reducing Agent for 3D Printing Concrete, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 20, No. 12 pp. 37-43, 2019 

  4. Kim, Ki Hoon, Song, Dong Geun, Koo, Kyung Mo, "Fundamental Properties of 3D Printed Concrete According to Curing Condition", Korea Concrete Institute, 2019 Fall Conference Pages 507-508 

  5. Ji-Seok Seo, Bong-Chun Lee, and Yun-Yong Kim, Uniformity and Accuracy if Mortar Layer Thickness for the Quality Evaluation if 3D Printer Output, Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.32, No.4, pp.371-377, August, 2020 DOI: https://doi.org/10.4334/JKCI.2020.32.4.371 

  6. Ji-Seok Seo, Bong-Chun Lee, and Yun-Yong Kim, The Effects of Void Ratio on Extrudability and Buildability of Cement-based Composites Produced by 3D Printers, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 23, No. 7, December 2019, pp.104-112 DOI: https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.7.104 

  7. Lee, Ho Jae, Kim, WonWoo, Seo, EunA, Moon, JaeHeum, A Study on the Pore Distribution between Layer of 3D Printed Motar, Korea Concrete Institute 2019 Spring Conference, pp595-596 

  8. Choi, Joong Chul, Yang, Eun Ik, Yi, Seong Tae, Kim, Myung You, Effect of Specimen Sizes and Shapes on Compressive Strngth of Cocrete, Korean Concrete Institute 2003 Fall Conference, Vol.15 No.2 

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