[논문]3D 프린팅 시멘트계 재료의 유변학적 물성과 요구 성능에 관한 문헌 조사

오상우; 홍근태; 최성철

doi:10.14190/jrcr.2021.9.1.41

3D 프린팅 시멘트계 재료의 유변학적 물성과 요구 성능에 관한 문헌 조사
Literature Review on Rheological Properties and Required Performances of 3D Printable Cementitious Materials 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.9 no.1, 2021년, pp.41 - 49

오상우 (중앙대학교 토목공학과) , 홍근태 (중앙대학교 토목공학과) , 최성철 (중앙대학교 건설환경플랜트공학과)

초록
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3D 프린팅 시공기술은 주로 거푸집 없이 시멘트계 재료를 적층하여 생산하는 방식을 활용한다. 3D 프린팅 시멘트계 재료는 굳지 않은 상태에서 이송성, 토출성, 적층성 관련 성능이 요구되기 때문에 기존 시공방식에서 사용되던 재료 물성에 대한 추가적인 고려가 필요하다. 이 연구의 목적은 국내외의 3D 프린팅 시멘트계 재료의 유변학적 특성에 대한 기존 연구 사례들을 비교 분석하여 3D 프린팅 시멘트계 재료의 요구 성능과 유변학적 물성과의 연관성을 조사하는 것이다. 3D 프린팅 시멘트계 재료의 점성, 항복응력, 틱소트로피에 대한 실험을 진행했던 이전 연구 사례들의 장비, 실험 및 평가 방식, 사용한 혼화제 특징을 기준으로 분류하여 조사하였다. 본 연구에서는 3D 프린팅 재료의 요구 성능을 정성적으로 유변학적 물성과의 연관성을 나타내었다. 이 연구의 결과로부터 점성은 주로 이송성과 관련이 있고 시간에 따른 항복응력의 변화, 틱소트로피는 3D 프린팅 시멘트계 재료의 적층 성능과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing techniques have been recently adopted in the construction industry. It mainly utilizes additive manufacturing which is the fabrication process depositing successive layers of materials without any formworks. Conventional cementitious materials may not be directly applicable to 3D printing because 3D printable cementitious materials is required to satisfy such characteristics as pumpability, extrudability, and buildability in a fresh state. This study aimed to investigate rheological properties and required performances of 3D printable cementitious materials, by reviewing existing studies. Test methods and equipments, evaluation results and characteristics of mixture additives were compared. Based on reviews of existing studies, this study indicates that the viscosity is mainly relevant to the pumpability of 3D printable materials whereas the yield stress and thixotropy are important in securing buildability of the materials.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Bingham model and Herschel-Bulkley model
표 Table 1. Required performances of cementitious materials for 3D printing(Buswell et al. 2018; Paul et al. 2018; Li et al. 2020)
표 Table 2. Viscosity of 3D printable cementitious materials in previous studies
표 Table 3. Rheological properties of cementitious materials(Banfill 1990)
표 Table 4. Yield stress of 3D printable cementitious materials in previous studies
표 Table 6. Thixotropy of 3D printable cementitious materials in previous studies
표 Table 5. Thixotropic behaviors in the printing process
표 Table 7. Relationships between rheological properties and required performances for 3D printing

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 3D 프린팅 시멘트계 재료가 굳지 않은 상태에서 충족되어야 할 요구 성능을 유변학적 접근을 통해 분석하였다. 유변학적 접근을 통해 3D 프린팅 시멘트계 재료의 물성 평가를 진행한연구들을 정리하여 사용된 혼화제 특징, 측정 장비 및 방식, 측정값들을 비교 분석하여 3D 프린팅 시멘트계 재료 요구 성능과 유변학적 물성의 상관관계를 나타내었다.
이 연구의 목적은 국내외의 3D 프린팅 시멘트계 재료의 유변학적 특성에 관한 연구 사례들을 비교 분석하여 3D 프린팅 시멘트계재료의 요구 성능과 유변학적 물성과의 연관성을 조사하는 것이다. 따라서 3D 프린팅 시멘트계 재료에서 고려되어야 할 유변학적 물성에 대해 간단하게 이론적 배경을 서술하였고 연구 사례들을 조사하고 비교 분석하였다.

제안 방법

정리한 것이다. 3D 프린팅 시멘트계 재료의 굳지 않은 상태 주요 요구 성능인 이송성, 토출성, 적층성, 유효토출시간과 유변학적 물성인 점성, 항복응력, 틱소트로피의 연관성을 분석하였다. 이송성과 관련하여 매우 높은 연관성을 가지는 유변학적 물성은 항복응력이며 3D 프린팅 재료가 이송관을 타고 믹서에서 프린터 노즐까지 흐를 수 있는 것이 선행되어야 추가로 재료 분리 등을 포함한 점성과 관련된 유변학적 물성을 고려할 수 있기 때문이다.
이 방식은 특정 시간마다응력성장시험를 수행하여 측정된 정적 항복응력 상승 추세를 재료의 재응집 구간(Re-flocculation)과 구조화 구간(Structuration)으로 나눈다. 각 구간에서 기울기를 구하고 3D 프린팅 구조물의 수학적 모델에 대입함으로써 3D 프린팅 출력물 설계에 활용하였다. 기존 연구들을 분석한 결과, 3D 프린팅 시멘트계 재료의 요구 특성 도출을 위해서 틱소트로피는 정량화의 관점보다는 배합 간 비교 분석 혹은 수학적 모델의 인자로써 설계에 활용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
따라서 3D 프린팅 시멘트계 재료에서 고려되어야 할 유변학적 물성에 대해 간단하게 이론적 배경을 서술하였고 연구 사례들을 조사하고 비교 분석하였다. 분석한 결과를 바탕으로 3D 프린팅시멘트계 재료의 굳지 않은 상태에서 유변학적 물성과 연관 지어 3D 프린팅 시멘트계 재료의 유변학적 요구 성능을 조사하였다.
따라서 3D 프린팅 시멘트계 재료에서 고려되어야 할 유변학적 물성에 대해 간단하게 이론적 배경을 서술하였고 연구 사례들을 조사하고 비교 분석하였다. 분석한 결과를 바탕으로 3D 프린팅시멘트계 재료의 굳지 않은 상태에서 유변학적 물성과 연관 지어 3D 프린팅 시멘트계 재료의 유변학적 요구 성능을 조사하였다.
유변학적 접근을 통해 3D 프린팅 시멘트계 재료의 물성 평가를 진행한연구들을 정리하여 사용된 혼화제 특징, 측정 장비 및 방식, 측정값들을 비교 분석하여 3D 프린팅 시멘트계 재료 요구 성능과 유변학적 물성의 상관관계를 나타내었다.

이론/모형

1은 대표적인 선형 모델인빙햄모델과 비선형 모델인 허쉘-버클리 모델을 나타낸다. 해석의 편리함을 이유로 굳지 않은 시멘트계 재료는 주로 가장 간단한 모델인 식 (1)에 해당하는 빙햄 모델을 통해 해석한다(Feys et al. 2008).

성능/효과

각 구간에서 기울기를 구하고 3D 프린팅 구조물의 수학적 모델에 대입함으로써 3D 프린팅 출력물 설계에 활용하였다. 기존 연구들을 분석한 결과, 3D 프린팅 시멘트계 재료의 요구 특성 도출을 위해서 틱소트로피는 정량화의 관점보다는 배합 간 비교 분석 혹은 수학적 모델의 인자로써 설계에 활용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
(2020)의 연구에서 나타나듯이 동적 항복 응력의 경우, 유변학 모델 선정에 따라 값이 다르다는 점이다. 또한 항복응력은 근본적으로 3D 프린터의 성능 및 구조에 따라 요구되는 정량적 수치가 상이하기 때문에 현실적으로 모든 3D 프린터에 적용되는 일원화된 요구 성능을 제시할 수 없고 각각의 3D 프린터에 적합한 항복응력의 값을 정량화하는 방향으로 연구가 진행되는 것이 타당할 것으로 판단된다.
점성은 프린팅 시 재료 분리 발생 및 이송성에 밀접하게 연관되어있었고, 항복응력과 틱소트로피는 토출성, 적층성, 유효토출 시간에 전반적으로 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.

후속연구

적층성을 위해서 유효토출 시간을 짧게 하는 것이 유리한 반면 이송성, 토출성과 관련해서는 길게 하는 것이 유리한 것으로 알려져 있다. 그러므로 출력 목표구조물에 따라 적절한 혼화제의 사용을 통해 유효토출시간을 적절히 제어할 수 있는 방법을 강구하는 방향으로 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다. 유효토출시간은 유변학적 물성들의 시간에 따른 변화 양상과 밀접한 연관이 있다.
2016). 따라서 프린팅 시간, 이송관의 총 거리 등을 종합적으로 고려하여 적합한 재료의 틱소트로피 거동을 예측 및 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다. Table 6은 3D 프린팅 시멘트계 재료의 틱소트로피 측정을 진행했던 연구 사례들을 요약한 것으로 정성적인 지표에 가까운 틱소트로피 특성상 틱소트로피의 정량화 방법이 다양함을 알 수 있다.
(2018)의 연구 결과인데 두 연구에서 동일한 레오미터 장비를 사용했음에도 불구하고 점성값은 매우 큰 편차를 보였다. 해당 결과로부터 3D 프린팅이 가능한 시멘트계 재료의 점성은 시멘트계 재료의 종류 혹은 배합에 따라 편차가 클 수 있을 것으로 판단된다.
직접 적용할 수 없다는 한계점이 존재한다. 향후 3D 프린팅시멘트계 재료의 요구 성능이 유변학적 물성값을 통하여 정량화되기 위해선 측정 및 평가 방식에 대한 표준 정립이 일차적으로 선행되어야 하고 3D 프린팅 요구 성능과 유변학적 물성의 상관관계에 대한 명확한 기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.
현재 연구자들마다 유변학적 물성에 대한 측정 장비, 실험 방식 및 평가 등이 통일되어있지 않아 기존 연구에서 측정된 값들을 비교 분석하여 얻은 유변학적 물성값을 3D 프린팅 시 요구되는 특성에 직접 적용할 수 없다는 한계점이 존재한다. 향후 3D 프린팅시멘트계 재료의 요구 성능이 유변학적 물성값을 통하여 정량화되기 위해선 측정 및 평가 방식에 대한 표준 정립이 일차적으로 선행되어야 하고 3D 프린팅 요구 성능과 유변학적 물성의 상관관계에 대한 명확한 기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.

참고문헌 (53)

Banfill, P.F.G. (1990). Rheology of Fresh Cement and Concrete: Proceedings of an International Conference, Liverpool, 1990. CRC Press.
Barnes, H.A. (2000). A Handbook of Elementary Rheology.
Barnes, H.A., Hutton, J.F., Walters, K. (1989). An Introduction to Rheology, 3, Elsevier.
Beaupre, D. (1994). Rheology of High Performance Shotcrete, Ph.d Thesis, University of British Columbia.
Buswell, R.A., De Silva, W.L., Jones, S.Z., Dirrenberger, J. (2018). 3D printing using concrete extrusion: a roadmap for research, Cement and Concrete Research, 112, 37-49.

상세보기
Chen, M., Yang, L., Zheng, Y., Huang, Y., Li, L., Zhao, P., Wang, S., Lu, L., Cheng, X. (2020). Yield stress and thixotropy control of 3D-printed calcium sulfoaluminate cement composites with metakaolin related to structural build-up, Construction and Building Materials, 252, 119090.

상세보기
Chidiac, S.E., Habibbeigi, F. (2005). Modelling the rheological behaviour of fresh concrete: an elasto-viscoplastic finite element approach, Computers and Concrete, 2(2), 97-110.

상세보기
Cho, S., Kruger, P.J., Zeranka, S., van Zijl, G.P.A.G. (2018). 3D printalbe concrete technology and mechanics. In Proceedings of the 19th Annual International RAPDASA Conference, 7-9.
Chua, C.K., Leong, K.F. (2014). 3D Printing and Additive Manufacturing: Principles and Applications(with Companion Media Pack) of Rapid Prototyping Fourth Edition, World Scientific Publishing Company.
De Larrard, F., Ferraris, C.F., Sedran, T. (1998). Fresh concrete: a herschel-bulkley material, Materials and structures, 31(7), 494-498.

상세보기
Dolz, M., Hernandez, M.J., Pellicer, J., Delegido, J. (1995). Shear stress synergism index and relative thixotropic area, Journal of pharmaceutical sciences, 84(6), 728-732.

상세보기
Dressler, I., Freund, N., Lowke, D. (2020). The effect Of accelerator dosage on fresh concrete properties and on interlayer strength in shotcrete 3D printing, Materials, 13(2), 374.

상세보기
Fares, G., Khan, M.I. (2019). Rheology and Its relation to strain-hardening properties of strain-hardening cement-based composites, ACI Materials Journal, 116(5).
Ferraris, C.F. (1999). Measurement of the rheological properties of high performance concrete: state of the art report, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 104(5), 461.

상세보기
Feys, D., Verhoeven, R., De Schutter, G. (2008). Fresh self compacting concrete, a shear thickening material, Cement and Concrete Research, 38(7), 920-929.

상세보기
Feys, D., Verhoeven, R., De Schutter, G. (2009). Why is fresh self-compacting concrete shear thickening?, Cement and concrete Research, 39(6), 510-523.

상세보기
Jo, J.H., Jo, B.W., Cho, W., Kim, J.H. (2020). Development of a 3D printer for concrete structures: laboratory testing of cementitious materials, International Journal of Concrete Structures and Materials, 14(1), 1-11.

상세보기
Jolin, M., Burns, D., Bissonnette, B., Gagnon, F., Bolduc, L.S. (2009). Understanding the Pumpability of Concrete.
Kazemian, A., Yuan, X., Cochran, E., Khoshnevis, B. (2017). Cementitious materials for construction-scale 3D printing: laboratory testing of fresh printing mixture, Construction and Building Materials, 145, 639-647.

상세보기
Khalil, N., Aouad, G., El Cheikh, K., Remond, S. (2017). Use of calcium sulfoaluminate cements for setting control of 3D-printing mortars, Construction and Building Materials, 157, 382-391.

상세보기
Khayat, K.H., Saric-Coric, M., Liotta, F. (2002). Influence of thixotropy on stability characteristics of cement grout and concrete, Materials Journal, 99(3), 234-241.

상세보기
Koehler, E.P., Fowler, D.W. (2004). Development of a Portable Rheometer for Fresh Portland Cement Concrete.
Kruger, J., Zeranka, S., van Zijl, G. (2019). 3D concrete printing: a lower bound analytical model for buildability performance quantification, Automation in Construction, 106, 102904.

상세보기
Le, T.T., Austin, S.A., Lim, S., Buswell, R.A., Gibb, A.G., Thorpe, T. (2012). Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete, Materials and Structures, 45(8), 1221-1232.

상세보기
Li, Z., Hojati, M., Wu, Z., Piasente, J., Ashrafi, N., Duarte, J.P., ... Radlinska, A. (2020). Fresh and hardened properties of extrusion-based 3D-printed cementitious materials: a review, Sustainability, 12(14), 5628.

상세보기
Lootens, D., Jousset, P., Martinie, L., Roussel, N., Flatt, R.J. (2009). Yield stress during setting of cement pastes from penetration tests, Cement and Concrete Research, 39(5), 401-408.

상세보기
Ma, G., Li, Z., Wang, L. (2018). Printable properties of cementitious material containing copper tailings for extrusion based 3D printing, Construction and building materials, 162, 613-627.

상세보기
Malaeb, Z., AlSakka, F., Hamzeh, F. (2019). 3D concrete printing: machine design, mix proportioning, and mix comparison between different machine setups, 3D Concrete Printing Technology, 115-136.
Moller, P.C., Mewis, J., Bonn, D. (2006). Yield stress and thixotropy: on the difficulty of measuring yield stresses in practice, Soft Matter, 2(4), 274-283.

상세보기
Nair, S.A., Alghamdi, H., Arora, A., Mehdipour, I., Sant, G., Neithalath, N. (2019). Linking fresh paste microstructure, rheology and extrusion characteristics of cementitious binders for 3D printing, Journal of the American Ceramic Society, 102(7), 3951-3964.

상세보기
Nerella, V.N., Mechtcherine, V. (2019). Studying the printability of fresh concrete for formwork-free concrete onsite 3D printing technology(CONPrint3D), 3D Concrete Printing Technology, 333-347.
Panda, B., Noor Mohamed, N.A., Paul, S.C., Bhagath Singh, G.V.P., Tan, M.J.,Savija, B. (2019). The effect of material fresh properties and process parameters on buildability and interlayer adhesion of 3D printed concrete, Materials, 12(13), 2149.

상세보기
Panda, B., Paul, S.C., Mohamed, N.A.N., Tay, Y.W.D., Tan, M.J. (2018). Measurement of tensile bond strength of 3D printed geopolymer mortar, Measurement, 113, 108-116.

상세보기
Panda, B., Unluer, C., Tan, M.J. (2018). Investigation of the rheology and strength of geopolymer mixtures for extrusion-based 3D printing, Cement and Concrete Composites, 94, 307-314.

상세보기
Paul, S.C., Tay, Y.W.D., Panda, B., Tan, M.J. (2018). Fresh and hardened properties of 3D printable cementitious materials for building and construction, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 18, 311-319.

상세보기
Paul, S.C., van Zijl, G.P., Tan, M.J., Gibson, I. (2018). A review of 3D concrete printing systems and materials properties: current status and future research prospects, Rapid Prototyping Journal.
Perrot, A., Rangeard, D., Pierre, A. (2016). Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques, Materials and Structures, 49(4), 1213-1220.

상세보기
Roussel, N. (2006). A thixotropy model for fresh fluid concretes: theory, validation and applications, Cement and concrete research, 36(10), 1797-1806.

상세보기
Roussel, N., Ovarlez, G., Garrault, S., Brumaud, C. (2012). The origins of thixotropy of fresh cement pastes. Cement and Concrete Research, 42(1), 148-157.

상세보기
Rubio, M., Sonebi, M., Amziane, S. (2017). 3D printing of fibre cement-based materials: fresh and rheological performances, Academic Journal of Civil Engineering, 35(2), 480-488.
Rushing, T.S., Stynoski, P.B., Barna, L.A., Al-Chaar, G.K., Burroughs, J.F., Shannon, J.D., ... Case, M.P. (2019). Investigation of concrete mixtures for additive construction, 3D Concrete Printing Technology, 137-160.
Schwartzentruber, L.A., Le Roy, R., Cordin, J. (2006). Rheological behaviour of fresh cement pastes formulated from a self compacting concrete(SCC), Cement and Concrete Research, 36(7), 1203-1213.

상세보기
Soltan, D.G., Li, V.C. (2018). A self-reinforced cementitious composite for building-scale 3D printing, Cement and Concrete Composites, 90, 1-13.

상세보기
Standard, A.S.T.M. (2013). F2792-12a: standard terminology for additive manufacturing technologies (ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012).
P. Jain, AM Kuthe, Feasibility Study of Manufacturing Using Rapid Prototyping: FDM Approach, Procedia Eng, 63, 4-11.

상세보기
Tattersall, G.H. (1991). Workability and Quality Control of Concrete, CRC Press.
Ukraincik, V. (1980). Study of fresh concrete flow curves, Cement and Concrete Research, 10(2), 203-212.

상세보기
Wangler, T., Lloret, E., Reiter, L., Hack, N., Gramazio, F., Kohler, M., ... Flatt, R. (2016). Digital concrete: opportunities and challenges. RILEM Technical Letters, 1, 67-75.

상세보기
Yim, H.J., Kim, J.H. (2014). Physical characterization of cementitious materials on casting and placing process, Materials, 7(4), 3049-3064.

상세보기
Young, J.F., Mindess, S., Darwin, D. (2002). Concrete, Prentice Hall.
Zareiyan, B., Khoshnevis, B. (2018). Effects of mixture ingredients on extrudability of concrete in Contour Crafting, Rapid Prototyping Journal.
Zhang, Y., Zhang, Y., Liu, G., Yang, Y., Wu, M., Pang, B. (2018). Fresh properties of a novel 3D printing concrete ink, Construction and Building Materials, 174, 263-271.

상세보기
Zhang, Y., Zhang, Y., She, W., Yang, L., Liu, G., Yang, Y. (2019). Rheological and harden properties of the high-thixotropy 3D printing concrete, Construction and Building Materials, 201, 278-285.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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