KR101620074B1

KR101620074B1 - 3d 프린팅용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101620074B1
Application number: KR1020150043179A
Authority: KR
Inventors: 전진용; 서대석
Original assignee: 동산콘크리트산업(주)
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-05-13

Abstract

본 발명은 3D 프린팅용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 12.1 ~ 15.2%의 결합재와, 조성물 전체 부피의 29.8 ~ 32.3%의 잔골재와, 조성물 전체 부피의 34.6~ 40.8%의 굵은 골재와, 조성물 전체 부피의 0.32 ~ 0.48 %의 콘크리트용 섬유와, 조성물 전체 부피의 0.04 ~ 0.08 %의 혼화제와, 조성물 전체 부피의 3.2 ~ 4.3%의 미생물 배양액과 조성물 전체 부피의 6.8 ~ 14.7%의 물과 잔량으로서 공기를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 지속적인 공급과 흐름에 의한 변형이 적고, 안정화 시간이 짧아 3D 프린팅을 통한 콘크리트의 제조가 용이하도록 할 뿐만 아니라, 제조된 콘크리트 2차 제품 또는 성형물의 품질 특성을 만족하는 강도, 내구성 및 친환경적인 특성을 갖출 수 있고, 결합재, 골재, 섬유, 혼화제, 미생물 배양액 및 물의 혼합 비율이 일반적인 콘크리트 조성물과 다르게 특정 비율로 한정됨에 따라 공급 및 흐름에 따른 변형이 적고, 안정화 시간이 짧아질 수 있게 되며, 미생물 배양액이 첨가되어 친환경적인 특성을 갖출 수 있게 되고, 더 나아가, 섬유소재로서 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, 셀롤로우즈 섬유 등을 사용하고, 혼화제로서 수축저감제, 고유동화제가 특정 비율로 혼합되어 사용됨에 따라 강도 및 내구성과 3D 프린터를 이용한 성형성이 우수해질 수 있게 된다.

Description

3D 프린팅용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법{Concrete composition for 3D Printing, Concrete and Manufacturing Method of the Concrete using it}

본 발명은, 3D 프린팅용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법에 관한 것으로, 3D 프린팅에 적합하게 지속적인 공급과 흐름에 의한 변형이 적고, 안정화 시간이 짧아 3D 프린팅을 통한 콘크리트의 제조가 용이록 할 뿐만 아니라, 제조된 콘크리트 2차 제품 또는 성형물의 품질 특성을 만족하는 강도, 내구성 및 친환경적인 특성을 갖출 수 있도록 한, 3D 프린팅용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅(3D printing)은 최근 각광받고 있는 제조기술로서, 플라스틱 액체 혹은 기타 원료를 사출하거나 적층, 응고시켜 3차원 형태의 고체 제품을 제작하는 기술을 말하며, 전통적인 재료 가공 기술에 비해 속도, 가격, 사용 편리성 등 다양한 측면에서 우위를 나타내고 있다.

3D 프린팅은 원료에 따라 액체, 파우더, 고체로 나뉘며, 레이저, 열, 빛 등의 소스를 기반으로 응고/적층하는 다양한 방식이 존재하는데, 3D 프린팅 방식은 현재까지 다양하게 개발되어 왔으며 각각의 방식은 제품 제작에 있어 장단점을 가지고 있다.

3D 프린팅 방식은 각각의 분야마다 다른 형태의 방식이 사용될 수 있으며, 크게 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3d printing), LOM(Laminated Object Manufacturing) 등의 방식으로 구분될 수 있다.

일반적으로는, 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송릴을 통해 공급하고, 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치 조절되는 3차원 이송기구에 장착된 히터노즐에서 용융시켜서 배출함으로써, 2차원 평면형태를 만들면서 이를 작업대 상에 한 층씩 적층하여 3차원으로 성형하는 용융 수지 압출 조형 방법(FDM)이 널리 사용되고 있다.

이렇게 압출헤드에서 나오는 응고성 모델링 재료의 층을 융착시켜 3차원 모델을 제조하는 방법 및 장치의 예는 기존의 특허에서 많이 찾아볼 수 있으며, 예컨대 미국특허 제5,121,329호에 기술된 바와 같이 고체 막대 형태나 공급릴 상에 감긴 유연 필라멘트 형태로 압출 헤드에 공급될 수 있다. 이때, 압출헤드는 응고시 적당한 결합으로 앞의 층에 접착하는 응고성 재료를 사용하며, 열가소성 재료가 이러한 용융 적층에 특히 적당한 것으로 알려져 주로 사용되고 있다.

한편, 각종 건축 및 토목 구조물의 구조체로 사용되는 콘크리트는 물과 시멘트, 모래 등이 섞여있는 물질로서, 시멘트가 물과 반응하여 굳어지는 수화반응을 이용하는데, 3D 프린팅 기법으로 별도 거푸집 없이 다양한 형상의 콘크리트를 제조하고자 할 경우 압출헤드에서 압출되는 속도에 비해 콘크리트의 응고 속도가 느려서, 3D 프린터에 의한 3D 형상 제작시간이 응고속도에 큰 영향을 받게 된다.

즉, 3D 프린터의 압출헤드는 빠른 속도로 움직이면서 콘크리트를 압출하게 되나, 압출된 콘크리트의 응고에 상당한 시간이 소요되는 관계로, 완전히 응고되지 않은 층 위로 다시 콘크리트가 압출되는 경우, 제품의 형상이 뭉개지는 문제가 있다.

한편, 한 층을 적층하고 완전히 응고되기를 기다린 후, 다시 그 위의 층을 적층하는 방식으로 작업을 진행하는 경우에는, 작업 시간이 현저하게 증가되어 생산성이 저하되는 문제가 있다.

그밖에 콘크리트를 제조하기 위해서는 그 지속적인 공급이 가능해야 하고, 흐름에 의한 변형이 적어야 되며, 적층을 위한 안정화 시간이 짧아야 하고, 제조된 제품이 콘크리트 2차 제품의 기본적인 품질 특성을 만족할만한 강도, 내구성을 만족시켜야 하며, 여기에 더하여 근래에 요구되는 친환경적인 특성까지 만족해야 하는 바, 3D 프린팅 기법을 통해 콘크리트를 제조하는 데 많은 어려움이 있다.

이러한 다양한 문제점으로 인해 "3D 프린팅 장치 및 방법, 이를 이용한 방파제 단위 유닛 제조 방법"(한국 등록특허공보 제10-1479900호, 특허문헌 1)은 콘크리트의 제조에 적합하도록 프린팅시 마이크로 웨이브를 조사하여 경화 시간을 촉진시키도록 한 프린트 장치가 제안된 바 있다.

하지만, 상기와 같은 기술은 전용 프린터를 구비해야 하는 문제점이 있다.

KR 10-1479900 (2014.12.30) KR 10-0503948 (2005.07.18)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 지속적인 공급과 흐름에 의한 변형이 적고, 안정화 시간이 짧아 3D 프린팅을 통한 콘크리트의 제조가 용이하도록 할 뿐만 아니라, 제조된 콘크리트 2차 제품 또는 성형물의 품질 특성을 만족하는 강도, 내구성 및 친환경적인 특성을 갖출 수 있게 하려는 것이다.

보다 구체적으로, 결합재, 골재, 섬유, 혼화제, 미생물 배양액 및 물의 혼합 비율이 일반적인 콘크리트 조성물과 다르게 특정 비율로 한정됨에 따라 공급 및 흐름에 따른 변형이 적고, 안정화 시간이 짧아질 수 있게 하려는 것이다.

또, 미생물 배양액이 첨가되어 친환경적인 특성을 갖출 수 있게 하려는 것이다.

더 나아가, 섬유소재로서 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, 셀롤로우즈 섬유 등을 사용하고, 혼화제로서 수축저감제, 고유동화제가 특정 비율로 혼합되어 사용됨에 따라 강도 및 내구성과 3D 프린터를 이용한 성형성이 우수해질 수 있게 하려는 것이다.

본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 12.1 ~ 15.2%의 결합재와, 조성물 전체 부피의 29.8 ~ 32.3%의 잔골재와, 조성물 전체 부피의 34.6~ 40.8%의 굵은 골재와, 조성물 전체 부피의 0.32 ~ 0.48 %의 콘크리트용 섬유와, 조성물 전체 부피의 0.04 ~ 0.08 %의 혼화제와, 조성물 전체 부피의 3.2 ~ 4.3%의 미생물 배양액과 조성물 전체 부피의 6.8 ~ 14.7%의 물과 잔량으로서 공기를 포함하여 구성된다.

아울러, 상기 섬유는 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, 셀룰로오스 섬유 중 선택된 1종 또는 2 내지 3종의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 상기 혼화제는 수축저감제, 고유동화제가 1 : 1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트의 제조 방법은 3D 프린팅용 콘크리트 조성물을 원료로 하여 3D 프린터로 공급하되, 상기 결합재 100 부피비를 기준으로 0.1 ~ 3 부피비의 급결재를 추가로 공급하여 성형물을 제조하는 성형단계와; 제조된 성형물을 습도 80 ~ 90%, 온도 10 ~ 50℃의 조건으로 3D 프린터 내부 또는 양생실에서 12 ~ 24시간 동안 습윤 양생한 후, 기건 상태로 상온에서 양생시키는 양생단계;를 포함하여 구성된다.

본 발명의 콘크리트는 상기 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 지속적인 공급과 흐름에 의한 변형이 적고, 안정화 시간이 짧아 3D 프린팅을 통한 콘크리트의 제조가 용이하도록 할 뿐만 아니라, 제조된 콘크리트 2차 제품 또는 성형물의 품질 특성을 만족하는 강도, 내구성 및 친환경적인 특성을 갖출 수 있게 된다.

보다 구체적으로, 결합재, 골재, 섬유, 혼화제, 미생물 배양액 및 물의 혼합 비율이 일반적인 콘크리트 조성물과 다르게 특정 비율로 한정됨에 따라 공급 및 흐름에 따른 변형이 적고, 안정화 시간이 짧아질 수 있게 된다.

또, 미생물 배양액이 첨가되어 친환경적인 특성을 갖출 수 있게 된다.

더 나아가, 섬유소재로서 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, 셀롤로우즈 섬유 등을 사용하고, 혼화제로서 수축저감제, 고유동화제가 특정 비율로 혼합되어 사용됨에 따라 강도 및 내구성과 3D 프린터를 이용한 성형성이 우수해질 수 있게 된다.

도 1은 고로슬래그 미분말의 전자현미경 사진.
도 2는 셀룰로오스 섬유의 전자현미경 사진.

이하, 본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트와 그 제조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물은 12.1 ~ 15.2%의 결합재와, 조성물 전체 부피의 29.8 ~ 32.3%의 잔골재와, 조성물 전체 부피의 34.6~ 40.8%의 굵은 골재와, 조성물 전체 부피의 0.32 ~ 0.48 %의 콘크리트용 섬유와, 조성물 전체 부피의 0.04 ~ 0.08 %의 혼화제와, 조성물 전체 부피의 3.2 ~ 4.3%의 미생물 배양액과 조성물 전체 부피의 6.8 ~ 14.7%의 물과 잔량으로서 공기를 포함하여 구성되어 있다.

결합재는 통상적으로 사용되는 시멘트로 구성될 수 있다.

하지만, 미생물 배양액의 흡착 및 생존 공간 확보를 위한 공극 확보 차원으로 산업부산물이 시멘트와 혼합되어 구성됨이 보다 바람직하다.

적용 가능한 산업부산물의 예로는 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 중 선택된 어느 하나 또는 2 내지 3종의 혼합물로 구성될 수 있다.

시멘트와 산업부산물의 혼합비는 부피비로 2 ~ 3 : 1 정도가 바람직하다.

도 1은 고로슬래그 미분말의 전자현미경 사진이다.

도면에 나타난 바와 같이 산업부산물에는 다수의 공극이 형성되어 있어 유용 미생물이 흡착 및 생존 공간을 확보해줄 수 있게 된다.

굵은 골재는 제조된 콘크리트의 압축강도를 높여주고 내구성을 연장해주는 역할을 하게 되며, 한국산업규격 KSF2523에 따라 5mm 체에 걸려져서 남는 것을 의미한다.

그런데, 본 발명에서는 3D 프린팅을 전제로 하는 바, 3D 프린터의 노즐 내부를 원할하게 통과할 정도의 크기로 최대 크기가 제한됨이 보다 바람직하다.

이를 위해 본 발명의 굵은 골재는 5mm 체에 걸러지는 조건과 더불어 15mm 체를 통과시키는 크기 즉, 5 ~ 15mm 사이의 크기를 갖는 것으로 제한됨이 보다 바람직하다.

아울러, 골재 역시 공극률이 높은 다공성을 보유한 골재로 구성되어 유용 미생물이 흡착 및 생존 공간 확보가 용이하도록 함이 바람직하다.

이를 위해 굵은 골재는 부순돌이나 순환골재 70 ~ 50 부피%,, 다공질 천연 화산석 30 ~ 50 부피%로 구성됨이 바람직하다.

잔골재는 5mm 체에 전량 통과하는 크기로 이루어져 있으며, 부순돌이나 모래로 이루어질 수 있다.

보다 바람직하기로는 버텀애시 및 슬래그 골재가 전체 부피의 30 ~ 50%가 되도록 혼합되어 이루어짐이 바람직하다.

콘크리트용 섬유는 통상적으로 인장에 대한 저항을 높이기 위해 사용되는 재료로 강섬유나 셀룰로오스 등이 주로 사용된다.

본 발명에서 콘크리트용 섬유는 종래와 같은 인장에 대한 저항을 높이는 것은 물론, 유용 미생물의 흡착 및 생존성 증대를 도와주는 역할을 하도록 하였다.

또, 본 발명에서는 굵은 골재의 입도 상한 제한에 따라 굵은 골재를 통한 내구성 및 압축강도 향상에 제한이 걸리는 점을 극복하고자, 상술한 굵은 골재를 다공성 재질로 구성함과 더불어, 이 미세 공극을 통해 친수성 섬유가 용이하게 결합되도록 하여 굵은 골재의 기능을 강화시키고자 하였다.

이를 위해 본 발명에서 사용되는 섬유는 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, 셀룰로오스 중 선택된 어느 하나로 이루어지거나, 보다 바람직하기로는 세 섬유가 1 : 1 : 1의 부피 비로 혼합되어 이루어짐이 바람직하다.

상기 섬유 중 유리섬유와 폴리프로필렌 섬유는 강도를 높여주는 역할을 주로 하며, 흡습성이 없는 것으로 알려져 있다.

반면, 셀룰로오스 섬유는 친수성 섬유며 상기 유리섬유나 폴리프로필렌 섬유보다 강도가 작은 반면, 유연하고, 친환경적인 특징을 갖는다.

본 발명에 사용되는 섬유 중 유리섬유와 폴리프로필렌 섬유는 콘크리트 강도 증대 역할을 주로 하게 되고, 셀룰로오스 섬유는 유용 미생물의 흡착 및 생존성 증대에 주요한 역할을 하게 된다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이 친수성 섬유에는 다수의 공극이 형성되어 있어 유용 미생물의 흡착 및 생존 공간을 확보해줄 수 있게 된다.

아울러, 상기한 섬유는 그 길이를 2.5 ~ 3.0mm로 한정하고, 직경은 0.014 ~ 0.016mm의 범위를 갖도록 하여 다공성의 골재 및 혼합 과정에서 공극을 원할히 형성하여 유용 미생물의 정착을 유도하고, 생존 공간을 마련할 수 있도록 해줌이 보다 바람직하다.

본 발명에서 혼화제는 상술한 구성요소들과 함께 사용되어 3D 프린터 내부에서의 흐름에 따른 변형을 줄여주고, 안정화 시간을 짧게 해주는 역할을 한다.

이를 위해 본 발명에서 혼화제는 통상적인 콘트리트 제조에 사용되는 혼화제와는 다르게 수축저감제, 고유동화제가 1 : 1의 중량비로 혼합되어 구성됨이 바람직하다.

수축저감제는 통상적으로 팽창제로 불리기도 하는데, 묽은 콘크리트의 응결 및 경화 과정에서 발생하는 수축에 의한 균열 저감을 목적으로 사용한다.

본 발명에서 수축저감제는 석회석과 코크스가 1 : 1 ~ 2의 중량비로 혼합된 혼합물로 구성될 수 있다.

고유동화제는 콘크리트 조성물의 유동성을 높여 치기 다지기 등의 시공성과 노즐을 통한 압송이 용이하게 해주며, 조기 강도를 높여주게 된다.

고유동화제로는 분산제인 리그닌술포네이트계 화합물, 폴리멜라민술포네이트계 화합물, 폴리나프탈렌술포네이트계 화합물, 폴리카르본산계 화합물 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

즉, 고유동화제는 초기 콘크리트 조성물의 유동성을 높여 압송 및 3D 프린터 내부의 공급관 및 노즐을 콘크리트 조성물이 용이하게 통과할 수 있도록 해주며, 이러한 고유동화제의 사용에 따라 수축에 의한 균열을 수축저감제를 통해 방지하고, 후술하는 급결제를 통해 노즐을 통해 분사된 콘크리트 조성물이 신속하게 응결되어 경화되어 유지가 원할히 이루어질 수 있게 해주는 것이다.

미생물 배양액은 본 출원인이 출원하여 선등록받은 등록특허 제994335호와 같이 악취제거, 유해물질의 흡착 및 분해작용, 항균작용이 우수하고 양생과정에서의 온도 변화에 따른 생육환경 변화에 영향이 적은 미생물을 선택적으로 배양한 호염기성 바실러스계 미생물들과 배양액을 1 : 2의 중량비로 혼합되어 배양된 것을 사용할 수 있다.

이때, 사용 가능한 미생물은 Bacillus flexus, Bacillus flexus, Bacillus firmus, Bacillus firmus, Brevibacillus agri, Bacillus circulans, Lactobacillus farraginis, Bacillus firmus, Bacillus flexus, Bacillus circulans, Bacillus flexus 등이 있으나, 바실러스 퍼머스(bacillus firmus) 계통의 호염기성 미생물이 가장 바람직하다.

물은 조성물 전체 부피의 6.8 ~ 14.7%로 구성되는데, 이는 통상의 콘크리트 조성물 조성에 비해 과량으로 구성된다.

이는, 상술한 바와 같이 3D 프린터 내부로 콘크리트 조성물이 유입, 이동 및 분사되는 과정에서 일반 콘크리트 조성물에 비해 점도가 낮으면서 유동이 용이하게 될 수 있게 하기 위함이다.

본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트 제조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

1. 성형단계

상기와 같은 조성을 갖는 본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물을 원료로 하여 3D 프린터로 공급하되, 상기 결합재 100 부피비를 기준으로 0.1 ~ 3 부피비의 급결재를 추가로 공급하여 일정한 형상의 성형물을 성형한다.

일때의 3D 프린터는 릴을 통한 공급하는 방식보다는 노즐을 통해 분사, 적층시키는 형태가 바람직하다 할 것이다.

급결제는 시멘트의 응결을 촉진시키는 것으로 액상의 실리케이트계, 알루미네이트계, 알칼리프리계, 분말형의 시멘트 광물계 중 1종을 선정하여 사용될 수 있다.

그 예로는 염화 칼슘, 물 유리, 탄산 나트륨, 규소 불산염류 등이 있다.

급결제는 초기 강도를 증대시키므로 일반 콘크리트 타설 후 초기 강도를 높여 거푸집을 빨리 철거할 수 있게 해주는 역할을 하며, 통상적으로 동계에 콘크리트 타설이 가능하게 해준다.

본 발명에서는 응결 촉진을 통해 초기 강도를 높여주는 급결제를 사용함으로써 초기 강도를 높여 3D 프린터의 노즐로 분사된 콘크리트 조성물이 빠른 시간에 경화가 이루어지도록 하여 3D 프린터 내부에서 순차적으로 분사되어 형성된 형태가 콘크리트 조성물 특유의 유동성에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있도록 하였다.

특히, 급결제의 공급 시점이 3D 프린터 내부에서 노즐을 통한 분사 직전에 이루어지도록 함으로써 콘크리트 조성물이 3D 프린터 내부에 위치하는 동안 응결되지 않게 하여 내부 관로에 들러붙어 고착되는 현상을 방지하여 3D 프린터의 고장을 방지할 수 있게 된다.

2. 양생단계

제조된 성형물을 습도 80 ~ 90%, 온도 10 ~ 50℃의 조건으로 3D 프린터 내부 또는 양생실에서 12 ~ 24시간 동안 습윤 양생한 후, 기건 상태로 상온에서 양생시킨다.

이하에서는 본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트에 대해 실시예 및 비교예를 들어 설명하기로 한다.

<실시예 1> 3D 프린팅용 콘크리트의 제조

130ℓ의 시멘트를 준비하고, 잔골재 300ℓ, 굵은 골재 370ℓ를 준비하였다.

섬유는 셀룰로오스 섬유 4.5ℓ를 준비하였다.

시중에 판매되는 일반 혼화제를 구입하여 6ℓ 준비하였다.

그런 다음 바실러스 퍼머스 계 유용미생물을 배양액과 1 : 2의 중량비로 혼합한 후 배양하여 미생물 배양액을 준비한 후, 계량하여 40ℓ를 준비하였다.

그런 다음 물 130ℓ를 혼합하고, 잔량의 공기를 포함하여 총 1,000ℓ의 콘크리트 조성물을 제조하였다.

분사 적층형 3D 프린터(스트라타시스 메이커봇 리플리케이터)를 준비하여 제조된 콘크리트 조성물을 원료로 공급하여 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체 형태로 제조하였다.

이때, 3D 프린터의 내부로 급결제로 염화칼슘 1.3ℓ를 공급하면서 성형하였다.

제조 과정에서 3D 프린터에서는 원할하게 원료 공급이 이루어졌으며, 원할하게 공시체가 제조되는 것을 육안으로 확인하였다.

<실시예 2> 3D 프린팅용 콘크리트의 제조

결합제로 93ℓ의 시멘트와 37ℓ의 고로슬래그 미분말을 준비하였다.

그리고, 잔골재 300ℓ를 준비하고, 굵은 골재로 순환골재 200ℓ, 천연 화산석 170ℓ를 혼합하여 준비하였다.

섬유로 유리섬유 1.5ℓ, 폴리프로필렌 섬유 1.5ℓ, 셀룰로오스 섬유 1.5ℓ를 혼합하여 총 4.5ℓ를 준비하였다.

혼화제로 석회석과 코크스가 1 : 1의 중량비로 혼합된 수축저감제, 폴리나프탈렌술포네이트계 화합물로 이루어진 고유동화제를 1: 1의 중량비로 혼합하여 총 6ℓ의 혼화제를 준비하였다.

<비교예 1>

100ℓ의 시멘트, 잔골재 300ℓ, 굵은 골재 370ℓ, 일반 혼화제 3ℓ, 물 200ℓ, 잔량의 공기를 포함하여 총 1,000ℓ의 콘크리트 조성물을 제조하였다.

분사 적층형 3D 프린터를 준비하여 제조된 콘크리트 조성물을 원료로 공급하여 공시체 성형을 시도하였다.

그 결과, 3D 프린터에서는 원할하게 원료 공급이 이루어지지 않아 공시체 제조가 실패하였다.

<실험예 1> 압축강도 측정

실시예 1, 2의 콘크리트를 공시체로 제조하여 각 재령에 따라 KS F 2405 '콘크리트 압축강도 시험방법에 준하여 압축강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.

단위는 MPa이다.

대상	7일후	14일후	21일후	28일후	35일후
실시예 1	8.43	13.32	28.10	28.15	28.12
실시예2	8.45	15.57	33.20	33.42	33.35

압축강도를 고찰하여 보면 실시예1, 2의 압축강도가 21일 후 28 MPa 이상을 나타내어 적절한 강도를 갖는 것으로 판단되었으며, 특히 실시예2의 경우 압축강도가 더 높은 것으로 나타났다.

<실험예 2> 휨강도 측정

실시예 1, 2의 콘크리트를 가로 세로 15cm, 높이 55cm의 보 공시체로 제조하여 재령 28일에서 KCI-SF-104 "섬유보강 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 시험방법"에 준하여 측정하여 표 2에 나타냈다.

단위는 MPa이다.

대상	휨강도
실시예 1	6.6
실시예2	7.1

휨강도 역시 실시예 1, 2 역시 충분한 강도를 가졌으며, 특히 실시예2가 다소 높게 나타났다.

<실험예 3> 내화학성 측정

상기의 실시예1, 2의 콘크리트를 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하여 재령 28일 후 공시체를 1%의 황산 용액에 50일간 침지시켜 경과 시간에 따른 중량 변화율을 측정하여 표 3에 나타내었다.

단위는 %이다.

대상	10일후	20일후	30일후	40일후	50일후
실시예 1	99.83	94.15	86.26	83.22	80.52
실시예 2	99.85	95.98	89.98	87.54	85.12

실험결과를 살펴보면 50일까지 중량변화율이 비교예1의 경우 80.52%, 실시예1의 경우 85.12%로 실시예2가 실시예1에 비하여 약 5%정도 내화학성이 향상된 것으로 나타났다.

이는 고로슬래그 미분말의 경우 콘크리트 중에서 Ca(OH)2와 반응해 C-S-H겔을 형성하기 때문에 Ca(OH)2와 황산염 반응에 의한 팽창성 수화물의 생성량을 저감할 수 있어 보통의 콘크리트에 비해 내화학성이 증가하는 것으로 판단된다.

<실험예 4> 동결융해 실험

상기의 콘크리트를 가로, 세로 10cm, 높이 40cm의 공시체로 제작하여 재령 28일에서 KS F 2456:2008 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법 중 방법 B에 준하여 동결융해실험을 실시하여 250 싸이클 후의 중량변화율을 측정하여 표에 나타내었다.

단위는 %이다.

대상	50사이클	100사이클	150사이클	200사이클	250사이클
실시예 1	99.83	88.64	79.32	75.34	70.86
실시예 2	99.85	88.98	81.35	77.84	75.24

실험결과를 고찰하여 보면 고로슬래그미분말의 높은 분말도 및 잠재수경성으로 인한 콘크리트 내부의 큰 공극이 작아지고 미세한공극으로 고르게 분포되면서 콘크리트 내부의 공극수가 동결융해를 반복하여 발생되는 동해에 대한 저항성이 향상된 것으로 판단된다.

<실험예 5> 수질 정화 실험

상기 실시예 1 내지 2의 콘크리트를 가로, 세로 30cm, 높이 10cm로 준비하여 재령 28일부터 탄소 : 질소 : 인이 150 : 50 : 1의 농도가 되도록 염화암모늄과 제2인산나트륨 등의 성분비를 조정한 인공오수를 순환시키는 수로에 설치하여 분당 20 ㎖의 유량으로 순환시키고 일조 조건은 실외의 상황과 유사하게 형광등을 사용하여 6000룩스의 빛을 12시간 간격으로 점등과 소등을 반복하면서 20 ± 2℃로 유지된 항온실에서 1일, 10일, 50일, 100일, 200일, 400일, 600일에 종합수질측정기로 정화된 물의 총질소량(T-N), 총인량(TP)을 측정하였다.

인공오수의 성분은 리터당 염화암모늄 7.8mg, 제2인산나트륨 1.7mg, 염화칼륨 1.5mg, 황산나트륨 1.9mg으로 측정되었다.

실험결과는 아래 표 6에 나타냈다.

비교 대상	경과일수에 따른 소거율
	1일		10일		50일		100일		200일		400일		600일
	T-N	T-P	T-N	T-P	T-N	T-P	T-N	T-P	T-N	T-P	T-N	T-P	T-N	T-P
실시예1	68.2	46.2	74.6	80	74.8	77.6	80.5	83.6	83.2	84.6	86.4	86.1	85.4	85.4
실시예2	64.5	45.3	72.9	76	73.2	80.5	77.2	79.8	84.3	86.7	83.7	84.9	82.5	84.7

표에서 소거율의 단위는 (%)이다.

표 5와 같은 인공오수의 성분을 갖는 담수중의 인공오수에서의 총질소량과 총인의 감소량을 측정한 결과 수질정화 효과가 우수한 것으로 나타났다.

이상, 살펴본 바와 같이 본 발명의 3D 프린팅용 콘크리트는 제조 과정에서 3D 프린터로 공급되어 기계 파손을 일으키지 않은 채 원할하게 콘크리트 성형이 이루어졌으며, 이를 통해 제조된 콘크리트는 충분한 압축강도, 휨강도를 가지며, 수질 정화 효과까지 갖는 것으로 나타났다.

본 발명의 콘크리트는 각종 구조재, 내외장재와 같은 건축, 토목 재료로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 생활, 사무 물품으로 사용될 수도 있으며, 수질정화 용도로 사용될 수도 있다 할 것이다.

Claims

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3D 프린팅용 콘크리트 조성물에 있어서,
12.1 ~ 15.2%의 결합재와, 조성물 전체 부피의 29.8 ~ 32.3%의 잔골재와, 콘크리트 조성물 전제 부피의 34.6~ 40.8%의 굵은 골재와, 조성물 전체 부피의 0.32 ~ 0.48 %의 콘크리트용 섬유와, 조성물 전체 부피의 0.04 ~ 0.08 %의 혼화제와, 조성물 전체 부피의 3.2 ~ 4.3%의 미생물 배양액과 조성물 전체 부피의 6.8 ~ 14.7%의 물과 잔량으로서 공기를 포함하여 구성되되,
상기 섬유는 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, 셀룰로오스 섬유 중 선택된 1종 또는 2 내지 3종의 혼합물로 이루어져 있으며,
상기 혼화제는 수축저감제, 고유동화제가 1: 1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는,
3D 프린팅용 콘크리트 조성물.
콘크리트의 제조 방법에 있어서,
제 3항의 3D 프린팅용 콘크리트 조성물을 원료로 하여 3D 프린터로 공급하되, 상기 결합재 100 부피비를 기준으로 0.1 ~ 3 부피비의 급결재를 추가로 공급하여 성형물을 제조하는 성형단계와;
제조된 성형물을 습도 80 ~ 90%, 온도 10 ~ 50℃의 조건으로 3D 프린터 내부 또는 양생실에서 12 ~ 24시간 동안 습윤 양생한 후, 기건 상태로 상온에서 양생시키는 양생단계;를 포함하여 구성된,
3D 프린팅용 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트의 제조 방법.
제 4항의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는,
3D 프린팅용 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트.