KR102479552B1 - 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 시멘트 100중량부에 대하여, 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 재료하여 3D프린터에 의해 제조되는 격자구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 제조되는 경량골재 110~160중량부; 물/바인더 비율이 35~45%을 유지하도록 혼합되는 물 45~55중량부; 상기 시멘트와 혼합되어 바인더를 이루는 플라이애시 20~30중량부; 및 잔골재 180~220중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법 {Concrete with lightweight aggregate having lattice structure and method of manufacturing the same}
본 발명은 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 소재로 사용하여 3D프린팅된 격자 구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 격자구조 경량골재를 제조하여 단위중량을 감소시키고, 압축강도를 유지 또는 향상시킬 수 있는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
국내외적으로 건설산업에서 3D 프린팅(3D printing)을 활용한 철근 콘크리트 주택 및 교량, 터널에 대한 관심이 집중되고 있고, 일반적인 고합성 수지, 플라스틱 3D 프린터와 달리 철근 콘크리트 건설용 3D 프린터는 주택 등과 같은 대상 구조물의 실제 크기에 따라 대용량의 콘크리트 모르타르를 배합할 수 있는 믹서(재료 공급부)에서 펌프로 연결호스로 주입하여, 노즐부에서 콘크리트 모르타르를 압출, 타설, 적층 프린트하면서, 콘크리트 모르타르의 형상을 유지할 수 있는 조기 경화를 촉진하기 위해 급결제 같은 다양한 화학적 시멘트 혼화재료를 사용하고 있다.
그러나 3D 프린팅 콘크리트 모르타르 적층 시 양생, 경화 시간 조절 실패로 콘크리트 모르타르가 유동성이 상실(균열, 갈라짐)되거나, 밑에 층이 경화 부족으로 위층 타설시 붕괴되는 현상이 발생하기도 한다.
한편, 콘크리트 시멘트 모르타르는 시멘트와 물, 모래, 자갈의 혼합재료로서, 배합 단계에서 시멘트와 물이 화학반응으로 수화발열하면서 수화반응으로 에트링 자이트나 C-S-H와 같은 수화생성물이 생성되어 응결과정을 거쳐 장시간 28일 표준양생기간을 넘어 경화하여 혼합된 골재를 바인딩 하면서 압축강도를 발현하고, 콘크리트의 부족한 인장력을 보강하기 위해 철근을 사용하고 있다..
그러나 국내외 대부분 3D 프린팅 콘크리트의 경우 프린터 노즐의 민감도 및 기계적 마모 등으로 실제 공사용 자갈(시방서 일반 골재 25mm, 댐콘크리트 골재 100mm, 레미콘 경우 19mm 골재)이 없는 시멘트 풀 상태의 시멘트 페이스트 모르타르를 적용하여 실제 구조물의 콘크리트 압축 및 인장강도 발현에 큰 장애가 되고 있다.
다시 말하면, 대부분의 건설용 3D 프린터는 미세한 기계적 장치로, 일반 모래나 골재가 없는 시멘트, 물 페이스트 상태에서 응집력 보강을 위해 복합섬유나 집섬(gypsum) 등을 사용하거나, 고분자 계열의 특수 시멘트를 사용하여 일반 골재와 철근이 복합된 일반 철근 콘크리트 구조물에는 3D 프린팅의 시공상 한계점을 드러내고 있다.
또한, 철근 콘크리트 구조물의 철근을 조립하는 방법으로 철선을 프린터로 용융압출 프린팅하거나, 프린터로 콘크리트 외벽 단면을 적층한 후 철근을 삽입하는 방법을 사용하지만 경제성과 철근의 역학적 위치에 따른 인장력 정착 실패로 대부분 철근이 없는 시멘트 모르타르의 3D 프린팅에 한정되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층방법이 개발되었으며, 종래기술에 따른 콘크리트 적층방법은, 트럭믹서(truck mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 시멘트 모르타르를 3D 프린터와 연결시키기 위한 호퍼 장비와 회전자 나선편입 로터(Rotor) 및 타원형 2중 나선형의 고정자(Stator)를 포함하는 모노 펌프를 이용하여 시멘트 모르타르를 압출하는 단계와, 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 시멘트 모르타르의 압출을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-2100783호(2020년 04월 14일 공고, 발명의 명칭 : 3D 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치)에 개시되어 있다.
종래기술에 따른 콘크리트 적층 방법은, 기존의 시멘트 모르타르를 3D 프린터에 공급하여 콘크리트 구조물을 출력하기 때문에 대용량의 3D프린터가 요구되어 3D프린터 제작에 요구되는 시간 및 비용을 절감하기 어렵고, 첨단장비인 대용량 3D프린터를 제작하기 어려워 기술의 구현이 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 소재로 사용하여 3D프린팅된 격자 구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 격자구조 경량골재를 제조하여 단위중량을 감소시키고, 압축강도를 유지 또는 향상시킬 수 있는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 시멘트 100중량부에 대하여, 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 재료하여 3D프린터에 의해 제조되는 격자구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 제조되는 경량골재 110~160중량부; 물/바인더 비율이 35~45%을 유지하도록 혼합되는 물 45~55중량부; 상기 시멘트와 혼합되어 바인더를 이루는 플라이애시 20~30중량부; 및 잔골재 180~220중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 격자구조체는, Simple Cubic, Truncated Cube, Octahedron 및 Trancated octahedron 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 저점도 우레탄 화합물은, 에틸렌글리콜(MONO ETHYLENE GLYCOL), Castro Oil, Dioctylpthalate, CaCO3 및 Polyamine을 포함하는 주제와, PPG-TDI Prepolymer 및 Dioctylphthalate를 포함하는 경화제로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 콘크리트는, 단위중량 1.73~1.95t/m3, 압축강도 45.7~46.7MPa을 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, (a) 3D프린터에 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 포함하는 재료를 공급하여 격자구조체를 성형하는 단계; (b) 상기 격자구조체 내부에 저점도 우레탄 화합물을 주입하고 경화시켜 경량골재를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 경량골재, 시멘트, 물, 플라이애시 및 잔골재를 혼합하여 콘크리트 모르타르를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법은, 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 소재로 사용하여 3D프린팅된 격자 구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 격자구조 경량골재를 제조하므로 콘크리트 제조에 요구되는 골재 채취를 생략할 수 있어 환경파괴를 방지하고, 골재 채취에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법은, 에틸렌글리콜(MONO ETHYLENE GLYCOL), Castro Oil, Dioctylpthalate, CaCO3 및 Polyamine을 포함하는 주제와, PPG-TDI Prepolymer 및 Dioctylphthalate를 포함하는 경화제로 이루어지는 저점도 아크릴 화합물을 격자구조체에 삽입하여 격자구조 경량골재를 제조하므로 콘크리트의 단위중량을 감소시킬 수 있고, 종래의 콘크리트 압축강도를 유지 또는 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 다양한 격자구조체가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체의 다양한 형태가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체 r/s값이 도시된 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체 형태에 따른 항복력이 도시된 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트에 적용되는 격자구조체가 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체에 폴리아미드 12가 주입된 상태가 도시된 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체에 AlSi12Mg가 주입된 상태가 도시된 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 저점도 우레탄 화합물 주입공정이 도시된 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 제조에 사용되는 점도 측정기가 도시된 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 저점도 우레탄 화합물의 점도 측정 실험이 도시된 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체 출력물을 측정하기 위한 용기가 도시된 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재의 흡수율 실험이 도시된 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 저점도 우레탄 화합물의 겔 타임 측정 시편이 도시된 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 경량골재의 비중 및 부피 데이터가 기재된 비교표 및 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈1의 압축강도가 도시된 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈2의 압축강도가 도시된 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈3의 압축강도가 도시된 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈2와 시리즈3의 압축강도를 비교한 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈1 내지 시리즈3의 압축강도를 비교한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 압축강도 및 단위중량이 도시된 그래프이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 제조방법에 사용되는 주입장치가 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법의 일 실시예를 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 다양한 격자구조체가 도시된 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체의 다양한 형태가 도시된 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체 r/s값이 도시된 그래프이다.
또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체 형태에 따른 항복력이 도시된 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트에 적용되는 격자구조체가 도시된 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체에 폴리아미드 12가 주입된 상태가 도시된 사진이다.
또한, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체에 AlSi12Mg가 주입된 상태가 도시된 사진이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 저점도 우레탄 화합물 주입공정이 도시된 사진이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 제조에 사용되는 점도 측정기가 도시된 사진이다.
또한, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 저점도 우레탄 화합물의 점도 측정 실험이 도시된 사진이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 격자구조체 출력물을 측정하기 위한 용기가 도시된 사진이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재의 흡수율 실험이 도시된 사진이다.
또한, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 저점도 우레탄 화합물의 겔 타임 측정 시편이 도시된 사진이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 경량골재의 비중 및 부피 데이터가 기재된 비교표 및 사진이고, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈1의 압축강도가 도시된 그래프이다.
또한, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈2의 압축강도가 도시된 그래프이고, 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈3의 압축강도가 도시된 그래프이고, 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈2와 시리즈3의 압축강도를 비교한 그래프이고, 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 경량골재 시리즈1 내지 시리즈3의 압축강도를 비교한 그래프이고, 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트의 압축강도 및 단위중량이 도시된 그래프이다.
도 1 내지 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트는, 시멘트 100중량부에 대하여, 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 재료하여 3D프린터에 의해 제조되는 격자구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 제조되는 경량골재 110~160중량부와, 물/바인더 비율이 35~45%을 유지하도록 혼합되는 물 45~55중량부와, 시멘트와 혼합되어 바인더를 이루는 플라이애시 20~30중량부와, 잔골재 180~220중량부를 포함한다.
본 실시예의 격자구조체는, 금속 분말소재를 레이저(Laser)를 통하여 소결(Sintering)하여 객체를 생성하는 SLM(Selective Laser Melting, 선택적 레이저 용융)을 3D 프린팅 장비로 사용할 수 있고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 Simple cubic, Body-centered cubic, Face-centered cubic, Body center, Diamond, Truncated octahedron, Octahedron, Rhombicuboctahedron, Octet-cross, Cuboctahedron 등의 격자구조체를 선택하여 적용할 수 있다.
격자구조체의 상대밀도는 바운더리 박스 한 변(s)과, 격자구조체의 원형단면적 반지름(r)의 비율 (r/s)로 조절할 수 있고, 상기한 다수 종류의 격자구조체에 따른 상대밀도를 조절하기 위한 r/s값은 표 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 상대밀도 0.3으로 제조되는 것이 경량골재의 경량화 및 강성확보에 적절하다고 판단된다.
Figure 112021152615838-pat00001
본 실시예의 격자구조체는, 본 실시예의 격자구조체는 상대밀도 0.3의 격자구조체를 20*20*20mm 크기로 제조되고, Simple Cubic, Truncated Cube, Octahedron 및 Trancated octahedron 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 이루어지고, 이는 표 1 및 도 4에 도시된 바에 의해 알 수 있다.
도 4는 재료를 AlSi10Mg 로 했을 때의 유한요소해석(FEM) 항복하중 결과이고, 이 가운데 Simple Cubic, Truncated Cube, Octahedron 및 Trancated octahedron 4가지의 격자구조체가 축방향 하중에 우수하여 경량골재로 적용하기에 적합한 형태임을 알 수 있다.
또한, 본 실시예의 격자구조체의 사이즈는 20*20*20mm 또는 10*10*10mm로 크기로 제조되고, x, y, z 축으로 3*3*3 배열로 제조할 경우가 가장 우수한 압축저항성능을 가진다.
Figure 112021152615838-pat00002
본 실시예의 격자구조체가 금속분말소재로 이루어지는 경우에는 표 2에 도시된 바와 같이 밀도가 2.6 g/cm3으로 이루어져 금속파우더 중에 밀도가 가장 낮은 AlSi10Mg이 사용되는 것이 콘크리트를 경량화하는 것에 적합하다.
본 실시예의 격자구조체가 합성수지재질로 이루어지는 경우에는 표 3에 기재된 바와 같이 pa11, pa12, pa12 glass beads, pp 등을 적용할 수 있고, 그 중에 밀도가 0.425g/cm3로 가장 낮은 PA12가 콘크리트를 경량화하는 것에 적합하다.
Figure 112021152615838-pat00003
본 실시예의 격자구조체의 재료는, 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 사용한다.
여기서, 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12)는 가장 높은 빈도로 사용되는 3D프린팅용 엔지니어링 플라스틱 소재 중 하나이며, 주로 PBF방식 중 멀티젯퓨젼(Multi Jet Fusion; MJF)방식과 선택적 레이저소결(Selective Laser Sintering; SLS)방식의 3D 프린팅 메커니즘을 활용하여 제품화하고, AlSi12Mg은, 출력물 2.6g/cm3, 단가 186천원/kg으로 제조된다.
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물은, 격자구조체 내부 침투하기 위한 적정 점도의 용액으로 제조되었으며, 흡수율이 좋고, 내화학성이 우수하다.
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물의 적합성을 확인하기 위해 저점도 우레탄 화합물의 물성을 확인하고, 격자구조체의 재료 PA12 및 AlSi12Mg의 격자구조체 공극 추진이 완료된 최종 복합 격자구조체의 물성 확인을 진행하였다.
상온 경화형 저점도 아크릴 화합물은 2액형으로 적층 제조 격자 구조체에 충진 될 수 있도록 저점도(1000cps 이하) 및 100분 내외 gel time을 목표로 설계하였고, 이것의 기초 물성은 저점도 우레탄 화합물의 점도, 2액형으로 혼합하였을 때의 점도, 저점도 우레탄 화합물의 gel time, 2액형으로 2가지 화합물이 혼합되어 급격히 점도가 상승하며 플라스틱상으로 변하는 시점을 gel time 정의하여 측정하였다.
또한, 경화된 저점도 우레탄 화합물의 겉보기 출력물과, 경화된 저점도 우레탄 화합물의 출력물을 제조하였으며, 저점도 우레탄 화합물을 3D프린팅 출력물에 주입 후에 적층 제조 격자 구조체에 주입된 저점도 우레탄 화합물의 겉보기 출력물, 적층 제조 격자 구조체에 주입된 저점도 우레탄 화합물 흡수율, 경화된 저점도 우레탄 화합물이 주입된 3D프린팅 출력물을 기준으로 무게비를 측정하였다.
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물은, 주제와 경화제 구성되고, 표 4와 같은 물성을 갖는 재료를 사용하였고, 혼합점도, 출력물 및 경화조건을 고려하여 최종적으로 주제:경화제=100:400을 최종 배합으로 선정하였다.
Figure 112021152615838-pat00004
또한, 본 실시예의 저점도 우레탄 화합물은, 에틸렌글리콜(MONO ETHYLENE GLYCOL), Castro Oil, Dioctylpthalate, CaCO3 및 Polyamine을 포함하는 주제와, PPG-TDI Prepolymer 및 Dioctylphthalate를 포함하는 경화제로 이루어지고, 저점도 우레탄 화합물의 주제 및 경화제의 조성비는 표 5에 기재된 바와 같다.
Figure 112021152615838-pat00005
상기한 바와 같이 제조되는 격자구조체 내부에 저점도 우레탄 화합물을 주입하며, 도 8에 도시된 바와 같이 다수 개의 격자구조체가 수납되는 대형 트레이와, 트레이에 주입되는 저점도 우레탄 화합물을 고르게 평탄화시키도록 작업자가 수작업으로 작업하는 평탄화부재를 포함하는 주입장치에 의해 다수 개의 격자구조체가 배열된 트레이 내부에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 함침시키고, 평탄화부재를 사용하여 트레이 내부에 충전된 저점도 우레탄 화합물을 고르게 펼치면서 격자구조체 내부 저점도 우레탄 화합물을 격자구조체 내부로 주입하는 공정을 진행하게 된다.
상기한 바와 같이 격자구조체 내부에 저점도 우레탄 화합물을 주입한 후 약1시간 정도 경과된 후에 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 각각의 격자구조체를 절단하여 경량골재를 생산하게 된다.
여기서, 도 6에 도시된 경량골재는 PA12가 재료로 주입되어 생산된 경량골재이고, 도 7에 도시된 경량골재는 AlSi12Mg가 재료로 주입되어 생산된 경량골재이다.
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물의 점도 측정은, 도 9에 도시된 Brookfield Viscometer LV로 Spindle #63을 이용해 상대 점도를 측정하였고, 저점도 우레탄 화합물의 Gel Time 측정은, 상온 경화시스템으로 상온에서 반응을 일어나므로 반응이 시작되어 점도가 상승되어 움직이지 않는 점을 Gel time으로 결정하였다.
저점도 우레탄 화합물의 Gel Time 실험 장치는, 도 10에 도시된 바와 같이 외기 온도에 의한 영향을 줄이기 위해 항온을 할 수 있는 hot-plate, 500ml 비이커, Test tube 17ㅧ108 mm 및 스틸재질의 긴 약수저를 사용하였다.
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물의 출력물 측정은, 상기한 바와 같이 제조된 저점도 우레탄 화합물을 이용해 각 주제 용액 및 경화제 용액의 출력물을 측정하였고, 실험은 ASTM D1475 "Standard Test Method for Density of Liquid Coatings, Inks, and Related Products" 에 준하여 진행하였다.
또한, 본 실시예의 저점도 우레탄 화합물의 흡수율 측정은, 상기한 바와 같이 제조된 저점도 우레탄 화합물을 이용해 적층 제조 격자 구조체에 넣어 경화시킨 후 투입되지 않은 부위를 벗겨 시편을 얻었다.
이후 콘크리트에서 생성될 수 있는 pH 범위의 용액을 Ca(OH)2 용액으로 제조하여 pH가 13~15 범위의 용액을 제조하였으며, 용액에 시편이 완전히 담긴 후 24 시간 이후 무게와 용액에 담기 전의 무게를 비교해 흡수율을 평가하였다.
[식 1]
Figure 112021152615838-pat00006
저점도 우레탄 화합물 점도 측정은 주제와 경화제를 섞은 후 10초 경과 이후에 측정하였고, 표 6에 기재한 바와 같이 387cps로 측정되었다.
Figure 112021152615838-pat00007
저점도 우레탄 화합물은 상온 경화시스템으로 상온에서 반응을 일어나고, 반응이 시작되어 점도가 상승되어 움직이지 않는 점을 Gel time으로 결정하였으며, 저점도 우레탄 화합물의 원액은 95분의 겔 타임을 나타내었고, 원하는 겔 타임을 얻기 위해 우레탄 화합물의 촉매량을 조절할 필요가 있다.
Figure 112021152615838-pat00008
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물을 이용해 각 주제 용액 및 경화제 용액의 출력물을 측정하였다. 또한 PA12 및 AlSi12Mg 3D프린팅 출력물에 주입된 저점도 우레탄 화합물을 포함한 전체 출력물을 구하였다.
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물을 격자구조체에 충전시킨 후의 PA12 출력물의 밀도가 표 8에 기재되었고, AlSi12Mg 출력물의 밀도가 표 9에 기재되었다.
Figure 112021152615838-pat00009
Figure 112021152615838-pat00010
또한, 본 실시예의 콘크리트에서 생성될 수 있는 pH 범위의 용액을 Ca(OH)2 용액으로 제조하여 pH가 13~15 범위의 용액을 제조하였고, 용액에 시편이 완전히 담긴 후 24 시간 이후 무게와 용액에 담기 전의 무게를 비교해 흡수율을 평가하였다.
저점도 우레탄 화합물은 기본적으로 소수성 화합물, Ca(OH)2로 알카리 용액을 제조한 뒤에도 흡수율 0.00 % ∼ 0.18 %로 매우 낮게 관찰되었다
Figure 112021152615838-pat00011
Figure 112021152615838-pat00012
본 실시예의 저점도 우레탄 화합물을 격자구조체에 충전시킨 후의 PA12 출력물의 흡수율이 표 10에 기재되었고, AlSi12Mg 출력물의 흡수율이 표 11에 기재되었다.
상기한 바와 같이 혼합점도, 출력물 및 경화조건을 고려하여 최종적으로 주제:경화제=100:400을 최종 배합으로 선정하였다.
Figure 112021152615838-pat00013
Figure 112021152615838-pat00014
표 12에는 본 실시예에 따른 저점도 우레탄 화합물의 조성물 구성이 기재되었으며, 표 13에는 본 실시예에 따른 저점도 우레탄 조성물 구성이 기재되었고, 본 실시예의 격자구조체 재질에 따른 경량골재의 비중 및 부피 측정 데이터가 도 14에 도시되었다.
상기한 바와 같이 제조되는 경량골재를 사용하여 폴리머 콘크리트를 제조하고, 본 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 제조방법은, 3D프린터에 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 포함하는 재료를 공급하여 격자구조체를 성형하는 단계와, 격자구조체 내부에 저점도 우레탄 화합물을 주입하고 경화시켜 경량골재를 제조하는 단계와, 경량골재, 시멘트, 물, 플라이애시 및 잔골재를 혼합하여 콘크리트 모르타르를 제조하는 단계를 포함한다.
상기한 바와 같은 제조방법에 의해 일반골재를 사용한 콘크리트와 비교하여 동등한 성능을 제공하고, 일반 콘크리트 대비 단위중량이 감소되었다.
본 실시예는, 일반 콘크리트의 압축강도 기준을 45MPa 급으로 설정하였으며 45MPa 급 콘크리트에 일반 경량골재, 저회 생산 경량골재, 3D 인공경량골재(2 Type, 금속/플라스틱)를 적용하여 압축강도 및 단위중량을 비교하였다.
또한, 본 실싱예는, 결합재 2종류 포틀랜트 시멘트 및 플라이애시를 사용하였으며, 일반 쇄사 및 경량잔골재 2종류, 부순굵은골재 및 경량굵은골재, 저회굵은골재, 격자인공경량골재 금속 및 플라스틱이 사용되었으며 사용재료의 밀도는 표 14와 같다.
Figure 112021152615838-pat00015
각각의 골재를 혼입한 콘크리트의 압축강도 및 단위중량을 평가하기 위해 콘크리트를 제조하였고, 콘크리트 배합은 단위수량 180kg/m3, 단위 결합재량 450kg/m3, 물-결합재비 40 %, 잔골재율 45%, 공기량 4.5%로 설계하였다.
또한, 본 실시예의 콘크리트 배합은 총 3가지 Series로 구분하였으며, Series1에서는 콘크리트의 기초물성을 평가하기 위해 45MPa급 일반콘크리트에 일반경량골재, 저회경량골재를 사용하여 제조하였다.
Series2에서는 콘크리트의 단위중량 감소를 목표로 하여 Fly ash를 총 결합재량의 20%를 치환하고, 일반 콘크리트 외 경량골재 4종을 변수로 하여 제조하였다.
Series3에서는 Series2와 같이 제조된 콘크리트의 단위 중량을 감소시키기 위해 잔골재(쇄사)에서 경량잔골재로 변경하여 제조하였으며, 일반콘크리트(Plain) 및 일반경량콘크리트(LW)를 제외한 3가지 배합으로만 진행하였다.
Figure 112021152615838-pat00016
상기한 표 15에 기재된 고성능감수제는 superplasticizers (polycarboxylate 고형분 14%)이고, Plain은 일반 45MPa압축강도 콘크리트이고, LW(Lightweight aggregate)는 준설토 기반 인공 경량골재이고, BA(Bottom Ash Lightweight aggregate)는 바텀애시 기반 인공 경량골재이고, 3DLS(3D Printed Lightweight Steel aggregate)는 스틸소재 기반 3D프린팅 경량골재이고, 3DLP(3D Printed Lightweight Plastic aggregate)는 플라스틱소재 기반 3D프린팅 경량골재이다.
본 실시예는, 45MPa급 고강도 콘크리트 배합설계에 5종의 굵은골재를 변수로 사용하였고, 국내 생산된 경량골재로는 준설토 기반 인공 경량골재(LW) 및 바텀애시 기반 인공 경량골재(BA)를 사용하여 비교분석하였으며, 본 실시예의 3D프린팅 경량골재를 혼입하였다.
상기한 바와 같이 배합한 결과 45MPa급 고강도 콘크리트 배합설계에 국내일반적인 경량골재를 혼입할 경우, 강도저하가 발생하였고, 본 실시예의 3D프린팅 경량골재를 혼입할 경우, 스틸 제품은 단위중량 1.95t/m3, 압축강도 45.7MPa 고강도 콘크리트 생산이 가능하였고, 플라스틱 제품은 단위중량 1.73t/m3 , 압축강도 46.7MPa의 고강도 콘크리트 생산이 가능하였다.
결과적으로 본 실시예를 사용하는 경우에는, 일반 콘크리트대비 동일한 강도가 발현하며, 단위중량은 감소하여 본 실시예의 콘크리트는, 단위중량 1.73~1.95t/m3, 압축강도 45.7~46.7MPa을 유지하였다.
상기한 바와 같이 제작되는 콘크리트의 압축강도를 실험하였으며, 제작된 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405 : 2010에 따라 제작이후 재령 7일, 재령 28일에 각 3개씩 만능재료시험기(Universal Testing Machine, Maxium load 1000 KN)를 활용하여 (0.6 ㅁ 0.4) MPa 의 속도로 측정되었다.
또한, 본 실시예의 콘크리트 단위중량을 측정하였으며, 제작된 콘크리트의 단위중량은 KS F 2405 : 2010에 6절 c)에 따라 측정되었으며 재령 28일 연마 직후 표면건조포화상태에서 측정되었다.
도 15는 일반골재 및 경량골재, 저회경량골재 치환에 따른 콘크리트 압축강도 시험 결과이다. 본 연구를 진행하기전 목표강도를 재령 28일 기준 45 MPa로 설정하였다. 굵은골재를 변수로한 (Series 1) 압축강도는 재령 7일에서 S1-Plain이 35.9 MPa의 압축강도가 측정되었으며, S1-LW가 8.2% 감소한 33.0 MPa, S2-BA가 10.7% 감소한 32.1 MPa 의 압축강도가 발현되었다. 이후 재령 28일에서 각각 47.4 MPa, 40.7 MPa, 37.3MPa로 경량골재가 치환되었을 때 S1-Plain 대비 14.0 %(S1-LW), 21.2%(S1-BA) 감소한 결과가 나타났다. 본 연구의 목표 강도가 45 MPa 일 때 목표치에 도달한 배합은 S1-Plain 배합이다.
도 16은 콘크리트의 단위중량을 감소시키기 위해 Fly ash를 20% 치환한 배합이다(Series 2). Series 1에 추가로 3D 프린터를 활용해 출력한 인공 경량골재 2종류(금속, 플라스틱)를 추가하였다. 압축강도 실험결과 재령 7일에서 플라이애시를 20% 치환한 S2-Plain의 압축강도는 34.62 MPa로 측정되었으며 S2-LW 및 S2-BA는 S2-Plain 보다 5.7%, 12.2% 하회한 33.87 MPa, 31.53 MPa로 측정되었다. 하지만 3D 프린터로 출력한 인공경량골재의 경우 S2-Plain의 압축강도보다 1.9%, 0.4% 상회한 35.23 MPa, 35.76MPa의 압축강도가 측정되었다. 이후 재령 28일의 압축강도의 경향도 재령 7일과 동일하였다. Series 2에서 압축강도시험 결과값을 보았을 때 본 연구에서 설정한 목표 압축강도 45MPa를 상회한 배합은 기준배합을 제외한 S2-3DLS, S2-3DLP으로 나타났다.
도 17은 Series 2에서 목표 압축강도를 상회하였으나 배합당 단위중량의 감소를 목적으로 사용된 잔골재(쇄사)를 경량잔골재로 치환한 압축강도 시험결과이며, 그림 4는 Series 2와 Series 3을 비교한 결과이다.재령 7일 압축강도 실험결과 저회경량골재를 치환한 S3-BA에서 S2-BA보다 약 14.4% 감소한 27.5 MPa의 압축강도가 측정되었으나 S3-3DLS, S3-3DLP의 경우 Series 2와 동등한 압축강도가 측정되었다. 이후 재령 28일에서는 S3-3DLS, S3-3DLP에서 목표 압축강도 45MPa를 상회한 47.7 MPa, 45.2 MPa가 측정되었다.
따라서 Series 1~3의 압축강도 시험결과를 종합하였을 때 일반 소성공정을 거친 경량골재, 저회 경량골재의 경우 압축강도가 감소하는 결과가 나타났으나, 3D 프린터로 제작된 3D 인공경량골재의 경우 Plain 배합과 동등한 압축강도를 갖는 것으로 확인되었다.
도 19는 Series 1 & 2 & 3 배합당 재령 28일에 측정된 단위중량 결과값을 그래프로 표현한 것이고, 본 실시예의 목표 단위중량은 1.6 t/m3 이며, Series 1 배합 S1-Plain, S1-LW, S1-BA의 콘크리트 단위중량은 2.24 t/m3, 1.83 t/m3, 1.98 t/m3 로 측정되었다.
또한, 본 실시예는, 단위중량을 감소시키기 위해 플라이애시 20%를 치환하였고, 이후 Series 2 단위중량이 감소하였지만 S2-Plain, S2-LW, S2-BA, S2-3DLS, S2-3DLP에서 각각 2.20 t/m3, 1.79 t/m3, 1.81 t/m3, 1.95 t/m3, 1.73 t/m3 의 단위중량이 측정되었다.
본 실시예의 Series 2에서 플라이애시를 치환하여 단위중량을 감소시켰지만 목표 단위중량 1.6 t/m3 를 확보하기 위해 잔골재(쇄사)를 경량 잔골재로 전량 치환하여 콘크리트를 제조하였다.
제조 이후 재령 28일 측정결과 S3-BA, S3-3DLS, S3-3DLP에서 각각 1.73 t/m3, 1.80 t/m3, 1.61 t/m3 의 단위중량이 측정되었다.
따라서 3D 인공경량골재를 활용한 콘크리트를 제조하였을 때 도 20에 도시된 바와 같이 단위중량 확보가 용이하다는 것을 확인할 수 있다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 제조방법에 사용되는 주입장치가 도시된 도면이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 제조방법에 사용되는 주입장치(100)는, 다수 개의 격자구조체가 수납되는 공간을 제공하는 트레이(10)와, 트레이(10)를 유동 가능하게 지지하고 동력이 제공되면 트레이(10)를 유동시키는 진동제공부(50)와, 트레이(10)를 유동시키는 동력을 진동제공부(50)에 공급하는 구동부(30)와, 트레이(10)에 저점도 우레탄 화합물을 공급하는 노즐(70)을 포함한다.
따라서 트레이(10)에 다수 개의 격자구조체를 수납한 후에 노즐(70)을 통해 저점도 우레탄 화합물을 트레이(10) 내부에 공급할 때에 구동부(30)에 전원이 공급되면서 구동부(30)로부터 제공되는 동력이 진동제공부(50)에 공급되면서 트레이(10)를 일측 또는 타측으로 반복적으로 유동시키면서 진동을 제공하게 된다.
상기한 바와 같이 트레이(10)에 진동이 제공되면서 저점도 우레탄 화합물이 공급되므로 트레이(10)에 수납되는 격자구조체가 트레이(10) 바닥면에 형성되는 돌기(12)들 사이의 간격에 안착되면서 정렬되고, 정렬된 다수 개의 격자구조체 내부로 저점도 우레탄 화합물이 용이하게 삽입되면서 다수 개의 격자구조체 내부에 저점도 우레탄 화합물이 고르게 삽입될 수 있게 된다.
본 실시예의 구동부(30)는, 트레이(10)를 지지하는 베이스블록에 회전 가능하게 설치되는 회전축(32)과, 베이스블록에 설치되는 모터(34)와, 모터(34)의 출력축에 설치되는 주동기어(36)와, 회전축(32)에 설치되고 주동기어(36)에 기어연결되는 종동기어(38)를 포함한다.
따라서 모터(34)에 전원이 공급되면 출력축 및 주동기어(36)가 회전되면서 종동기어(38) 및 회전축(32)에 동력을 전달하게 된다.
또한, 본 실시예의 진동제공부(50)는, 회전축(32) 상단에 설치되는 슬라이딩케이스(52)와, 슬라이딩케이스(52) 내부에 좌우 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 편심편(54)과, 편심편(54)의 일측으로 치우치게 편심되게 설치되고, 슬라이딩케이스(52) 외측으로 연장되어 트레이(10)를 지지하는 지지축(56)과, 편심편(54)의 일단과 슬라이딩케이스(52) 내벽 사이에 개재되는 제1탄성부재(57)와, 편심편(54)의 타단과 슬라이딩케이스(52) 내벽 사이에 개재되는 제2탄성부재(58)를 포함한다.
따라서 모터(34)의 동력이 회전축(32)을 따라 슬라이딩케이스(52)에 전달되면 슬라이딩케이스(52)가 회전되고, 슬라이딩케이스(52) 내부에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 편심편(54)이 슬라이딩케이스(52)의 일측 또는 타측으로 슬라이딩된다.
상기한 바와 같이 편심편(54)이 슬라이딩케이스(52) 내부에서 슬라이딩되면 제1탄성부재(57) 및 제2탄성부재(58)가 압축 또는 팽창을 반복하면서 편심편(54)의 유동을 보다 더 가중시키게 되므로 지지축(56)에 설치되는 트레이(10)는 좌우방향으로 유동되면서 트레이(10)에 수납되는 격자구조체에 진동을 제공하게 된다.
따라서 트레이(10)에 저점도 우레탄 화합물이 공급될 때에 격자구조체가 유동되면서 다수 개의 격자구조체 내부로 저점도 우레탄 화합물이 고르게 삽입될 수 있게 된다.
이로써, 폴리아미드 12 (Polyamide 12; PA12) 및 AlSi12Mg을 소재로 사용하여 3D프린팅된 격자 구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 격자구조 경량골재를 제조하여 단위중량을 감소시키고, 압축강도를 향상시킬 수 있는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
또한, 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 및 이의 제조방법이 아닌 다른 제품에도 본 발명의 콘크리트 및 이의 제조방법이 사용될 수 있다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
7 : 평탄화부재 10 : 트레이
12 : 돌기 30 : 구동부
32 : 회전축 34 : 모터
36 : 주동기어 38 : 종동기어
50 : 진동제공부 52 : 슬라이딩케이스
54 : 편심편 56 : 지지축
57 : 제1탄성부재 58 : 제2탄성부재
70 : 노즐 100 : 주입장치

Claims (5)

  1. 시멘트 100중량부에 대하여,
    폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 재료하여 3D프린터에 의해 제조되는 격자구조체에 저점도 우레탄 화합물을 주입하여 제조되는 경량골재 110~160중량부;
    물/바인더 비율이 35~45%을 유지하도록 혼합되는 물 45~55중량부;
    상기 시멘트와 혼합되어 바인더를 이루는 플라이애시 20~30중량부; 및
    잔골재 180~220중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격자구조체는, Simple Cubic, Truncated Cube, Octahedron 및 Trancated octahedron 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저점도 우레탄 화합물은, 에틸렌글리콜(MONO ETHYLENE GLYCOL), Castro Oil, Dioctylpthalate, CaCO3 및 Polyamine을 포함하는 주제와, PPG-TDI Prepolymer 및 Dioctylphthalate를 포함하는 경화제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트는, 단위중량 1.73~1.95t/m3, 압축강도 45.7~46.7MPa을 유지하는 것을 특징으로 하는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트.
  5. (a) 3D프린터에 폴리아미드 12(Polyamide 12; PA12) 또는 AlSi12Mg을 포함하는 재료를 공급하여 격자구조체를 성형하는 단계;
    (b) 상기 격자구조체 내부에 저점도 우레탄 화합물을 주입하고 경화시켜 경량골재를 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 경량골재, 시멘트, 물, 플라이애시 및 잔골재를 혼합하여 콘크리트 모르타르를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 경량골재를 구비하는 콘크리트 제조방법.
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