KR102237816B1 - 3d 콘크리트 프린팅용 sbr 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 및 그의 제조방법 - Google Patents

3d 콘크리트 프린팅용 sbr 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물에 관한 것으로, 시멘트에 수용성 고분자 화합물인 SBR 라텍스를 적절하게 배합함으로써 유동성, 압출성, 적층성과 오픈 타임을 개선하여 프린팅 작업이 용이하고, 압축강도, 휨강도, 탄성계수, 건조수축 등이 향상되어 프린팅 된 구조물의 안전성과 내구성 확보가 가능하다.
본 발명은 굳기 전 성질 특히 적당한 유동성, 압출성, 적층성, 오픈 타임을 얻을 수 있어 시공이 용이 할 뿐만 아니라, 굳은 후의 성질 특히 압축강도, 휨강도, 탄성계수, 건조수축 등이 개선되어 프린팅 된 구조물의 안정성과 내구성을 확보할 수 있다.

Description

3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 및 그의 제조방법{SBR Latex Modified Polymer Cement Mixtures for 3D Concrete Printing and Its Manufacturing Method}
본 발명은 폴리머 시멘트 혼합물에 관한 것이며, 더욱 상세히는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR(Styrene Butadiene Rubber) 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
근년에 이르러 신속조형기술(rapid prototyping technology), 특히 3D 프린팅(three-dimensional printing) 기술은 여러 분야에서 성공적으로 이용되고 있다. 특히 제조업 분야, 의료분야, 그리고 식품분야에 많이 이용되고 있다. 이들 분야에서는 3D 프린팅 기술이 빠르게 발전해 왔지만 건설 산업 분야에서는 발전 속도는 매우 느리다.
특히 건설 산업에서 중요한 역할을 하는 콘크리트는 건설 재료 가운데 가장 널리 쓰이고 있지만, 이러한 콘크리트를 시공하는 데는 거푸집이 필수적이다. 거푸집 공사는 재료, 인력, 공사기간, 장비에 대한 비용이 많이 소요되고, 환경적인 측면에서 부정적인 면도 있다.
그래서 디지털 기술과 재료 기술로부터 나오는 새로운 지식을 결합한 신기술로서 거푸집을 사용하지 않고도 자유로운 형상의 구조물(free-form construction)을 건설할 수 있는 3D 프린팅 기술을 적용한 시공법 연구가 1997년 이후부터 세계적으로 이루어지기 시작했다.
이 기술은 겐트리(gantry)나 로봇 암(robotic arm)을 이용한 대형설비가 필요하며, 프린팅용 재료도 대량으로 소요된다. 그래서 소형이면서 정밀한 다른 산업 분야의 3D 프린팅 기술과 차이가 크기 때문에, 그 명칭도 3D 콘크리트 프린팅(3D Concrete Printing : 3DCP) 공법이라고 부르고 있다.
3DCP는 시멘트 복합재료를 층층이 쌓아서 시공하는 적층 제조(additive manufacturing)기술이다. 좀 더 자세히 3DCP 시스템에 대하여 살펴보면, 프린팅 방법에는 혼합물 압출방식(extrusion-based technology)과 분말 분사방식(powder-based technology)이 있으며, 현재 개발 중인 기술의 대부분은 압출식이다. 3DCP는 컴퓨터 제어에 의해 작동하며, 정해진 프로세스에 의해 순차적으로 적층시켜, 소정의 크기를 정확하게 형성하고 경화시킴으로써 거푸집이 불필요한 공법이다.
3DCP 기술은 전통적인 건설 기술과 비교할 때, 기하학적인 복잡성 실현을 위해 거의 무제한의 가능성을 제공하는 환경 친화적인 기술이기도 하다. 그리고 이 기술은 비용과 시간의 절약, 환경오염의 최소화 및 건설 현장의 사고 감소와 같은 이점을 가지고 있다. 무엇보다도 3DCP 기술은 ‘무거푸집 건설’을 대표하는 기술로서 빠른 시공이 가능하기 때문에 건설 산업의 미래기술로 기대를 모으고 있다.
3DCP 기술은 콘크리트 프린팅 장비, 3D 모델링 소프트웨어, 프린팅용 재료로 구성되며, 컴퓨터에 의해 자동으로 작동된다. 그러나 이들 요소들의 성격은 독립적이라고 볼 수 있으며, 전공 영역으로는 기계, IT, 재료 분야로 구성된다.
특히 근년에 이르러 건설 대상 구조물의 특성에 맞는 프린팅 재료의 개발에 대한 연구가 활발히 경쟁적으로 수행되고 있다.
그러나 현재 사용되고 있는 3DCP용 재료에 대한 기술은 아직 초보적인 수준에 머무르고 있다. 이 때문에 소정의 굳지 않은 성질이 확보되지 않아 적층에 애로가 많을 뿐만 아니라 성형성도 매우 불량하며, 소정의 굳은 후 성질이 확보되지 않아 품질관리가 어렵고, 시공된 구조물의 안정성이나 내구성을 확보하지 못하는 문제점이 노출되고 있다.
KR 10-1620075 B1
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 시멘트에 수용성 고분자 화합물인 SBR 라텍스를 적절하게 배합함으로써 유동성, 압출성, 적층성과 오픈 타임을 개선하여 프린팅 작업이 용이하고, 압축강도, 휨강도, 탄성계수, 건조수축 등이 향상되어 프린팅 된 구조물의 안전성과 내구성 확보가 가능한 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물은, SBR(Styrene Butadiene Rubber) 라텍스 1∼5중량%와 포틀랜드 시멘트 23∼25중량%, 물 7∼12중량%, 세골재 50∼54중량%, 플라이 애시(fly ash) 5∼8중량%, 실리카 흄(silica fume) 2∼4중량%, 감수제 0.23∼0.26중량% 및 점도 조절제 0.009∼0.015중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물에 있어서, 상기 SBR 라텍스는 에멀션(emulsion) 형태로서 전고형분 함량이 47∼50중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물에 있어서, 상기 세골재는 각형 입자로서 입자크기는 직경 0.05∼5mm, 비중은 1.5∼1.6, 수분함량은 0.1% 이하인 순도 90% 이상의 실리카질 모래인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물에 있어서, 상기 플라이 애시는 KS L 5405(플라이 애시)에 규정되어 있는 2종 플라이 애시이며 수분함량 1.0% 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물에 있어서, 상기 실리카 흄은 이산화규소(SiO2) 함량 90% 이상, 수분함량 1.0% 이하, 비표면적 155000∼159000㎠/g인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물에 있어서, 상기 감수제는 폴리카르본산계(polycarbonate type) 감수제인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물에 있어서, 상기 점도 조절제는 유기개질점토(organic modified clay)인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 제조방법은, SBR 라텍스 1∼5중량%와 포틀랜드 시멘트 23∼25중량%, 물 7∼12중량%, 세골재 50∼54중량%, 플라이 애시 5∼8중량%, 실리카 흄 2∼4중량%, 감수제 0.23∼0.26중량% 및 점도 조절제 0.009∼0.015중량%를 포함하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조하기 위하여, 1/100 정밀도의 계량저울로 상기한 각 재료를 계량하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 세골재와 플라이 애시 및 실리카 흄을 강제식 믹서로 건비빔하는 제2과정; 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 물에 감수제와 점도 조절제를 넣고 테이블 믹서로 혼합하는 제3과정; 상기 제3과정에서 만든 혼합물에 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 SBR 라텍스를 넣고 테이블 믹서로 혼합하는 제4과정; 및 상기 제4과정에서 만든 혼합물을 상기 제2과정에서 건비빔하여 만든 혼합물에 투입한 후 강제식 믹서로 혼합하여 상기한 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조 완료하는 제5과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 제조방법에 있어서, 상기 제3과정에서는 20∼30℃ 물에 감수제와 점도 조절제를 넣고 5∼10분 동안 혼합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 제조방법에 있어서, 상기 제4과정에서는 상기 제3과정에서 만든 혼합물에 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 SBR 라텍스를 넣고 5∼10분 동안 혼합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 제조방법에 있어서, 상기 제5과정에서는 상기 제4과정에서 만든 혼합물을 상기 제2과정에서 건비빔하여 만든 혼합물에 투입한 후 5∼10분 동안 혼합하여 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조 완료하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 굳기 전 성질 특히 적당한 유동성, 압출성, 적층성, 오픈 타임을 얻을 수 있어 시공이 용이 할 뿐만 아니라, 굳은 후의 성질 특히 압축강도, 휨강도, 탄성계수, 건조수축 등이 개선되어 프린팅 된 구조물의 안정성과 내구성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명 혼합물의 유동성과 적층성 시험에 사용된 3DCP 장비의 노즐 형상 및 작업 형태를 나타낸 실시예.
도 2 내지 도 5는 흐름률에 따른 프린팅 시험 모습을 나타낸 실시예.
도 6은 흐름률이 낮은 경우 필라멘트의 표면부 하자를 나타낸 실시예.
도 7은 3DCP 장비에 의한 본 발명 혼합물의 1층 압출시험 모습을 나타낸 실시예.
도 8은 본 발명 혼합물의 10층 적층성 시험 모습을 나타낸 실시예.
도 9는 SBR 라텍스 함량에 따른 본 발명 혼합물의 흐름률 변화를 나타낸 그래프.
도 10은 SBR 라텍스 함량에 따른 본 발명 혼합물의 재령별 압축강도 발현 양상을 나타낸 그래프.
도 11은 SBR 라텍스 함량에 따른 본 발명 혼합물의 재령별 휨강도 발현 양상을 나타낸 그래프.
도 12는 SBR 라텍스 함량에 따른 본 발명 혼합물의 압축응력-변형률의 관계도를 나타낸 그래프.
도 13은 SBR 라텍스 함량에 따른 본 발명 혼합물의 재령별 건조수축량 변화를 나타낸 그래프.
도 14는 보통 시멘트 혼합물과 SBR 라텍스로 개질된 본 발명 혼합물의 조직구조 변화를 나타낸 실시예.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
이하에서 설명하는 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 및 그의 제조방법은 하기의 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에서 청구하는 기술의 요지를 벗어남이 없이 해당 기술분야에 대하여 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물은 SBR(Styrene Butadiene Rubber) 라텍스 1∼5중량%와 포틀랜드 시멘트 23∼25중량%, 물 7∼12중량%, 세골재 50∼54중량%, 플라이 애시(fly ash) 5∼8중량%, 실리카 흄(silica fume) 2∼4중량%, 감수제 0.23∼0.26중량% 및 점도 조절제 0.009∼0.015중량%를 포함한다.
상기 SBR 라텍스는 에멀션(emulsion) 형태로서 전고형분 함량이 47∼50중량%인 것이 바람직하며, 폴리머 필름 형성에 의한 압축, 휨, 인장강도 증진, 방수성, 접착성, 내약품성의 증진효과가 있다.
상기 포틀랜드 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트) 및 ASTM C 150(Standard Specification for Portland Cement)에 적합한 것으로, 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 물은 배합수로서 음용의 수돗물을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 세골재는 각형 입자로서 입자크기는 직경 0.05∼5mm(바람직하게는 0.08mm), 비중은 1.5∼1.6(바람직하게는 1.57), 수분함량은 0.1% 이하인 순도 90% 이상의 실리카질 모래인 것이 바람직하다.
상기 플라이 애시는 KS L 5405(플라이 애시)에 규정되어 있는 2종 플라이 애시이며 수분함량 1.0% 이하인 것이 바람직하며, 콘크리트의 유동성과 수밀성 향상, 초기 수화열 억제 등의 효과가 있다.
상기 실리카 흄은 이산화규소(SiO2) 함량 90% 이상, 수분함량 1.0% 이하, 비표면적 155000∼159000㎠/g(바람직하게는 157000㎠/g)인 것이 바람직하며, 수산화칼슘<Ca(OH)2)>과의 포졸란 반응(pozzolanic reaction)에 의해 고강도, 고내구성, 재료분리 저항성, 수밀성 등이 우수한 C-S-H겔을 형성하는 특성이 있다.
상기 감수제는 일반 감수제보다 분산 효과가 우수한 고성능 감수제인 폴리카르본산계(polycarbonate type) 감수제인 것이 바람직하며, 작업성 향상을 목적으로 사용한다.
상기 점도 조절제는 유기개질점토(organic modified clay)이며, 초기 접착력을 향상시키고 재료분리 저감과 유동성 확보를 목적으로 사용한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물은 다음과 같이 제조된다.
먼저, SBR 라텍스 1∼5중량%와 포틀랜드 시멘트 23∼25중량%, 물 7∼12중량%, 세골재 50∼54중량%, 플라이 애시 5∼8중량%, 실리카 흄 2∼4중량%, 감수제 0.23∼0.26중량% 및 점도 조절제 0.009∼0.015중량%를 포함하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조하기 위하여, 1/100 정밀도의 계량저울로 상기한 각 재료를 계량한다(제1과정).
상기 제1과정에 있어서, 1/100 정밀도의 계량저울을 사용하는 이유는 감수제와 점도 조절제가 미량이므로 정밀도가 높은 계량 저울이 필요하며, 철저한 품질관리를 위해서 다른 재료들의 계량도 정확하게 이루어져야 하기 때문이다.
이어서, 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 세골재와 플라이 애시 및 실리카 흄을 강제식 믹서로 건비빔한다(제2과정).
이어서, 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 물에 감수제와 점도 조절제를 넣고 혼합한다(제3과정). 이때, 20∼30℃ 물에 감수제와 점도 조절제를 넣고 5∼10분 동안 테이블 믹서로 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
상기 제3과정에 있어서, 물이 20℃ 미만이면 감수제와 점도 조절제의 용해속도가 늦어지고, 물이 30℃ 이상이면 하기의 제5과정에서 너무 빠른 경화반응이 일어날 수 있다. 또한, 5분 미만 혼합 시 감수제와 점도 조절제가 불균일하게 혼합될 수 있고, 10분 이상 혼합 시 재료의 분리현상을 초래할 수 있으며 과다한 혼합시간은 생산성을 저하시킨다.
따라사, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 제3과정에서 물의 온도는 20∼30℃, 혼합시간은 5∼10분으로 한정하였다.
이어서, 상기 제3과정에서 만든 혼합물에 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 SBR 라텍스를 넣고 혼합한다(제4과정). 이때, 상기 제3과정에서 만든 혼합물에 상기 SBR 라텍스를 넣고 5∼10분 동안 테이블 믹서로 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
상기 제4과정에 있어서, 5분 미만 혼합 시 제3과정의 혼합물과 SBR 라텍스가 불균일하게 혼합될 수 있고, 10분 이상 혼합 시 재료의 분리현상을 초래할 수 있으며 과다한 혼합시간은 생산성을 저하시킨다.
따라사, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 제4과정에서 혼합시간은 5∼10분으로 한정하였다.
마지막으로, 상기 제4과정에서 만든 혼합물을 상기 제2과정에서 건비빔하여 만든 혼합물에 투입한 후 혼합하여 상기한 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조 완료한다(제5과정). 이때, 상기 제4과정에서 만든 혼합물을 상기 제2과정에서 건비빔하여 만든 혼합물에 투입한 후 5∼10분 동안 강제식 믹서로 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
상기 제5과정에 있어서, 5분 미만 혼합 시 제2과정의 혼합물과 제4과정 혼합물이 불균일하게 혼합될 수 있고, 10분 이상 혼합 시 재료의 분리현상을 초래할 수 있으며 과다한 혼합시간은 생산성을 저하시킨다.
따라사, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 제5과정에서 혼합시간은 5∼10분으로 한정하였다.
상기한 제1과정 내지 제5과정은 순차적으로 수행하는 것이 바람직하며, 특히 만약 상기한 제2과정에서 상기한 제3과정에 사용되는 미량의 감수제와 점도 조절제를 강제식 믹서에 먼저 투입한 후 나중에 물과 혼합하면 해당 감수제와 점도 조절제가 물에 충분히 섞이지 않은 불균일한 상태로 다른 재료와 혼합되기 때문에 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물의 성능을 얻을 수 없다.
상기와 같이 제조 완료된 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물은 상기한 3D 콘크리트 프린팅(3D Concrete Printing : 3DCP) 공법에 의한 자동화 건설에 이용된다.
예컨대, 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물은 버킷(bucket)에 투입되어 펌프까지 이송된 후, 노즐을 통해 필라멘트 형태로 압축되어 정해진 구조물 형상으로 적층된 후 양생하는 단계를 거쳐 3DCP 작업에 의한 자동화 시공이 완성된다.
이하에서는, 3D 모델링 소프프 웨어가 장착된 3D 프린팅 장비에 의한 시공 작업에 있어서 본 발명에 따른 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물(이하, 본 발명 혼합물)의 적정한 배합비율을 도출하여 결정한 과정을 구체적으로 설명한다.
상기 본 발명 혼합물의 적정한 배합비율을 도출하여 결정하기 위해, SBR 라텍스의 배합비(중량%)를 하기의 표 1과 같이 달리하였다.
상기 SBR 라텍스는 전고형분 함량이 50%인 것을 사용하였고, 상기 포틀랜드 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 상기 물은 수돗물을 사용하였다.
상기 세골재는 각형 입자로서 입자크기는 직경 0.08mm, 비중은 1.57, 수분함량은 0.1% 이하인 순도 90% 이상의 실리카질 모래를 사용하였다.
상기 실리카 흄은 이산화규소(SiO2) 함량 90% 이상, 수분함량 1.0% 이하, 비표면적 157000㎠/g인 것을 사용하였다.
상기 감수제는 일반 감수제보다 분산 효과가 우수한 고성능 감수제인 폴리카르본산계(polycarbonate type) 감수제로서 Flowmix 3000S를 사용하였다.
상기 점도 조절제는 수용성 유기개질점토로서 THICKENT W를 사용하였다.
(1) 적정 흐름률 도출
상기한 본 발명 혼합물은 버킷에서 펌프를 통해 노즐까지 원활하게 이동되어야 하고, 노즐을 통해 압출된 필라멘트는 적층이 안정적으로 되어야 하는 기본적인 요구조건을 만족시켜야 하고, 이러한 요구조건은 흐름률(flow rate)을 측정하여 그것을 기준으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명 혼합물의 유동성과 적층성 시험에 사용된 3DCP 장비의 노즐 형상 및 작업 형태는 도 1과 같다. 참고로, 도 1은 노즐 사이즈 가로 5.7cm 세로 1.4cm인 3DCP 장비로 길이 50cm로 압출된 필라멘트를 적층하는 실시예를 나타낸다.
반복 시험에 의해 가장 원활한 유동성과 적층성을 갖는 흐름률을 ASTM C1437-15(Standard Test Method for Flow of Hydraulic Cement Mortar)에 의한 시험으로 찾아낸다.
도 2는 본 발명 혼합물의 SBR 라텍스 함량 3.65중량%인 경우 흐름률 60% 상태를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명 혼합물의 SBR 라텍스 함량 3.65중량%인 경우 흐름률 65% 상태를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명 혼합물의 SBR 라텍스 함량 3.65중량%인 경우 흐름률 70% 상태를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명 혼합물의 SBR 라텍스 함량 3.65중량%인 경우 흐름률 75% 상태를 나타내는 사진이다.
시험 결과, 흐름률 55%의 경우는 본 발명 혼합물이 압출되지 않았고, 흐름률 60%의 경우 11.5cm(도 2 참조), 흐름률 65%의 경우 11.3cm(도 3 참조), 흐름률 70%의 경우 12.5cm(도 4 참조)로 적층되었으며, 흐름률 75%의 경우 본 발명 혼합물이 압출은 되지만 측정불가(도 5 참조)로 나타났다.
(2) 적정 배합비 도출
상기한 시험 결과를 분선하여 원활한 유동성과 적층성을 갖는 흐름률을 70%로 하여 본 발명 혼합물의 적정 배합리의 결정 기준으로 사용한다.
SBR 라텍스의 함량 변화에 따른 본 발명 혼합물의 적정 배합비는 하기의 표 1과 같이 도출되었으며, 표 1에 나타낸 각 재료의 배합비의 단위는 중량%이다.
SBR 라텍스 포틀랜드 시멘트 물 세골재 플라이 애쉬 실리카 흄 감수제 점도
조절제
0.00 24.80 11.16 53.15 7.09 3.54 0.25 0.01
1.23 24.65 10.48 52.82 7.04 3.52 0.25 0.01
2.45 24.50 9.80 52.50 7.00 3.50 0.24 0.01
3.65 24.35 9.13 52.18 6.96 3.48 0.24 0.01
4.84 24.20 8.47 51.86 6.91 3.46 0.24 0.01
이하에서는, 3D 모델링 소프프 웨어가 장착된 3D 프린팅 장비에 의한 시공 작업에 있어서 본 발명 혼합물의 굳기 전 성질에 대하여 구체적으로 설명한다.
(1) 유동성(flowability)
유동성은 교반된 본 발명 혼합물을 펌프의 버킷에 투입한 후, 노즐까지 이동의 수월성을 나타내는 것으로서, ASTM C1437-15 (Standard Test Method for Flow of Hydraulic Cement Mortar)에 따라 시험하였다.
시험 결과, 최적의 흐름률은 70%로서 앞에서 제시한 배합비의 결정 기준으로도 이용되었다. 흐름률이 60%이하이면 지면 유동성이 급격히 떨어져 도 6과 같이 필라멘트의 표면부 하자가 발생한다.
(2) 압출성(extrudability)
압출의 시작시간과 종료시간, 그리고 압출된 필라멘트의 총 길이를 측정하여 1분간에 압출되는 길이를 산출하였다.
즉, 한 층의 길이 50cm, 적층수를 10층으로 하여 SBR 라텍스 함량에 따른 ㅂ본 발명 혼합물의 압출성을 평가 하였으며, 압출시험 모습은 도 7과 같다. 적층 수를 10층으로 한 이유는 필라멘트의 폭이 좁고, 적층방식이 구조적으로 불안정한 직선형이기 때문에 전도되지 않는 안정한 높이를 택하였기 때문이다.
시험 결과, 하기의 표 2에 나타낸 바와 같이, 압출성은 SBR 함량 0중량%의 경우 41.7cm/min, 1.23중량%의 경우 41.7cm/min, 2.45중량%의 경우 41.7cm/min, 3.65중량%의 경우 50.0cm/min, 그리고 4.84중량%의 경우 62.5cm/min로 SBR 라텍스의 함량이 많아질수록 좋아짐을 알 수 있다. 이러한 경향은 SBR 라텍스에 분산되어 있는 입자들의 볼 베어링(ball bearing) 작용에 기인하여 시멘트와 수화입자(hydration particles)의 상대적 움직임을 용이하게 한다.
SBR 라텍스 함량
(중량%)		 길이
(cm)		 프린팅 시간
(min)		 압출성
(cm/min)
0 500 12 41.7
1.23 12 41.7
2.45 12 41.7
3.65 10 50.0
4.84 8 62.5
(3) 적층성(buildability)
상기한 유동성과 압출성이 적층성과 밀접한 관계가 있다. 적층성 평가를 위해 도 8과 같이 길이 50cm로 하여 10층으로 쌓았을 때, 적층 직후 높이 및 적층 30분 후의 높이를 측정하여 그 차이를 조사하였다.
시험 결과, 적층 직후 높이는 SBR 라텍스 함량 0중량%, 1.23중량%, 2.45중량%의 경우 1mm 이내, 3.65중량%의 경우 5mm, 4.84중량%의 경우 20mm가 낮아졌다. 적층 30분 후의 높이는 SBR 라텍스 함량 0중량%, 1.23중량%, 2.45중량%의 경우 1mm 이내, 3.65중량%의 경우 4mm, 4.84중량%의 경우 3mm가 낮아졌다. 따라서 적층성 측면에서 보면 SBR 라텍스 1.23∼3.65중량%를 첨가하는 것이 바람직하다.
(4) 오픈 타임(open time)
오픈 타임은 유동성을 유지할 수 있는 시간으로 3DCP 공법의 경우 작업 가능시간을 결정하는데 중요한 지표로서 흐름률 시험에 의해 구한다. 흐름률은 ASTM C1437-15 (Standard Test Method for Flow of Hydraulic Cement Mortar)에 따라 시험 하였다.
SBR 라텍스의 함량에 따른 흐름률 변화를 측정하였으며, 기준 흐름률을 70%로 하고, 이 값이 압출이 불가능한 흐름률 55%에 도달할 때까지의 시간을 오픈 타임으로 하였다.
시험 결과, SBR 라텍스 함량 0중량%의 경우 46분, 1,23중량%의 경우 110분, 2.45중량%의 경우 122분, 3.65중량%의 경우 131분, 그리고 4.84중량%의 경우 140분으로 SBR 라텍스의 함량이 증가할수록 길었으며, 이 결과는 도 9에 나타낸 바와 같다. 도 9에서, (1)은 시작점, (2)는 압출이 되지 않는 흐름률 55%의 경계선을 나타낸 것이다.
이하에서는, 3D 모델링 소프프 웨어가 장착된 3D 프린팅 장비에 의한 시공 작업에 있어서 본 발명 혼합물의 굳은 후 성질에 대하여 구체적으로 설명한다.
(1) 압축강도
압축강도 시험은 ASTM C349-14 (Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic-cement Mortars)에 의해 실시하였으며, SBR 라텍스 함량에 따른 재령별 압축강도 발현 양상은 도 10에 나타낸 바와 같다.
SBR 라텍스 함량에 따른 재령 28일 압축강도와, SBR 라텍스 함량 0중량%일 때를 기준으로 하여 산출한 상대압축강도는 하기의 표 3에 나타낸 바와 같다.
SBR 라텍스 함량(중량%) 0 1.23 2.45 3.65 4.84
압축강도(MPa) 43.5 50.4 54.3 60.5 63.2
상대압축강도(%) 100 116 125 139 145
재령 28일 압축강도는 43.5∼63.2MPa로 SBR 라텍스 함량이 많아짐에 따라 증가하였으나 3.65중량%를 넘으면 증가가 둔화되었으며, SBR 라텍스 0중량%에 대한 상대압축강도도 역시 작았다.
압축강도 측면에서 보면 SBR 라텍스의 첨가량이 2.45∼3.65중량%가 적당함을 보여준다.
(2) 휨강도
휨강도 시험은 ASTM C348-14 (Standard Test of Method for Flexural Strength of Hydraulic-Cement Mortars)에 의해 실시하였으며, SBR 라텍스 함량에 따른 재령별 휨강도 발현 양상은 도 11에 나타낸 바와 같다.
SBR 라텍스 함량에 따른 재령 28일 휨강도와 SBR 라텍스 함량 0중량%일 때를 기준으로 하여 산출한 상대휨강도는 하기의 표 4에 나타낸 바와 같다.
SBR 라텍스 함량(중량%) 0 1.23 2.45 3.65 4.84
휨강도(MPa) 12.7 13.6 14.5 16.7 17.9
상대휨강도(%) 100 107 114 130 140
재령 28일의 휨강도는 12.7∼17.9MPa로 SBR 라텍스 함량이 많아짐에 따라 증가하였으나, SBR 라텍스 0중량%에 대한 상대휨강도는 일관되게 커진다.
(3) 탄성계수
본 발명 혼합물의 압축응력-변형률의 관계도는 도 12에 나타낸 바와 같으며, 이 관계도로부터 산출된 탄성계수는 하기의 표 5에 나타낸 바와 같다.
SBR 라텍스 함량(중량%) 압축강도(MPa) 탄성계수(
Figure 112019042294612-pat00001
)(MPa)
0 50.9 2.16
1.23 54.3 2.29
2.45 58.0 2.31
3.65 60.4 2.44
4.84 63.5 2.53
탄성계수는 압축강도의 1/3점에서의 기울기를 구한 할선탄성계수(secant modulus of elasticity)로 SBR 라텍스 함량 0중량%의 경우 2.16×104MPa, 1.23중량%의 경우 2.29×104MPa, 2.45중량%의 경우 2.31×104MPa, 3.65중량%의 경우 2.44×104MPa, 그리고 4.84중량%의 경우 2.53×104MPa로서, SBR 라텍스 함량이 많아질수록 탄성계수는 증가한다.
(4) 건조수축
도 13에 나타낸 바와 같이, 재령 28일의 건조수축 시험결과는 SBR 라텍스 함량 0중량%의 경우 3.31×10-4, SBR 라텍스 함량 1.23중량%의 경우 2.82×10-4, SBR 라텍스 함량 2.45중량%의 경우 2.25×10-4, SBR 라텍스 함량 3.65중량%의 경우 1.84×10-4, 그리고 SBR 라텍스 함량 4.84중량%의 경우 1.44×10-4으로 SBR 라텍스 함량이 증가함에 따라 감소한다.
이와 같이 건조수축이 감소하는 현상은 SBR 라텍스 개질로 이한 폴리머 필름 형성이 매트릭스에서 수축 현상을 제한하는 미세섬유 역할을 하고, 공극을 막아 수분 증발을 억제하는데 기인한다.
(5) 조직구조의 변화
SBR 라텍스에 의한 성능개선의 근거를 파악하기 위하여 고분해능 주사 전자현미경(Hitachi S-4800 모델)에 의해 보통 시멘트 혼합물과 SBR 개질 시멘트 혼합물의 조직구조를 찍은 사진이 도 14이다.
도 14의 (a)에 나타낸 보통 시멘트 혼합물의 경우 수산화칼슘<Ca(OH)2>과 에트링가이트 결정(ettringite crystal)의 형상만이 관찰되었으나, 도 14의 (b)에 나타낸 SBR 라텍스로 개질된 본 발명 혼합물의 경우는 수산화칼슘과 에트링가이트 결정과 함께 폴리머(SBR 라텍스) 입자의 형상도 관찰되었다. 이러한 폴리머 자체라든가 SBR 라텍스에 포함되어 있는 계면활성제는 감수제와 같은 작용을 해서, 슬럼프 값을 증가시키고 물의 사용량을 감소시키고, 상기의 폴리머는 경화된 본 발명 혼합물, 즉 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물의 내부에 필름을 형성하여 압축 및 휨강도, 탄성계수, 건조수축 등에 대한 개선효과를 가져온다.

Claims (11)

  1. SBR(Styrene Butadiene Rubber) 라텍스 1∼5중량%와 포틀랜드 시멘트 23∼25중량%, 물 7∼12중량%, 세골재 50∼54중량%, 플라이 애시(fly ash) 5∼8중량%, 실리카 흄(silica fume) 2∼4중량%, 감수제 0.23∼0.26중량% 및 점도 조절제 0.009∼0.015중량%를 포함하되,
    상기 점도 조절제는 수용성 유기개질점토(organic modified clay)인 것을 특징으로 하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 SBR 라텍스는 에멀션(emulsion) 형태로서 전고형분 함량이 47∼50중량%인 것을 특징으로 하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 세골재는 각형 입자로서 입자크기는 직경 0.05∼5mm, 비중은 1.5∼1.6, 수분함량은 0.1% 이하인 순도 90% 이상의 실리카질 모래인 것을 특징으로 하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 플라이 애시는 KS L 5405(플라이 애시)에 규정되어 있는 2종 플라이 애시이며 수분함량 1.0% 이하인 것을 특징으로 하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 실리카 흄은 이산화규소(SiO2) 함량 90% 이상, 수분함량 1.0% 이하, 비표면적 155000∼159000㎠/g인 것을 특징으로 하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 감수제는 폴리카르본산계(polycarbonate type) 감수제인 것을 특징으로 하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물.
  7. SBR 라텍스 1∼5중량%와 포틀랜드 시멘트 23∼25중량%, 물 7∼12중량%, 세골재 50∼54중량%, 플라이 애시 5∼8중량%, 실리카 흄 2∼4중량%, 감수제 0.23∼0.26중량% 및 점도 조절제 0.009∼0.015중량%를 포함하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조하기 위하여, 1/100 정밀도의 계량저울로 상기한 각 재료를 계량하는 제1과정과;
    상기 제1과정에서 계량한 재료 중 세골재와 플라이 애시 및 실리카 흄을 강제식 믹서로 건비빔하는 제2과정;
    상기 제1과정에서 계량한 재료 중 물에 감수제와 점도 조절제를 넣고 테이블 믹서로 혼합하는 제3과정;
    상기 제3과정에서 만든 혼합물에 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 SBR 라텍스를 넣고 테이블 믹서로 혼합하는 제4과정; 및
    상기 제4과정에서 만든 혼합물을 상기 제2과정에서 건비빔하여 만든 혼합물에 투입한 후 강제식 믹서로 혼합하여 상기한 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조 완료하는 제5과정;
    으로 이루어지되,
    상기 제3과정에서는 20∼30℃ 물에 감수제와 점도 조절제를 넣고 5∼10분 동안 테이블 믹서로 혼합하고,
    상기 제4과정에서는 상기 제3과정에서 만든 혼합물에 상기 제1과정에서 계량한 재료 중 SBR 라텍스를 넣고 5∼10분 동안 테이블 믹서로 혼합하고,
    상기 제5과정에서는 상기 제4과정에서 만든 혼합물을 상기 제2과정에서 건비빔하여 만든 혼합물에 투입한 후 5∼10분 동안 강제식 믹서로 혼합하여 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물을 제조 완료하는 것을 특징으로 하는 3D 콘크리트 프린팅용 SBR 라텍스 개질 폴리머 시멘트 혼합물 제조방법.
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