관입 저항침 시험을 이용한 3D 프린팅 모르타르 극초기 재령 거동 예측 :Prediction of Early Age Behavior of 3D Printed Mortar Using Penertation Resistance Test

박인범

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박인범 (계명대학교, 계명대학교 대학원)

지도교수: 양준모

발행연도: 2023

저작권: 계명대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2023

관입저항침시험 및 일축압축시험 상관관계 결과 이용 3D 프린팅 모르타르의 극초기 재령 거동 예측에 대한 실험적 검증

박인범 , 류승룡 , 양준모 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2023.11 학술대회자료

굳지않은 3D 프린팅 모르타르의 관입 저항침시험 및 일축압축시험

박인범 , 류승룡 , 양준모 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2023.05 학술대회자료

관입 저항침 시험을 이용한 3D 프린팅 모르타르 극초기 재령 거동 예측

박인범 토목공학과 2023.01 학위논문

2022

적층공법 적용 모르타르의 극초기 재령 역학적 거동 평가를 위한 일축압축시험

박인범 , 류승룡 , 양준모 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2022.11 학술대회자료

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최근 건설업계에서 혁신적인 시공 기술 중 하나로 꼽히는 3D 콘크리트 프린팅(3DCP) 공법은 형상 자유도가 높고 거푸집 공사를 생략할 수 있어 설계의 유연성과 폐기물 절감, 친환경적 시공 등 다양한 장점을 가지고 있다. 이러한 많은 장점에도 불구하고 3DCP 공법은 아직 개선해 나가야 할 많은 과제를 안고 있다. 3DCP 공법의 적용을 위해서는 적층성능과 압출성능의 상반된 재료 특성을 모두 만족하며, 선행 출력된 적층물이 후속 출력된 적층물의 자중과 압력을 지지할 수 있을 정도의 항복강도가 발현되어야 한다. 이를 확인하기 위해 적층물에 대한 역학적 특성 평가가 진행되어야 하지만 표준화된 성능 검증 시험방법이 없는 것이 현 실정이다. 또한, 실시간으로 변하는 3DCP의 품질을 평가할 수 있는 방법이 없기 때문에 3DCP 시공 현장에서 높은 빈도로 쉽게 수행할 수 있는 실시간 품질관리 시험방법이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 동시에 해결할 수 있고, 굳지않은 3DCP의 역학적 특성 변화를 실시간으로 예측 가능하며, 시공현장에서도 높은 빈도로 쉽게 수행할 수 있는 실시간 품질관리 시험방법으로 관입저항침시험을 제안하고 그 방법론을 검증하였다.
극초기 재령 3DCP에 대한 일축압축시험과 관입저항침시험을 동시에 진행하여 일축압축강도-관입저항강도 상관관계를 도출하였다. 관입저항성능에 영향을 미칠 수 있는 세 가지 변수(배합비, 증점제, 섬유)를 고려한 다섯 가지 배합(Mix-1∼5)을 선정하여 각 배합에 대해 실험을 진행하였다. 그 후 도출된 상관관계 식 검증을 위해 한 변수 배합(Mix-1)에 대해서 3DCP 거동 예측 검증 시험을 진행하였고, 적층물의 예측 높이와 실제 적층물의 높이를 비교하여 거동 예측 방법의 정확도를 평가하였다.
배합별 일축압축강도-관입저항강도 상관관계식 도출을 위한 실험에서는 섬유가 혼입되지 않은 Mix-1, 2, 3 배합은 서로 유사한 경향을 보였으며, 시멘트 페이스트 배합비, 증점제의 변화에도 일축압축강도-관입저항강도는 일정한 상관관계를 나타내었다. 섬유가 혼입된 Mix-4, 5 배합에서는 섬유 혼입량이 증가할수록 일축압축강도 발현 속도에 비해 관입저항강도 발현 속도가 더 빠르게 나타났으며, 섬유의 배열이 관입저항성능에 영향을 미쳐 관입저항강도의 편차가 큰 경향을 보였다. 3DCP 거동 예측 검증 시험에서는 적층물 시험체에 관입저항침시험을 적용하여 관입저항강도를 구하고, 도출된 일축압축강도-관입저항강도 상관관계식을 통해 적층물의 항복강도를 추정하였다. 추정된 응력-변형률 곡선에서 자중을 포함한 압출력에 대한 변형률을 도출하고 적층물의 높이변화를 예측하였다. 출력실험 결과 측정된 적층물의 높이와 예측된 적층물 높이 차이는 1.3%로 나타나 본 3DCP 거동 예측 방법의 높은 정확도를 확인할 수 있었다. 굳지않은 3DCP의 역학적 특성과 관입저항강도 간의 많은 상관관계 데이터를 사전에 확보한다면 3DCP 시공 현장에서 실시간으로 출력 품질관리가 가능한 시험방법으로 관입저항침시험이 적극 활용될 것으로 기대된다.

3D concrete printing (3DCP), one of the most innovative construction technologies in the industry, has numerous advantages, including design flexibility, reduced waste, and eco-friendly construction due to its high geometric freedom and ability to reduce formwork. Despite these benefits, the 3DCP method faces several challenges that need to be addressed. To apply the 3DCP method, it is necessary to balance conflicting material characteristics of buildability and pumpability. The previously printed layers should have sufficient yield strength to support the self-weight and extrusion pressure of subsequent layers. To verify this, the mechanical properties of the printed parts should be evaluated. However, there is currently no standardized performance verification test method. Additionally, evaluating the real-time quality of 3DCP poses a challenge, and there is a need for a real-time quality control test method that can be easily performed at a high frequency on construction sites. In this study, the penetration resistance test as a real-time quality control method that can address these issues simultaneously was proposed and has been validated. It can predict changes in the mechanical properties of fresh 3DCP in real time and can be easily performed at high frequency in construction sites.
The uniaxial unconfined compression test and the penetration resistance test were simultaneously conducted for extremely early age 3DCP to establish the correlation between unconfined compressive strength and penetration resistance. Five different mixes (Mix-1 to Mix-5) were selected, considering three variables that can affect the penetration resistance performance (mix design, viscosity modifying agent, and fiber), and experiments were conducted for each mix. To validate the derived correlation equation, a 3DCP behavior prediction verification test for one mix (Mix-1) was conducted and the accuracy of the 3DCP behavior prediction method by comparing the predicted printed parts height with the actual one.
In the experiments to derive the correlation equation between unconfined compressive strength and penetration resistance for each mix, the mixtures without fiber (Mix-1, 2, 3) showed similar tendencies. The correlation between unconfined compressive strength and penetration resistance exhibited a consistent correlation despite changes in cement paste mix proportion and viscosity modifying agent. In mixtures with fiber (Mix-4, 5), as the fiber content increased, the penetration resistance exhibited a faster development compared to the unconfined compressive strength. The arrangement of the fibers affected the penetration performance, which tended to result in larger fluctuations in penetration resistance.
In the 3DCP behavior prediction validation test, penetration resistance tests were conducted on the printed parts to determine the penetration resistance. The derived correlation equation between unconfined compressive strength and penetration resistance was used to estimate the yield strength of the parts. From the estimated stress-strain curve, the strain for the extrusion force, including self-weight, was derived, and the height change of the printed parts was predicted. The experimental results show that the difference between the measured printed parts height and the predicted one was 1.3%, confirming the high accuracy of this 3DCP behavior prediction method. By obtaining a large amount of correlation data between the mechanical properties of fresh 3DCP and penetration resistance in advance, it is expected that the penetration resistance test will be actively utilized as a real-time quality control method on 3DCP construction sites.

#3D Concrete Printing #관입저항침시험 #일축압축시험 #극초기 재령 거동 예측

1. 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 4
2. 배경이론 6
2.1 3D 콘크리트 프린팅 6
2.1.1 3D 콘크리트 프린팅 개요 6
2.1.2 굳지않은 3D 콘크리트 프린팅 요구성능 9
2.1.3 3D 콘크리트 프린팅 특성 10
2.1.4 3D 콘크리트 프린팅 장비 12
2.2 일축압축시험 19
2.3 관입저항침시험 20
3. 실험계획 및 방법 21
3.1 실험변수 21
3.1.1 배합비 21
3.1.2 증점제 22
3.1.3 섬유 22
3.2 실험재료 23
3.2.1 결합재 23
3.2.2 잔골재 24
3.2.3 혼화제 24
3.2.4 섬유 26
3.3 실험방법 28
3.3.1 슬럼프 플로우 실험 28
3.3.2 일축압축강도 및 관입저항강도 상관관계 분석 29
3.3.3 3DCP 거동 예측 검증 시험 36
4. 실험결과 및 고찰 42
4.1 일축압축강도-관입저항강도 상관관계 분석 42
4.1.1 Mix-1 42
4.1.2 Mix-2 56
4.1.3 Mix-3 61
4.1.4 Mix-4 66
4.1.5 Mix-5 71
4.1.6 배합 변수 간 결과 비교 분석 77
4.2 3DCP 거동 예측 검증 시험 결과 82
4.2.1 출력품질 평가 결과 82
4.2.2 관입저항침시험 결과 83
4.2.3 적층물 예측 높이 및 실제 적층물 높이 측정 결과 비교 84
4.2.4 층간 적층 시간에 따른 변형 예측 86
5. 결론 88
참 고 문 헌 90
영 문 초 록 95
국 문 초 록 99

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