1. 서 론

21세기 정보통신기술과 컴퓨터기술의 발달은 다양한 변화를 전 사업에 영향을 주고, 4차 산업 혁명이라는 새 로운 산업의 패러다임을 개척하고 있다. 그중 가장 대표 적인 것이 건설자동화라고 할 수 있고, 건설자동화를 실 현할 수 있는 대표적인 기술이 해외에서 활발하게 연구 되고 있는 3D 콘크리트 프린터 공법이다.

건설 산업에서의 최근 요구사항은 기능뿐만 아니라 조형미까지 갖춘 비정형 구조물에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다. 기존의 거푸집 기반의 구조물 제작방법 은 많은 장점이 있지만, 복잡한 비정형 구조물 제작하는 것은 비용 및 기술적인 특성으로 인한 한계를 나타내고 있다. 거푸집을 이용한 제작방법은 대량생산체계에는 적 합하지만 다품종소량생산에서는 제작비용, 공사기간, 공 사비용, 환경오염 등의 문제가 발생될 수 있다. 건설 산 업의 최근 추세는 다양한 형태의 정교한 구조물을 제작 할 수 있는 고객맞춤형 다품종 소량 생산방식의 새로운 시공 방법에 대한 기술개발이 요구된다.

<Figure 1A>의 CC(Contour Crafting)는 미국 남부 캘 리포니아 대학교(USC)의 ‘Behrokh Khoshnevis’ 교수 연 구팀에서 개발한 최초의 건축용 3D 콘크리트 프린팅 기 술로써 기존의 3D 프린팅 기술의 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 응용하여 개발하였다. 해당 기술의 특 징은 미장 칼날 구조를 도입하여 3D 프린팅 공법의 핵 심적 단점인 외부 표면을 추가적인 작업이 필요 없이 매 끄럽게 3D형상을 제작하는 것이다. 이 시스템은 산업계 에서 널리 사용되는 CAD소프트웨어로 설계된 3차원 구 조물 디자인을 3D 프린터를 통해 연속적으로 적층하여 출력하는 FDM 방식의 개념으로 콘크리트 모르타르의 경화 속도를 조절하여 각각의 층을 연속적으로 적층시켜 거푸집이 없이 기성건축자재를 사용하고 로보틱스 기술 과 전통적인 건축법을 융합하여 주거공간을 제작한다[7].

<Figure 1B>에 묘사된 바와 같이 안트레이 루덴코 (Andrey Rudenko)는 그가 직접 설계한 건축용 3D 프린 터를 이용해 약 3.6m높이의 성을 출력하였다. 성의 본체 는 해당 프린터로 제작을 하였으며 그밖에 부수적인 형 상은 따로 출력하여 조립하는 형태로 성을 완성하였다. 원형 노즐을 이용한 FDM 기법과 콘크리트와 모래로 이 뤄진 건축물 재료를 활용하여 제작하였고 이 3D 프린터 의 출력장치는 한 층당 가로 30mm 세로 10mm의 사이 즈로 원료를 압출 시켜 출력할 수 있으며 용도에 따라 출력하는 노즐 사이즈를 조절할 수 있다[3].

APIS COR회사는 전체 건물을 인쇄할 수 있는 건축용 3D 프린터를 개발하여 <Figure 1C>에 나타난 바와 같이 상용화에 적용하고 있으며, 해당 3D 프린터 장비는 건축 물 외부에서 건축물을 출력하는 것이 아닌, 건축물 내부 에서 구조물을 출력하도록 구현되는 것을 특징이고 현장 적용 시 공간적인 제약에서 많은 이점이 있는 것으로 판 단된다[4].

COBOD회사는 갠트리 타입의 건축용 3D 프린터를 개 발하여 <Figure 1D>에 나타난 바와 같이 상용화에 적용 하고 있다. 해당 3D 프린터 장비는 건축물 외부에서 전체 건물과 내부 구조물을 동시에 출력하도록 구현되는 것이 특징이고, 현장 적용 시 공간적인 제약은 있으나 장비 운 영에 있어서 많은 이점이 있는 것으로 판단된다[6].

중국의 3D 프린팅 회사인 Winsun은 건축용 3D 프린터 크기는 높이 20피트(약 6.09미터), 가로 33피트(10.05미 터), 세로 132피트(40.23미터) 정도의 갠트리 타입의 장 비이며, 출력 재료는 건축자재의 섬유강화석고 및 특수 유리섬유를 콘크리트 모르타르에 배합하여 사용하며 경 화제가 추가돼 있어 적층시 각층이 다음 층을 지지할 수 있을 만큼 단단하게 굳어지게 된다. <Figure 1E>에 나타 난 바와 같이 해당 건축용 3D 프린터 기술은 주택을 한 번 출력하는 방식이 아닌 기존의 프리캐스트 공법과 유 사하게 공장에서 건물의 벽들을 각각 3D 프린터로 출력 하여 제조한 뒤 건축 현장에서 출력물들을 한 곳에 조립 한다[1].

국내 건설 분야에서는 한국건설기술연구원에서 “건축 물 부자재 대상 건축용 3D 프린팅 장비 및 설계기술 개 발” 연구 과제를 5년간 진행하였다. 최근 소형 건축물 및 비정형 부재 대상의 3D프린팅 설계ㆍ재료ㆍ장비를 개발 하여 <Figure 1F>에 나타난 바와 같이 소형 단층 견본출 력물을 제작하였다[18].

3D 콘크리트 프린팅기술은 앞에서 언급한 바와 같이 건설주택분야에 주로 활용되었지만 다양한 분야로 활용 범위가 확대될 것으로 예상한다. 해양구조물 건설회사인 오스트리아의 Seaboost는 프랑스 XtreeE와 협업하여 최 근에 해양 인공어초를 육상에서 3D 콘크리트 프린터로 제작하여 해양에 설치하였다. <Figure 2A>는 육상에서 제작된 인공어초를 해양에 설치하고 3년이 경과한 후의 인공어초의 변화 및 환경 상태를 나타낸다[16].

다양한 콘크리트 구조물 및 블록을 생산하는 동산콘 크리트산업(주)은 러시아 기업에서 제작한 3D 콘크리트 프린터를 구입하여 최근에 해양 인공어초를 육상에서 3D 콘크리트 프린터로 제작하여 국내 해양 연안에 설치 하였다. <Figure 2B>는 육상에서 제작된 인공어초를 해 양에 설치하고 1년이 경과한 후의 인공어초 주변의 환경 및 변환 상태를 나타낸다[2].

현재까지 국내의 3D 콘크리트 프린팅 기술은 거주용 주택, 구조물, 등이 육상에서 제작하여 활용하거나 또는 육상에서 제작하여 수중에 설치하는 단계에서 연구개발을 진행하고 있다. 본 연구과제의 최종적인 목적은 다양한 수중 해양구조물(인공어초, 호안/항만블럭, 생태블럭, 케 이슨, 등)을 수중에서 3D 콘크리트 프린터 장비가 직접 적으로 출력하여 해양구조물을 제작하는 것을 목적으로 하고 있다. 현재까지 이와 관련하여 국내외에서 연구개 발이 진행한 사례가 없는 것으로 판단된다. 3D 콘크리트 프린터 장비를 이용하여 육상에서 콘크리트 구조물을 제 작하는 것과 마찬가지로 수중에서 구조물을 직접 제작시 현재의 수중구조물 제작기법에 비하여 다음의 장점이다. 1) 비용절감 효과: 구조물 제작을 위한 거푸집 제작이 필 요 없음, 2) 공사기간단축: 거푸집 및 부자재 제작시간이 필요 없음, 3) 비정형 수중 구조물 제작이 용이함: 수중 생태 및 환경에 적합한 형태의 구조물을 제작할 수 있음, 4) 재해 방지 효과: 해양구조물 제작의 자동화를 통한 작 업자의 안전사고 예방, 5) 첨단기술기반의 일자리 창출, 6) 해양구조물 품질향상: 정밀제어를 이용한 제작으로 적층구조물 품질보장[15, 17].

본 연구과제는 초기 개발 단계로써 수중에서 구조물 을 적층할 수 있는 수중적층용 콘크리트 복합재료를 개 발하는 것이다. 본 논문은 수중에서 구조물을 적층할 수 있는 적층장비의 핵심요소기술과 실험용 수중적층장비 개발에 대한 기본적인 내용을 기술한다. 적층장비의 핵 심요소기술은 이송된 복합재료를 정량정속으로 압출하 고 재료의 출력을 원활히 제어하면서 출력물을 수중에서 적층하는 것이다. 정량정속으로 재료를 압출하면서 재료의 출력을 제어할 수 있는 출력 모듈과 수중적층 시 발생할 수 있는 외력(수중의 유속 및 유동)을 최소화하면서 수 중에서 적층장비의 출력 모듈이 작동하는 것이다. 예비 실험에서 수중적층용 콘크리트 복합재료는 일반적으로 활용되는 3D 콘크리트 프린터 재료와 많은 차이점을 나 타내며 고점도 저유동성 콘크리트 복합재료인 것으로 판 단되었다. 수중적층용 콘크리트 복합재료의 후보군 복합 재료를 이용하여 실험용 수중적층장비에 대한 간단한 압 출 및 적층실험을 진행하여 기본적인 결과물에 대한 내 용을 기술하였다.

2. 적층시공 장비 및 제어시스템 개발

일반적인 연구 개발자들이 건축용 3D 프린터 기술을 개발할 때에 3D 프린터 장비 개발에 집중하는 경향이 있다. 여러 가지 많은 연구에서 발표되었지만 프린터용 복합재료는 일반적인 콘크리트 재료와 많은 차이점이 있 다[5, 14]. 따라서 원활한 연구개발을 위하여 본 연구에서 개발된 수중적층용 콘크리트 3D 프린터 시스템은 크게 두 가지의 장비 모듈로 구성되어 있다. <Figure 3>은 본 연구를 위하여 개발할 실험용 수중 적층시공의 시스템 개념도를 나타낸다.

<Table 1>은 앞장에서 언급한 3DCP장비와 수중적층 용 복합재료 개발을 위하여 제작한 실험용 수중적층장비 의 기본적인 제원에 대한 간략한 비교를 정리하였다.

2.1 적층시공 시스템의 3D프린터 장비개발

<Figure 4>에서 표현된 적층장비는 본 연구를 위하여 개발된 4축 갠트리 로봇타입의 수중 적층용 적층장비이다. 각축은 L사의 Xmotion 시리즈의 서보모터(액추에이터) 와 감속기를 사용하여 축의 이동속도, 이동거리, 회전각 등을 제어한다. 일반적으로 자동화 공정에 많이 사용되 는 PLC(Programmable Logic Controller) 프로그램이 모터 드라이브와 연동하여 각축의 서버모터 동작을 자동으로 제어를 할 수 있다.

기본적으로 X, Y, Z축의 작동메커니즘은 선형 가이드 레일이 사용되었다. 회전축(A축)의 작동메커니즘은 평기어 유형으로 사각노즐(100×30mm)의 회전동작에 사용되고, 고정형 마감칼(30×60mm)이 사각노즐 선단에 설치되었 다. 또한 수중적층을 위하여 회전용 서보모터에는 방수 기능을 실현하게 제작된 방수용 하우징을 장착하였다. 호퍼에 이송된 재료를 노즐선단으로 압출하는 압출모터 는 일반적으로 절삭용 머신센터에서 사용되는 스핀들 (Spindle)축과 같은 개념으로 장착되었다[10]. 각축에 사 용된 선형/회전가이드와 서보모터의 사양은 <Table 2>와 <Table 3>에 개략적으로 정리하였다. 각축의 서보모터는 감속기(10:1), 엔코더(serial 19bit), 및 브레이크를 장착한 일체형을 사용하였다.

일반적으로 절삭 가공용 공작기계 제작에서 각각의 축에 두 개의 모터를 평행하게 배치하여 가감속에서 발 생하는 진동을 최소화한다. 이와 같은 문제점을 해결하 기 위하여 X, Z축는 두 개의 서보모터를 배치하고 가감 속에서 발생하는 진동을 최소화하였고, 또한 X, Z축은 각각 두 개의 서보모터에 대하여 동기화(Synchronization) 를 통하여 제어함으로써 하나의 서보모터와 같이 위치 제어를 할 수 있다. 상대적으로 이동거리가 짧은 Y축은 하나의 서보모터로 위치 제어를 한다.

원형노즐을 사용하는 주택용 3D프린터에서는 3D형상을 출력하는데 있어서 회전축이 필요하지 않다. 본 연구를 위 하여 개발된 적층장비는 사각노즐과 마감칼을 사용함으로 3D형상을 출력하는데 회전축이 반드시 필요하다. 사각노즐 과 마감칼의 활용은 원형노즐보다 다양한 여러 장점이 있는 것으로 이미 학계에 발표되었고 최근에 해외의 상용화 적층 장비에도 많이 적용되고 있다 [4, 6, 7, 8, 9, 10]. 노즐회전축 의 구동은 평기어를 이용하여 3D형상의 가장자리를 X, Y축 과 연동하여 회전축 서보모터가 작동함으로써 3D입체형상 을 출력한다. <Figure 5>은 노즐 회전용 서보모터 방수테스 트를 나타내고 노즐 회전용 서보모터를 침수하여 노즐의 회전동작을 간이작업으로 테스트를 한 것이다. <Figure 3> 의 개념도에서 묘사한 바, 수중적층 실험에서 노즐부가 수 중에서 작동함으로 방수처리된 노즐 회전용 서보모터가 누 수현상이 없이 원활히 작동하여야 한다.

적층장비에 설치된 호퍼는 구조물 출력중에 발생할 수 있는 다양한 문제점을 해결하는데 많은 이점이 있다.

또한 배처플랜트에서 압송되는 재료의 양과 노즐선단 에 출력되는 재료의 양을 동기화하는 것은 매우 어려운 난제이다. 적층장비에 설치된 호퍼는 재료의 출력양을 조절하는 완충장치(Buffer)의 역할을 하면서 이와 같은 문제점을 해결한다. 호퍼상단에 설치된 스핀들(Spindle) 축은 스크류 오거(Screw auger)에 의하여 출력재료를 노 즐선단에 정량정속으로 이송한다.

2.2 적층시공 시스템의 배처플랜트(Batcher Plant) 개발

앞에서 언급하였지만 건축용 적층시공 기술개발에 있 어서 프린터용 복합재료를 개발하는 것은 적층장비 개발 과 동급의 다양한 기술난이도가 필요하다. 일반적인 콘 크리트재료와 다르게 프린터용 콘크리트 복합재료는 점 도가 높고 유동성이 낮은 재료의 특성을 나타낸다. 복합 재료개발의 예비실험에서 파악한 바, 수중적층용 콘크리트 복합재료는 고점도 저유동성의 특성이 요구된다. 이와 같은 특수 콘크리트 복합재료를 배합하고 프린터장비에 이송하기 위하여 특별한 배합/이송 장비를 개발하였다. <Figure 6>는 수중적층용 콘크리트 복합재료를 배합하고 적층장비에 복합재료를 압송하기 위하여 개발된 배합/이 송 장비이다. 위 장비는 세 개의 중대형 교류모터가 설치 되고 그것의 사양은 <Table 4>에 개략적으로 정리한다. 또한 각각 교류모터는 3상 4극을 사용하였다.

개발된 배처플랜트의 각각의 모듈의 다음의 기능을 수행하기 위하여 제작되었다.

2.3 적층시공 시스템의 장비제어모듈 개발

개발된 제어부의 제어시스템은 L사에서 공급하는 MXP 2.0의 실시간 모션제어기(Real-time Motion Controller)를 사 용하였다. 이 모듈은 기본적으로 EtherCAT 통신과 다양한 토플로지를 지원하고, 최대 32축에 대한 서보제어 및 동시지 령 9축 지원하고, PLC 프로그램과 컴퓨터 수치제어 (Computer Numerical Control)기능인 G-code 프로그램을 지 원한다[13]. 따라서 일반적으로 사용되는 프린터용 슬라이 싱 패키지에서 생성된 G-code를 제어시스템에 업로드하여 간단한 프로그램 수정 과정을 통하여 구조물 출력에 직접적 으로 사용할 수 있다. <Figure 7>는 모션제어기의 시스템구 성과 시스템 아키텍처(system architecture)를 나타낸다.

제어시스템 구조에서 RAV(RMC Advanced Visualizer) 프로그램은 기본적으로 모션제어(MXP) 시스템을 구동 시키기 위한 HMI(Human Machine Interface)을 편집하고 관리할 수 있는 툴로써 산업용 PC와 연동하여 작동하다. RAV의 주요기능은 1) 레지스터 데이터의 읽기와 쓰기; 2) G-코드 편집, 경로미리보기, NC파일관리; 3) 파라미터 설정, 시스템 모니터링 등의 기능을 한다[8].

RAS(RMC Automation Studio)프로그램은 기본적으로 모 션제어(MXP) 시스템을 구동시키기 위한 데이터 파일을 편 집하고 관리할 수 있는 툴로써 3개의 모듈로 구성되어 있다. 1) PLC Editor 모듈은 Ladder 프로그램을 편집, 모니터링, 컴파일, 다운로드 함; 2) Parameter Editor 모듈은 P레지스터 의 설정 및 다운로드/업로드, S레지스터의 모니터링, C레지 스터의 설정; 3) Scanner 모듈은 ENI파일을 생성하고 이를 통하여 Master 장치가 EtherCAT 통신을 할 수 있는 기능을 부여한다[8].

<Figure 8>에 나타난 적층시스템 제어모듈은 장비운영 부와 장비제어부로 구분된다. 장비운영부는 PC의 HMI 를 통하여 적층장비를 자동으로 제어하고 또한 배합/이 송 장비를 수동으로 제어하는 장비운영부분이다. 장비제 어부는 적층장비 및 배합/이송 장비를 제어하기 위한 CPU 및 PLC모듈, 모터드라이브, 통신모듈, 파워모듈 및 차단 기 등으로 구성되어 있다.

2.4 장비운영 인터페이스 설계 및 개발

제어시스템에서 장비 운영을 위한 인터페이스(HMI)는 RAS와 RAV 프로그램을 이용하여 개발되었고 여러 가 지의 창으로 구성되어 있다. <Figure 9>은 적층장비의 운 전을 통하여 구조물을 출력하는데 있어서 중요한 인터페 이스를 나타내고 있다. 각각의 인터페이스에 대하여 간 략하게 설명을 다음과 같이 나타낸다.

3. 비정형 적층구조물 출력실험

3D 콘크리트 프린터를 활용한 적층공법을 적용한 시 멘트계 복합재료에 대하여 보통포틀랜드 시멘트, 플라이 애시, 실리카 폼을 적용한 콘크리트 적층 및 수축변형률과 시멘트 복합재료와 폴리카르본산계 고성능 감수제를 활 용하여 3D 프린팅용 콘크리트의 압출성능에 요구되는 레올로지 특성에 대한 연구는 국내의 다수 연구진에 의 하여 진행이 되었다[11, 12].

<Figure 10>은 예비실험에서 개발한 수중적층용 콘크 리트 복합재료를 활용하여 간이수조에서 복합재료의 수 중적층성을 실험한 것이다. 예비실험에서 개발된 콘크리트 복합재료는 수중에서 적층이 가능한 것으로 확인이 되었 고 3D 프린터 장비를 활용한 추가적인 실험을 통하여 재료의 성능을 개량할 것이다. 본 연구를 위하여 개발된 수중적층 실험용 3D 콘크리트 프린터 장비의 성능과 수 중적층용 콘크리트 복합재료의 거동을 평가하기 위하여 육상실험을 통하여 다양한 비정형 구조물 및 시험체를 제작하고 평가하였다. 또한 적층된 콘크리트 구조물과 시험체의 거동 평가를 위하여 시험체는 일반 콘크리트 표준 시험과 적층 콘크리트 시험으로 구분하여 콘크리트 구조물의 성능으로 압축강도, 휨강도와 같은 굳은 상태 의 콘크리트 구조물 성능을 비교하였다.

3.1 실험용 복합재료

수중적층용 콘크리트 복합재료의 결합재는 보통 포틀랜 드시멘트(ordinary Portland cement; OPC), 실리카 품(Silica fume; SF)을 사용하였고, 물리․화학적 특성을 <Table 5>에 나타내었다. 잔골재는 국제 표준사(ISO 679)를 사용하였고, 화학첨가제는 유동성 확보를 위해 폴리카르복실계 고성능 감수제(High water reduction agent; HWRA)와 적층성 확보를 위해 셀룰로오스계 증점제(Viscosity agent)를 사용하였다.

수중적층용 콘크리트 복합재료를 활용한 배합설계를 <Table 6>에 나타내었다. 결합재는 중량비 OPC: SF = 9:1로, 잔골재는 결합재 중량대비 2배를 적용하였다. 화 학첨가제의 경우 고성능 감수제는 결합재의 중량대비 0.8%, 증점제는 배합수의 중량대비 2.5%를 적용하였다.

3.2 비정형 구조물 제작 실험

3D 콘크리트 프린터를 활용하여 콘크리트 구조물을 적층할 경우에 다음의 요소들을 고려하여 재료 배합을 설계하여야 한다.

<Figure 11>은 재령 28일 설계기준강도 50MPa을 만족 하는 수중적층용 복합재료를 활용하여 출력한 다양한 비 정형 적층구조물을 나타낸다. 출력 시 레이어 폭과 높이는 각각 100, 50mm로 적용하였고, 최종 높이는 500mm가 되도록 적층하였다.

4. 실험결과

4.1 시험체 제작 및 시험평가

굳은 상태의 콘크리트 성능 평가를 위하여 일반 콘크리트 표준시험은 몰드 성형방식과 적층 콘크리트는 압출 성형방 식으로 <Figure 12A>에 표현한 바와 같이 시험체를 제작하 였다. 압축강도 측정용 시험체 제작에 있어서 몰드 성형 방식으로 직경 100mm, 높이 200mm의 실린더 형으로 제작 하였다. 압출 성형 방식은 폭 100mm, 높이 200mm, 길이 1,500mm의 적층 시험체를 레이어 높이 50mm 단위로 출력 하여 특수제작된 몰드를 이용하여 직경 100mm, 높이 200mm의 원주형 공시체를 추출하였다.

<Figure 12B>에 표현한 바와 같이 콘크리트의 압축강 도 시험은 KS F 2405(콘크리트 압축강도 시험방법)에 준 하여 수행하였고, 경화된 콘크리트는 25℃에서 기건양생 하여 재령 1, 7, 14, 28일에 압축강도를 측정하였다.

<Figure 13A>에 표현한 바와 같이 휨강도 측정용 시험체 제작의 경우, 몰드 성형 방식은 폭 100mm, 높이 100mm, 길이 400mm의 빔 형으로 제작하였다. 압출 성형 방식은 폭 100mm, 높이 100mm, 길이 1,500mm의 적층 시험체를 레이 어 높이 50mm 단위로 출력하여, 시험체가 굳지 않은 상태에 서 폭 100mm, 높이 100mm, 길이 400mm로 재단하였다.

콘크리트의 휨강도 시험은 <Figure 13B>에 표현한 바와 같이 KS F 2408(콘크리트의 휨강도 시험방법)에 준하여 수행하였고, 경화된 콘크리트는 25℃에서 기건양생하여 재령 7, 14, 28일에 휨강도를 측정하였다. 시험 시 전단력 을 배제하고 순수한 모멘트의 영향만을 고려하기 위해 3 등분점 재하 방법으로 휨강도를 측정하였다.

4.2 압축강도 시험분석

압축강도 측정을 위한 실린더형 시험체를 연마 후 지름, 높이, 무게, 밀도를 <Table 7>에 나타내었고, 콘크리트 압축 강도의 측정결과를 <Figure 14>에 나타내었다. 재령 28일 압축강도 시험 결과, 일반 콘크리트는 56.4MPa, 3D 프린터 를 활용한 적층 콘크리트는 50.1MPa로 측정되었고, 적층 시험체의 압축강도가 일반 시험체의 압축강도 보다 11.3% 낮게 나타났다. <Table 7>에 나타난 것처럼 적층 시험체 및 일반 시험체의 지름은 동일하나, 적층 시험체는 일반 시험체 보다 높이가 낮고, 무게가 적으며, 밀도의 경우 약 2.2% 낮게 나타났다. 이는 일반 시험체의 경우 다짐을 통하 여 천이대의 강도를 개선하는 것과 달리, 적층 시험체는 적층 시 계면에서의 공극이 발생되어, 레이어간 결합력이 감소되어 압축강도가 낮게 나타나는 것으로 판단된다.

4.3 휨강도 시험분석

휨강도 측정을 위한 빔 시험체를 별도의 가공 처리 없 이, 휨강도 측정 전의 시험체의 규격을 상부폭의 경우 100mm로 일정하게 나타났으며, 하부폭, 높이, 길이, 무 게, 밀도를 <Table 8>에 나타내었고, 콘크리트 휨강도 시 험결과를 <Figure 15>에 나타내었다. 재령 28일 휨강도 시험 결과, 일반 콘크리트는 5.3MPa, 적층 콘크리트는 6.1MPa로 측정됨에 따라, 적층 시험체의 압축강도가 일 반 시험체의 압축강도 보다 14.8% 높게 나타났다.

<Table 8>에 나타난 것처럼 적층 시험체 및 일반 시험체 의 상부폭과 높이는 동일하고, 길이는 거의 유사하다. <Figure 16>의 시험체 단면에 나타난 바와 같이 적층 시험 체는 2개의 레이어로 구성되어 있다. 적층 시험체는 두 번째 레이어(50-100mm) 적층 시 첫 번째 레이어 (0-50mm) 는 처짐이 발생하여 사다리꼴 형상을 나타내고, 첫 번째 레이어의 평균 하부폭은 110.7mm로 나타났다.

적층 시험체는 일반 시험체 보다 밀도의 경우 약 8.0% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 높이와 상부 폭이 서로 같으나, 적층 시험체의 하부폭이 일반 시험체 보다 넓기 때문에 단면 2차모멘트가 더 크므로 적층 시험체의 휨강도 가 더 크게 측정된 것으로 판단된다. 한편, 압축강도 시험결 과, 적층 시험체의 압축강도가 일반 시험체 보다 낮게 측정되 어, 시험체의 단면 2차모멘트와 도심을 적용해 휨강도에 대한 추가적인 검토가 필요한 것으로 판단된다.

휨강도 시험 후 일반 콘크리트와 적층콘크리트 시험체의 윗면 및 측면을 <Figure 17>에 나타내었다. 콘크리트 시험 체의 파괴거동은 일반 시험체와 적층 시험체 모두 지간 중앙부 하면에서 시작된 휨인장 균열이 압축부로 진전되면 서 파괴되는 양상을 보이는 것으로 나타났다.

5. 결 론

본 논문은 수중적층용 시험장비 개발과 제어시스템의 설계요소들에 기술하였다. 4축 출력장비와 재료배합/이 송 배치플랜트에 대한 기본적인 기구설계와 제반적인 구 성 및 제원에 대하여 기술하였다. 수중적층용 장비운영 을 위한 인터페이스(HMI)와 제어시스템을 개발하고 특 성에 대하여 간략하게 설명하였다.

또한, 적층장비와 배치플랜트의 성능검증을 위하여 다 양한 비정형 구조물을 육상실험에서 제작하여 적층시스 템의 성능을 검증하였다. 비정형 콘크리트 구조물을 육 상에서 출력 시 세계 최대의 레이어 폭(100mm)과 높이 (50mm)를 적용하여 적층시공에 적합한 콘크리트 배합설 계를 다양한 시험을 통하여 실시하였다.

압축강도 시험에서 일반 시험체의 압축강도 보다 11.3% 낮게 나타났지만, 적층 콘크리트는 50.1MPa의 강도를 나타 내며 일반적인 콘크리트 구조물의 시공강도로서는 충분한 것으로 판단된다. 휨강도 시험에서 적층 콘크리트는 6.1MPa 의 강도를 나타내며 일반 시험체의 휨강도 보다 14.8% 높게 나타났다. 시험체의 단면 2 차모멘트와 도심을 적용해 휨강 도에 대한 추가적인 검토가 필요한 것으로 판단된다.

<Figure 18>은 수중적층 시험용 프린터장비를 이용하 여 비정형구조물을 수중에서 출력하는 것과 적층후의 결 과물을 나타낸다. 간이수중실험을 통하여 고찰한 여러 가지 문제점은 추가적인 수중실험 및 연구를 통하여 개 선하고 보완을 할 것이며, 실험용 수중적층장비 및 운영 시스템의 보완 작업도 지속적으로 이루어질 것이다. 3D 콘크리트 프린팅 기술은 다양한 4차 산업기술과 접목하 여 향후 건설/토목 분야의 자동화 건설 시스템에 중요한 요소 기술이 될 것이라고 기대한다.