Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 30, No. 6, pp. 641~648, December, 2018 https://doi.org/10.4334/jkci.2018.30.6.641 pissn 1229-5515 eissn 2234-2842 www.jkci.or.kr 3D 프린팅으로출력한알칼리활성화페이스트의강도증진을위한후처리방법 박광민 1)* 이준 2) 이봉춘 3) 1) ( 재 ) 한국건설생활환경시험연구원생활제품사업본부주임연구원 2) ( 재 ) 한국건설생활환경시험연구원대전충남지원선임연구원 3) ( 재 ) 한국건설생활환경시험연구원건축환경재료센터센터장 Improvement in Strength of 3D Printed Alkali-activated Slag/Fly Ash Paste Kwang-Min Park, 1)* Jun Lee, 2) and Bong-Chun Lee 3) 1) Junior Research Engineer, Consumer Product Business Division, Korea Conformity Laboratories, Seoul 08503, Rep. of Korea 2) Senior Research Engineer, Daejeon & Chungnam Branch, Korea Conformity Laboratories, Daejeon 34113, Rep. of Korea 3) Center Manager, Built Environment Materials Center, Korea Conformity Laboratories, Daejeon 28115, Rep. of Korea ABSTRACT The purpose of this study is to replace powder with alkali-activated ground granulated blast furnace/fly ash, apply Binder Jetting 3D printing to the construction field, and improve the compressive strength of 3D Printed output using post-processing. Binder Jetting 3D printing requires strength improvement through post-processing because powder-powder combinations depend on an adhesive. Therefore, in this study, alkali activators such as liquid sodium silicate, powder type sodium silicate, and sodium hydroxide were used as post-processing to increase the compressive strength of Binder Jetting Alkali-activated Slag/Fly Ash Paste As a result, bulk density was improved from 1.10 g/cm 3 to 1.48 g/cm 3 and water-absorption ratio from 44.9 % to 15.1 %. The compressive strength was significantly increased by 486 % from 1.46 MPa to 7.10 MPa due to the production of C-S-H; Calcite was formed due to the reaction between alkali-activated powder and alkali activators during post-processing. Keywords : Additive Manufacturing, 3D Printing, Binder Jetting, Construction, Alkali-Activated Materials 1. 서론 1) 1.1 적층제조및 3D 프린팅기술개요 3D 프린팅이란재료를자르거나깎아서생산하는절삭가공과대비되는개념으로공식용어는적층제조 (AM, Additive manufacturing) 또는쾌속조형 (RP, Rapid Rrototyping) 이라고한다. 이처럼적층제조로표준화되는 3D 프린팅은금속분말, 세라믹, 왁스및폴리머소재등을 2차원패턴으로적층가공해 3차원제품으로제조하는기술이다. ASTM F2792-12(2015) 에서는 3D 모델데이터로부터형상을만들기위하여연속된재료를한층한층씩 (layer upon layer) 적층하는방법으로절삭가공기술과대비되는기술이다 라고정의한다. 또한광원의종류, 적층방식및소재에따라구분하고있으며. ASTM에서는 3D 프린팅기술을크게 7가지로구분하여정의하고있다. *Corresponding author E-mail : kmpark@kcl.re.kr Received September 10, 2018, Revised October 04, 2018, Accepted October 05, 2018 c2018 by Korea Concrete Institute 전세계적으로 3D 프린팅기술및신소재개발이접목되어의료, 나노, 전자및건축분야등으로적용범위의한계를극복하고있다. 마찬가지로 3D 프린팅기술을건설업계에적용하려는노력이진행되고있다. 전통적건설기술과비교해 3D 프린팅을적용함에따라 (1) 노동력을줄일수있으며, 이에따른건설비용저감및안전성이높아지며, (2) 일정한조건으로운용됨에따라건설시간단축이가능하며, (3) 정밀한재료적층에따른시공오류를최소화할수있을것으로기대되고있다. 그리고무엇보다도 (4) 정교한설계가가능하여건축적자유도를증가할수있다. 그러나 3D 프린팅기술을건설업계에적용하기에는아직미비한수준이다. 그원인으로 3D 프린터기계적측면은장비스케일, 적층속도및적층정밀도등의기술적요소가있으며, 재료적측면은소재강도, 적층성 (Buildability), 압출성 (Extrudability), 접착성 (Workability, Interlayer Bonding) 및응결성 (Open time) 등의기술적요소가문제라고생각한다. 이러한문제를해결하기위하여지난몇년동안건설업계에서 3D 프린팅을활용하기위한다양한기술이개발되었으며, 대표적으로 Extrusion Printing 및 Powder Printing 기술로양분된다. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/ by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 641
Table 1 Additive manufacturing categories as classification by ASTM F2792-12(2015) Category Description Technologies Materials Binder jetting (BJ) Liquid bonding agent selectively deposited to join powder 3DP (CJP), Ink-jetting polymer, metal, ceramic Material extrusion (ME) Material selectively dispensed through nozzle or orifice FDM (FFF) polymer Material jetting (MJ) Droplets of build material selectively deposited Powder bed fusion (PBF) Thermal energy selectively fuses regions of powder bed Directed energy deposition (DED) Sheet lamination (SL) Vat photopolymerization (VP) Focused thermal energy melts materials as deposited Sheets of material bonded together Liquid photopolymer selectively cured by light activation Polyjet, Ink-jetting, MJP DMLS, SLM, EBM, SLS Direct metal deposion Ultrasonic consolidation, LOM SLA, DLP polymer, waxes polymer, metal, ceramic metal polymer, metal, ceramic polymer, metal, ceramic 1.2 적층제조방식 1.2.1 Extrusion Printing( 재료압출방식 ) Extrusion Printing 방식은 ASTM에서 ME(Material Extrusion) 기술로정의하고있다 (Table 1). 세부기술로는 FDM(Fused Deposition Modeiling) 방법이대표적이다. FDM 방식을적용하여페이스트, 모르타르및콘크리트등을프린터재료로써건설분야에적용하는연구가진행되고있다. 미국캘리포니아대학의 Khoshnevis et al.(2006) 이개발한컨투어크래프팅 (Contour Crafting) 및영국러프버러대학의 Lim et al.(2009) 이개발한콘크리트프린터가대표적이다. 1.2.2 Powder Printing( 분말적층방식 ) Powder Printing 방식은 ASTM에서 BJ(Binder Jetting) 및 PBF(Powder Bed Fusion) 등으로기술을정의하고있다. BJ는분말형태의소재위에액체형태의접착제를토출시켜분말사이의결합을통해 3차원구조물을형성시키는방식이다. PBF는분말을담은분말베드에레이저, 전자빔등고에너지를부분적으로조사하여분말재료의용융-고화현상의반복작업으로 3차원구조물을형성시키는방식이다. Powder Printing 기반 AM 시스템은재료압축방식과비교해보다복잡하고기하학적구조를만들수있는 AM 공정이다. BJ 방식을채용하여시멘트복합재료를프린터재료로써건설분야에적용하는연구가최근에진행되고있다. Cesaretti et al.(2014) 등의 D-Shape 및 Rael et al.(2011) 등의 Emerging Objects가대표적이다. 1.3 본연구목표 Extrusion Printing은기둥, 벽등과같은대형건설부재의현장시공을목표로하는것이바람직하고, Powder Printing 은건설외장재등프리캐스트부재를직접출력 (Direct Component Production, DCP) 하여현장조립하는방법과비정형거푸집을출력 (Formwork Production, FP) 하여프리캐스트부재를제작하는방법이바람직하다고저자는생각한다. Powder Printing 기반의 Binder Jetting 3D 프린팅프로세스의개요는 Fig. 1과같다. 프린터헤드를이용하여액체상태의접착제를파우더재료에선택적으로분사하여한층을굳히면베드가한층아래로내려가고, 새로운파우더를도포한후 ( 약 0.1 mm) 접착제를분사하는과정을반복하면서 3차원조형물을적층한다. 적층공정을반복하면서특정건조시간후에어블로워를사용하여접착되지않은파우더를제거한다. Binder Jetting 방식이건설분야에활용되기위해서는프린터장비및파우더재료적측면에서의개선이필요하다. 현재프린터장비의경우는건설분야에적용가능한대형프린터가개발되고있으며, 15 m 4 m 1 m 규모의 D-Shape 및 4 m 2 m 1 m 규모의 Voxeljet VX4000이대표적사례이다. 재료적측면에서는 Gibbons et al.(2010) 에의한초속경시멘트 (Rapid Hardening Portland Cement), Maier et al.(2010) 에의한칼슘알루미네이트시멘트 (Calcium Aluminate Cement) 및 Cesaretti et al.(2014) 에의한산화마그네슘시멘트 (Magnesium Oxychloride Cement) 등의급결성시멘트기반의파우더를 Binder Jetting 에적용하는사례가보고되고있다. 본논문에서는 Powder Printing 기반의 Binder Jetting 방식으로건설외장재를직접출력 (Direct Component Production, DCP) 하는것에초점을맞추고있다. 본방식을채택한이유는 Extrusion Printing과비교해서포트가불필요하여미세한디테일과복잡한모양을가진외장재를생산할수있기때문이다. 또한본논문에서는 Binder Jetting 3D 프린팅파우더의적용범위를확대하기위해서플라이애시 (Fly Ash, FA) 및고로슬래그미분말 (Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS) 등의알칼리활성화결합재 (Alkali-Activated Materials, AAM) 를파우더재료로선정하였다. Park et al.(2017) 에따르면, AAM은보통포틀랜드시멘트 (Ordinary Portland Cement, OPC) 에비해압축강도, 황산염저항성, 건조수축및친환경 642 한국콘크리트학회논문집제 30 권제 6 호 (2018)
(a) Binder Jetting 3D Printing system (b) Binder Jetting 3D Printing process (Powder/Liquid interaction between adjacent layers) Fig. 1 Schematic illustrations of Binder Jetting 3D Printing process 성측면에서우수성을보유하고있으며, 알칼리자극제에의한강도증진이가능하다. Gibbons et al.(2010) 및 Maier et al.(2010) 에따르면, Binder Jetting 방식은파우더소재사이의결합이접착제에의존하기때문에후처리를통한강도증진이반드시필요하다. 따라서본논문에서는 AAM 기반 Binder Jetting 3D 프린팅출력물의강도증진을위하여, 액상형규산나트륨 (Sodium silicate, Na 2 SiO 3 ), 분말형규산나트륨 (Sodium silicate, Na 2 SiO 3 ), 수산화나트륨 (Sodium hydroxide, NaOH), S사표면경화제및 A사에폭시본드등을적용하여강도증진을확인하였다. 2. 재료 2.1 파우더 2.1.1 물리 화학적특성 AAM으로는 KS L 5405 2종 FA 및 KS F 2563 3종 GGBFS 를사용하였으며, 본실험에사용한 FA 및 GGBFS의물리적성질및화학성분은 Table 2와같다. Fig. 2의 X선회절분석결과에따르면 FA는이산화규소 (SiO 2, Quartz) 및뮬라이트 Table 2 Physical properties and chemical composition of FA and GGBFS Physical properties FA GGBFS Type II III Density (g/cm 3 ) 2.34 2.94 Blaine (cm 2 /g) 3 680 4 280 Ig.loss (%) 3.36 0.01 Chemical components (%) FA GGBFS SiO 2 52.3 34.3 Al 2 O 3 21.8 14.2 Fe 2 O 3 8.3 0.5 CaO 6.9 43.0 MgO 1.9 2.7 K 2 O 1.0 0.5 Na 2 O 1.5 0.2 SO 3 0.6 3.6 3D 프린팅으로출력한알칼리활성화페이스트의강도증진을위한후처리방법 643
Polymer의입도분석은 Fig. 3과같다. 주원료인 GGBFS는 D 10 =19.2 µm, D 50 =35.8 µm, D 90 =64.4 µm로 D av =39.3 µm이며, FA는 D 10 =16.0 µm, D 50 =31.7 µm, D90=62.8 µm로 D av =36.6 µm로확인되었다. 부원료인 Na 2 SiO 3 의 D av =73.7 µm, Water-soluble Polymer의 D av =100.8 µm로확인되었다. 2.2 접착제 Fig. 2 XRD patterns of FA and GGBFS 미국 Z-Corp의 Zb 63 binder를접착제로사용하였다. 본접착제는순수한물에 0~1 % 수준의 2-피롤리돈 (2-Pyrrolidone) 을첨가한것으로보고되고있다. 2.3 후처리재료 액상형규산나트륨 (SiO 2 28.2 %, Na 2 O 9.3 %, H 2 O 65.5 %, Fig. 3 Particle size distribution of powder materials (Al 6 Si 2 O 13, Mullite) 가주성분으로확인되었으며, GGBFS는 Anhydrite 및 Amorphous hump peak( 회절각 2θ=30 부근 ) 가넓은언덕형태로확인되었다. 또한알칼리활성화제로분말형규산나트륨 (SiO 2 52.5 %, Na 2 O 25.5 %, insoluble H 2 O 22.0 %, Sodium silicate solution, Na 2 SiO 3 ) 과파우더및접착제간의접착성향상을위하여분말형수용성고분자 (Water-soluble Polymer, WP) 를최종혼합파우더에특정비율로첨가하였다. 2.1.2 입도분석혼합파우더원료인 GGBFS, FA, Na 2 SiO 3, Water-soluble Sodium silicate solution, Na 2 SiO 3 ), 분말형규산나트륨 (SiO 2 52.5 %, Na 2 O 25.5 %, insoluble H 2 O 22.0 %, Sodium silicate, Na 2 SiO 3 ) 1M 수용액, 순도 98 % 수산화나트륨 (Sodium hydroxide, NaOH) 1M 수용액, 규산 (Silicic acid) 및염화나트륨 (Sodium salts) 이주요성분인 S사표면경화제및 A사에폭시본드등을사용하였다. 3. 후처리개요 본논문에서는 Table 3과같이 8가지방법으로후처리를실시하였다. 20 mm 20 mm 20 mm 의큐빅공시체를출력한후에, 각후처리용액에침지시키고진공데시케이터에 5 분간존치하였다. 그후 24시간동안 70 C 고온양생을실시하고, 재령 3일까지 (20 ± 2) C, 상대습도 (RH) (60 ± 5) % 의항온항습실에보관하였다. 상세한후처리방법은다음과같다. (1) WPP는후처리미실시 (2) SSS는액상형규산나트륨침지 (3) 분말형규산나트륨을용해한 1M 수용액에침지 (4) 분말형수산화나트륨을용해한 1M 수용액에침지 (5) 액상 Table 3 3D Printed cubic specimens in different post-processing environments No. Sample designation Post-processing environment Bulk density (g/cm 3 ) Water absorption (%) Compressive strength (MPa) 1 WPP without post-processing 1.10 44.88 1.46 2 SSS Liquid-type Sodium silicate solution 1.27 35.93 5.06 3 1M-SS Sodium silicate (1 mole aqueous solution) 1.21 37.12 3.30 4 1M-SH Sodium hydroxide (1 mole aqueous solution) 1.22 35.50 4.63 5 (SSS+SH)-1.0-1cy Liquid-type Sodium silicate solution + Sodium hydroxide, Ms 1.0 (SiO 2 /Na 2 O molar ratio, Ms), 1 cycle post-processing 1.16 32.97 5.21 6 Liquid-type Sodium silicate solution + Sodium hydroxide, (SSS+SH)-1.0-2cy Ms 1.0 (SiO 2 /Na 2 O molar ratio, Ms), 2 cycle post-processing 1.23 21.89 7.10 7 SHD Liquid-type Surface Hardener 1.19 33.28 5.57 8 EB Liquid-type Epoxy bond 1.20 34.28 3.50 9 (SSS+SH)-SHD SHD After (SSS+SH)-1.0-1cy 1.48 15.10 6.54 644 한국콘크리트학회논문집제 30 권제 6 호 (2018)
형규산나트륨에분말형수산화나트륨을 Ms(SiO 2 /Na 2 O molar ratio) 1.0 비율로용해한수용액에침지하고 1일 1회반복 (6) 액상형규산나트륨에분말형수산화나트륨을 Ms 1.0 비율로용해한수용액에침지하고 1일 1회를 2일간반복 (7) S사표면경화제를 100 C 조건의챔버에 24시간존치한고농도표면경화제용액에침지 (8) 에폭시본드침지 (9) 는 (5) 및 (7) 의후처리방법을순차적으로실시하였다. 4. 실험개요 4.1 출력물정확도 (Dimensional Accuracy) Fig. 4와같이 20 mm 20 mm 20 mm 의큐빅형상출력물을정확도 0.01 mm의디지털버니어캘리퍼스를사용하여 CAD 설계모델과치수를비교하였다. 출력물정확도 (Dimensional Accuracy, DA) 는식 (1) 과같이측정하였다. 본논문에서는 XY-방향및 Z-방향 ( 적층방향 ) 으로 2가지방향에대해서측정하였다. 측정시료는후처리전의총 80개를대상으로하였다. (1) 제부피 (cm 3 ) 이다. 4.3 흡수율 20 mm 20 mm 20 mm 의큐빅형상출력물을각각의후처리방법을실시한후의흡수율을식 (3) 와같이측정하였다. (3) 여기서, W a 는흡수율 (%), m w 는큐빅공시체를 1시간침지시킨후, 물에서꺼내서표면수를닦아낸표면건조질량 (g), m d 는실온에서 24 시간자연건조한질량 (g) 이다. 4.4 압축강도 20 mm 20 mm 20 mm의큐빅형상출력물을각각의방법으로후처리한후재령 3일에서 UTM(INSTRON 50 kn) 을사용하여재하속도 0.04 kn/s로압축강도를측정하였다. 단, 본논문에서는 Z-방향 ( 적층방향 ) 에한정하여측정하였다. 4.5 X 선회절분석 (XRD) 여기서, L은출력시험체길이 (mm), L CAD 는 3D 설계모델의치수 (mm) 이다. 4.2 부피밀도 (Bulk density) 20 mm 20 mm 20 mm 의큐빅형상출력물을각각의후처리방법을실시한후의부피밀도를식 (2) 와같이측정하였다. 후처리전후의 AAM 반응생성물의변화를평가하기위하여페이스트분말샘플을대상으로 MINIFLEX 600(Rigaku) 을이용하여 XRD를측정하였으며, 측정조건은 CuKα :40 kv, 15 ma, Scanning speed : 5 /min, 측정범위는 5-65 /2θ로하였다. 단, 본논문에서는후처리미실시 (without post-processing, WPP) 및액상형규산나트륨과염화나트륨을 Ms 1.0으로혼합하여 1일 1회후처리한시료 ((SSS+SH)-1.0-1cy) 에한정해서측정하였다. (2) 여기서, 는부피밀도 (g/cm 3 ), m d 는실온에서 24시간자연건조한질량 (g), V M 는디지털버니어캘리퍼스를사용한실 5. 실험결과및고찰 5.1 출력물정확도 (Dimensional Accuracy) Binder Jetting 3D 프린팅의출력품질은출력물정확도실험으로평가할수있다. Table 4에후처리전의총 80개출력물에대한측정방향별정확도를 [ 편차평균값 ± 표준편차 ] 로표기하였다. XY-방향및 Z-방향에서 (0.01 ± 0.17) % 및 (0.19 ± 0.13) % 의정확도가확인되었으며, Z-방향이 XY-방향보다정확도가떨어지는결과값이나타났다. 본연구의측정대상은큐빅형태의정형화된형상에국한된것으로서 Binder Jetting의전체적인출력품질성을판단하기에는한계 Table 4 Dimensional accuracy of 3D printed cubic specimens Fig. 4 3D Printed Alkali-activated GGBFS/FA Paste Dimensional accuracy (%) XY-orientation Z-orientation 3DP cubic 0.01 ± 0.17 0.19 ± 0.13 3D 프린팅으로출력한알칼리활성화페이스트의강도증진을위한후처리방법 645
가있다. 따라서, 향후비정형및다공성형상을대상으로다각적인측정방법제안및실측이필요하다고생각한다. 5.2 부피밀도 (Bulk density) Fig. 5와같이 WPP의부피밀도는 1.10 g/cm 3 으로나타났다. 여기서혼합파우더의밀도가 2.61 g/cm 3 인것을고려하면출력물의공극률은 57.8 % 로추측할수있다. 또한 WPP 와비교해후처리에따라부피밀도는 1.16 g/cm 3 에서 1.48 g/cm 3 까지증가하는경향을확인하였다. 이는공시체의내부공극에후처리용액이침투하고반응물이생성된것에기인하는것으로판단된다. (SSS+SH)-1.0-2cy 및 (SSS+SH)-SHD 에서 1.23 g/cm 3 및 1.48 g/cm 3 으로가장큰부피밀도를확인하였다. 5.3 흡수율 Fig. 5와같이 WPP의흡수율은 44.9 % 로나타났다. 또한 WPP와비교해후처리에따라흡수율은 38.1 % 에서 15.1 % 까지낮아지는경향을확인하였다. 이는공시체의내부공극에후처리용액이침투하고반응물이생성된것에기인하고있다고판단된다. (SSS+SH)-1.0-2cy 및 (SSS+SH)-SHD에서 21.9 % 및 15.1 % 가장낮은흡수율이확인되었다. 이는후처리를반복수행함에따라내부공극뿐만아니라표면이코팅되는효과에의해흡수율이급격히낮아진것으로판단된다. Fig. 6에흡수율과부피밀도의관계를나타내었다. 그결과 3D 프린팅출력물의흡수율이큰것은부피밀도가낮은것에기인하고있다고판단된다. 단, 연행공극 (Entrained pore) 및닫힌공극 (Entrapped pore) 이존재하기때문에출력물의흡수율과공극률과는차이가발생하는것으로판단된다. 향후출력물의내부공극에대한추가적인연구가필요하다고판단된다. 5.4 압축강도 Fig. 5와같이 WPP의압축강도는 1.46 MPa로나타났다. 즉, AAM 파우더및접착제간의경화반응은진행되지않으며, 반드시후처리를통한강도증진이필요하다고말할수있다. 본연구에서는후처리에따라 3.30 MPa에서 7.10 MPa 10 9 Fig. 5 3D Printed cubic specimen properties in different postprocessing environments Compressive strength (MPa) 8 7 6 5 Equation y = a + b*x Plot Bulk density 4 Weight No Weighting 3 Intercept 1.05098?0.09252 Slope 0.03768?0.01857 2 Residual Sum of Squares 0.05833 Pearson's r 0.60868 1 R-Square(COD) 0.37049 Adj. R-Square 0.28057 0 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Bulk density (g/cm 3 ) Fig. 7 Relationship of compressive strength and bulk density 10 9 Compressive strength (MPa) 8 7 6 Equation y = a + b*x 5 Plot Water absorption Weight No Weighting 4 Intercept 52.60365?4.92909 Slope -4.30828?0.98904 3 Residual Sum of Squares 165.56439 Pearson's r -0.8547 2 R-Square(COD) 0.73051 Adj. R-Square 0.69201 1 10 15 20 25 30 35 40 45 Water absorption (%) Fig. 6 Relationship of water absorption and bulk density Fig. 8 Relationship of compressive strength and water absorption 646 한국콘크리트학회논문집제 30 권제 6 호 (2018)
로 226 % 및 486 % 로압축강도가증가되는것을확인하였다. 이와같이후처리과정은 Binder Jetting 3D 프린팅으로부재를직접출력 (Direct Component Production, DCP) 할경우반드시필수적인과정이라고생각한다. SSS 및 (SSS+SH)-1.0-1cy 의압축강도는각각 5.06 MPa 및 5.21 MPa로나타나, 액상형규산나트륨과수산화나트륨을병행사용한방법이단독사용보다우수한강도증진을얻을수있었다. 단, 추가실험을통해 Ms(SiO 2 /Na 2 O molar ratio) 에따른강도증진을정량화할필요성이있다고판단된다. 또한 (SSS+SH)-1.0-1cy 및 (SSS+SH)-1.0-2cy의압축강도는 5.21 MPa 및 7.10 MPa로후처리를반복수행함에강도가 136 % 증진되는경향이확인되었다. 따라서후처리반복회수에대한추가실험을통해강도증진을정량화할필요성이있다. SHD의경우에도 5.57 MPa로강도증진이확인되었다. 이는 SHD의주요성분이규산 (Silicic acid) 및염화나트륨 (Sodium salts) 으로구성되어있으므로상기후처리용액과동일한반응이일어난것으로판단된다. 또한 SSS+SH를수행한후 SHD로추가후처리를한경우 5.21 MPa에서 6.54 MPa로압축강도가증진되었다. 결론적으로, AAM 파우더는알칼리활성화제기반의후처리용액과반응성을나타내고있다. 따라서, 향후최적의후처리용액및방법을도출하기위한실험적연구가필요하다고판단된다. Figs. 7 및 8에압축강도및부피밀도, 압축강도및흡수율의관계를나타냈다. 압축강도는부피밀도와정비례, 흡수율과는반비례하는경향이확인되었다. 5.5 X선회절분석 (XRD) AAM의경우, Lothenbach et al.(2007) 에따르면, 알칼리활성화제와반응하여 FA에기반한지오폴리머겔이라고부르는알칼리-알루미노실리케이트겔 (Sodium aluminosilicate hydrate gel, N-A-S-H) 이생성되며, Richardson et al.(1994) 에따르면, GGBFS에기반한규산칼슘수화물 (Calcium Silicate Hydrate, C-S-H) 이생성되는것으로보고되고있다. 본연구를통해 AAM 파우더를사용한 Binder Jetting 3D 프린팅출력물의경우에도알칼리활성화제기반의후처리방법을통한강도증진이가능한것을확인하였다. 따라서 본논문에서는 Fig. 9와같이 WWP 및 (SSS-SH)-1.0-1cy의반응생성물을평가하여강도증진의원인을추론하였다. 여기서, XRD 시료는최대한큐빅공시체의중심부에서채취하였다. WWP는 FA 및 GGBFS를단순배합한것과동일하게 FA에기인한 Quartz 가주로확인되었다. 반면 (SSS-SH)-1.0-1cy 의경우에는 FA에기인한 Quartz뿐만아니라, GGBFS에서기인된 C-S-H 및 Calcite가 28.5 /2θ 및 39.0 /2θ부근의피크에서확인되었다. 결론적으로 AAM 파우더를사용한 3D 프린팅출력물은후처리를통해서도 C-S-H가생성되고이에따라서강도증진이가능한것으로판단된다. 단, 본연구에서는 20 mm 20 mm 20 mm 의큐빅형상을대상으로알칼리기반후처리용액을침투하였다. 향후침투깊이에대한추가적인실험이필요하다고판단된다. 6. 결론본논문에서는 Powder Printing 기반의 Binder Jetting 방식에알칼리활성화결합재 (Alkali-Activated Materials, AAM) 를파우더재료로적용하기위한실험적연구를수행하였으며, 그결과는다음과같다. 1) AAM 혼합파우더를사용한 Binder Jetting 3D 프린팅기술의가능성을확인하였고, XY-방향및 Z-방향에서 (0.01 ± 0.17) % 및 (0.19 ± 0.13) % 의출력정확도를확인하였다. 2) AAM 파우더적용 Binder Jetting 3D 프린팅공시체의부피밀도는 1.10 g/cm 3 로확인되었으나, 후처리 ((SSS+ SH)-SHD) 에의해 1.48 g/cm 3 까지개선할수있었다. 3) AAM 파우더적용 Binder Jetting 3D 프린팅공시체의흡수율은 44.9 % 로확인되었으나, 후처리 ((SSS+SH) -SHD) 에의해 15.1 % 까지개선할수있었다. 4) AAM 파우더적용 Binder Jetting 3D 프린팅공시체의경우에도알칼리활성화제기반의후처리방법을통한강도증진이가능한것을확인하였다. 후처리 ((SSS+ SH)- 1.0-2cy) 에의해압축강도는 7.10 MPa로후처리미실시대비 486 % 의강도증진을확인하였다. 5) 후처리에의한강도증진은 AAM과알칼리활성화제가반응하여 C-S-H 및 Calcite가생성되는것에기인하는것으로판단된다. 감사의글 본연구는국토교통부도시건축연구사업 소형건축물및비정형부재대상 3D 프린팅설계, 재료및장비개발 (18AUDP-B121595-03) 에의해수행되었습니다. References Fig. 9 XRD patterns of WWP and (SSS-SH)-1.0-1cy ASTM F 2792-12 (2015) Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. 3D 프린팅으로출력한알칼리활성화페이스트의강도증진을위한후처리방법 647
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