3D 프린터는 다양한 산업현장에 적용할 수 있는 제조방식으로 비선형 구조물을 기존의 방법보다 쉽고 빠르게 제조할 수 있는 장점이 있다. 건설산업에서도 이 같은 장점을 활용하기 위해 많은 연구를 진행하고 있으나 시멘트 복합재료의 배합은 3D 프린터로 출력이 가능할 때까지 많은 시행착오를 거쳐야 한다. 또한, 서로 상반된 특성인 강도특성과 유동특성을 모두 만족해야 하는 어려움이 있다.
따라서, 이 연구에서는 ME 방식 건설용 3D 프린터를 이용하여 시멘트 복합재료를 출력하기 위해 재료를 선정하고 굳지 않은 상태에서의 시멘트 복합재료 유동성에 영향을 미치는 재료구성 체적 특성인 간극비를 기초로 한 배합지표를 제안하고 각 역학적 특성과의 상관관계를 분석하여 배합설계에 도움을 줄 수 있도록 하였다. 또한, ME 방식 3D 프린팅 시멘트 복합재료의 공극특성으로 인해 감소되기 쉬운 다양한 내구특성에 대한 성능을 평가하고 성능 개선을 위한 기술을 제안하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) ME 방식 3D 프린팅용 시멘트 복합재료의 기초배합을 설계하기 위해 W/B, SS/B, Ad/B 요인을 제어하면서 흐름값과 압축강도, 출력성을 확인하였으며 출력이 가능한 시멘트 복합재료의 배합범위를 확인하는 한편 출력이 가능한 범위에서의 흐름값과 압축강도를 확인하였다.

(2) ME 방식 3D 프린팅용 시멘트 복합재료의 각 특성을 반영할 수 있는 단일 지표를 구하기 위해 물막두께 이론을 이용하였으며 ME 방식 3D 프린팅용 시멘트 복합재료의 유동성은 출력이 가능하면서 적층이 가능한 한 적정 범위를 유지해야 하기 때문에 물 막 두께가 일반적인 시멘트 복합재료보다 과소하거나 환경적 요인에 의해 민감하게 도출될 수 있어 물 막 두께를 도출하는 요소 중 입상재료 간 물리적 체적비율을 나타내는 간극비 를 채택하여 유동성을 배합체 전체 체적에 대한 특성으로 반영하였다. 기초 배합에서의 를 산출하여 흐름값과 압축강도의 상관관계를 분석한 결과 흐름값과 낮은 재령에서 높은 상관관계를 나타냈으며 재령이 지날수록 상관성은 낮아지나 유의미한 경향을 나타내는 각 배합의 역학적 특성과 간극비 와 상관성이 있음을 확인하였다. 일부 배합을 제외한 모든 배합에서 출력이 가능하였으며 양호한 출력성을 가지고 있는 출력범위는 0.60~0.70으로 나타났다.

(3) ME 방식 3D 프린팅용 시멘트 복합재료 출력물의 형상에 대한 품질을 평가하기 위해 적층 두께에 대한 균일성과 정확성 특성을 산출하는 방법에 대하여 제안하였으며 적층 두께에 대한 특성이 간극비 에 대하여 균일성과 정확성 모두 특정 간극비까지 증가하다가 감소하는 경향성을 나타내는 것을 확인하였다. 간극비 가 약 0.65~0.70 사이에서 높은 균일성과 정확성 나타내 배합에 따라 최적값을 나타내는 구간이 있음을 확인하여 정량적 지표로 활용할 수 있을 것으로 판단되나 적층선을 수기로 작성함에 따라 작업자의 주관적인 오류가 반영될 수 있어 과정을 자동화하는 연구가 필요하다.

(4) 출력성을 개선하기 위해 간극비 를 0.6~0.7로 제어한 배합을 출력하여 출력성을 평가한 결과, 모든 배합에서 출력이 가능하였으나 출력 표면의 불연속성과 치수 안정성을 고려하면 TS-5가 가장 우수한 치수 안정성 및 외관특성을 나타냈다. 역학적 특성을 평가한 결과 출력성 및 압축강도, 휨강도, 인장강도는 간극비 가 0.65인 TS-5 배합이 우수한 편으로 나타났으며 3D 프린팅으로 제작한 시험체의 재령 28일 압축강도, 휨강도, 인장강도는 각각 24.62 MPa, 4.13 MPa, 2.73 MPa로 나타났다. 각 배합의 역학적 특성은 압축강도의 경향을 따랐으며 이를 기준으로 3D 프린팅으로 제작한 시험체와 몰드 다짐 타설로 제작한 시험체의 압축강도의 비율은 28일 재령 기준 각 배합에서 50.3 % ~ 70.0 %, TS-5 기준 68.6 %로 측정되었으며 이는 3D 프린팅 계면 공극특성에 의한 강도 저감으로 판단된다. 길이변화율의 경우 최종재령에서 TS-5 배합을 3D 프린터로 출력한 시험체 기준 0.325 %, 몰드에 타설한 시험체 기준 0.299 %로 3D 프린터로 출력한 시험체가 다소 높게 나타났으나 차이가 미소하였다. 종합적으로 W/B 37.5 %, SS/B 100 %, Ad/B 0.3 %, 규사 7호를 사용한 TS-5 배합이 출력성 및 역학적 특성면에서 우수한 것으로 나타났다.

(5) ME 방식 3D 프린팅 시멘트 복합재료의 내수성, 내동해성, 내염성, 내탄산화 성능과 같은 내구특성을 개선하기 위해 (C2H6OSi)n, Na2SiO3, Sodium silicate series 용액을 이용하여 침지/코팅을 통해 시험체를 보강하였으며 동결융해 저항성 개선율은 47.5 %로 Na2SiO3, 내수성, 내염성, 내탄산화 개선율은 각각 36.3 %, 77.1 %, 50.4 %로 (C2H6OSi)n가 가장 우수한 것으로 나타났다. Sodium silicate series의 경우 동결융해 저항성 및 내염성에 대하여각각 개선율 40.0 %, 61.8 %의 성능을 나타냈다. 그러나, 실제 현장에서의 적용을 위해서는 침지 뿐만 아니라, 분사 방법, 표면 도포 방법 등과 같은 다양한 적용방법에 대한 연구가 필요하다.

(6) 본 연구에서는 ME 방식 3D 프린팅용 시멘트 복합재료 배합을 간극비 로 제어하여 출력성 및 역학적 특성을 확보하고 성능개선을 기법을 제시하는 한편 적층두께에 대한 평가방법을 제시하였다. 연구결과 간극비 는 유동성, 역학적 특성에 대하여 상관관계를 가지고 있는 것을 확인하였으며 이를 제어하여 배합한 개선배합에서도 우수한 출력성을 확보할 수 있어 ME 방식 3D 프린팅용 시멘트 복합재료의 배합설계에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 증점제 등 입상재료의 체적특성을 반영할 수 없는 지표에 대해서는 간극비 에 대한 상관성이 다소 불규칙해지는 점을 고려하여 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

3D printer is a manufacturing method that can be applied to various industrial sites, and has the advantage of being able to manufacture non-linear structures faster and easier than conventional methods. Although the construction industry is conducting a lot of research to take advantage of these advantages, the mixing design of cement composite materials must go through a lot of trial and error until it can be printed with a 3D printer. In addition, there is a difficulty in satisfying both strength characteristics and flow characteristics, which are opposite characteristics.
Therefore, in this study, materials were selected to print cement composites using a 3D printer for construction using the ME method, and a mixing design index based on the void ratio, which is a material composition volume characteristic that affects the fluidity of cement composite materials in an unconsolidated state. was proposed and the correlation with each mechanical characteristic was analyzed to help the mixing design.
In addition, the performance of the ME method 3D printing cement composite material, which is easily reduced due to the pore characteristics, was evaluated for various durability characteristics, and a technique for performance improvement was proposed. The results obtained through this study are summarized as follows.

(1) The flow value, compressive strength, and printability were checked while controlling W/B, SS/B, Ad/B factors to design the basic mixture of cement composite material for ME method 3D printing. The mixing range of, and the flow value and compressive strength in the range where output is possible were confirmed.

(2) The water film thickness theory was used to obtain a single index that can reflect each characteristic of the cement composite material for ME method 3D printing. The fluidity of the cement composite material for ME method 3D printing must be maintained within an appropriate range as much as possible while printing is possible, so the water film thickness may be less than that of general cement composite materials or sensitively derived from environmental factors. Therefore, among the factors deriving the thickness of the water film, the void ratio representing the physical volume ratio between the granular materials was adopted to reflect the fluidity as a characteristic of the total volume of the mixing design. As a result of analyzing the correlation between the flow value and the compressive strength by calculating in the basic mixing designs, a high correlation was shown with the flow value at low age. It was confirmed that there is a correlation with the gap ratio. Output was possible in all mixing designs except for mixing designs, and the output range with good printing properties was 0.60 to 0.70.

(3) In order to evaluate the quality of the shape of the cement composite material output for the ME method 3D printing, a method for calculating the uniformity and accuracy characteristics for the layer thickness was proposed and evaluated. As a result of the evaluation, it was confirmed that the characteristics of the layer thickness showed a tendency to decrease after increasing to a specific void ratio in both uniformity and accuracy with respect to the void ratio. It was confirmed that there is a section showing the optimum value depending on the mixing design, showing high uniformity and accuracy with the pore ratio between about 0.65 and 0.70, and it is judged that it can be used as a quantitative indicator. As the layer line is drawn by hand, the subjective error of the operator may be reflected, so research on automating the process is needed.

(4) In order to improve the printability, the printability was evaluated by outputting the mixture with the void ratio controlled to 0.6~0.7. As a result, printing was possible in all combinations, but considering the discontinuity of the output surface and dimensional stability, TS-5 is the most It showed excellent dimensional stability and appearance characteristics. As a result of evaluating the mechanical properties, the printability, compressive strength, flexural strength, and tensile strength were found to be excellent in the TS-5 mixing design with a void ratio of 0.65. The compressive strength, flexural strength, and tensile strength of the specimen manufactured by 3D printing at 28 days of age were 24.62 MPa, 4.13 MPa, and 2.73 MPa, respectively. The mechanical properties of each mixing design followed the trend of the compressive strength. Based on this, the ratio of the compressive strength of the specimen manufactured by 3D printing and the specimen manufactured by compaction casting was 50.3 % to 70.0 %, TS-5 It was measured to be 68.6 % based on standards, which is judged to be a reduction in strength due to the pore characteristics of the 3D printing interface.

(5) To improve the durability characteristics such as water resistance, frost resistance, salt resistance, and carbonation resistance of the ME method 3D printing cement composite material, (C2H6OSi)n, Na2SiO3, Sodium silicate series solution was used to immersion/coating the specimen. The improvement rate of freeze-thaw resistance was 47.5%, and Na2SiO3, water resistance, salt resistance, and carbonation resistance were 36.3%, 77.1%, and 50.4%, respectively, indicating that (C2H6OSi)n was the best. Sodium silicate series showed 40.0% and 61.8% improvement in freeze-thaw resistance and salt resistance, respectively. However, for actual field application, research on various application methods such as immersion as well as spraying method and surface coating method is required.

(6) In this study, the mixing of cement composite materials for ME method 3D printing was controlled by the void ratio to secure printability and mechanical properties, and the performance improvement method was presented, and the evaluation method for the laminate thickness was presented. As a result of the study, it was confirmed that the void ratio u has a correlation with the fluidity and mechanical properties, and excellent output performance can be secured even in the improved mixing design by controlling this. Therefore, it is judged that it can be utilized in the mixing design of cement composite materials for ME method 3D printing. However, for indicators that cannot reflect the volume characteristics of granular materials, such as thickeners, additional research is needed in consideration of the fact that the correlation with the void ratio u becomes somewhat irregular.