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Nikkei X-TECH_2020.11.27

3D프린터로 콘크리트 형틀을 만들 수 있는 모르타르
시미즈건설 개발, 굳기까지의 최적 시간이나 적층면의 일체화 실현

시미즈건설은 콘크리트용 3D 프린터로 기둥의 매설 형틀을 만드는 섬유 보강 모르타르 ‘락틈(LACTM)’을 개발했다. 기존의 3D 프린터용 콘크리트가 안고 있던, 굳기까지의 최적 시간이나 적층면의 일체화와 같은 과제를 해소했다. 또한 강도와 인성(靭性)이 높다는 점이 특징이다. 현장에서 3D 프린터를 사용해 매설 형틀을 시공함으로써 철근 콘크리트 제조 시의 노동력을 절감할 수 있다.

락틈은 굳기 전에 적층해도 무너지지 않고 모양을 유지할 수 있다. 시미즈건설은 실험에서, 락틈을 폭 2~4cm, 두께 0.7cm, 초속 10cm의 속도로 압출해도 높이 2.1m의 형틀을 약 2시간에 조형할 수 있다는 것을 확인했다. 프린트가 완료되고 20시간 후에는 콘크리트를 타설할 수 있는 강도가 되었다.

일반적인 모르타르의 경우는 3D 프린터로 형틀과 같은 얇은 구조물을 만들 때, 높이 약 10cm를 쌓으면 모양을 유지하지 못하고 무너져 버린다. 무너지지 않도록 모르타르가 굳기를 기다리면서 적층을 하게 되면 작업 효율이 떨어진다는 과제가 있었다.

또한 적층면에 기포나 틈이 쉽게 생기기 때문에 물이나 공기가 들어가 열화의 원인이 된다. 락틈은 굳기를 기다리지 않고 적층할 수 있기 때문에 적층면을 일체화할 수 있다. 시미즈건설은 콘크리트의 내구성을 평가하는 방법을 이용해 적층 면의 일체화를 확인했다. 콘크리트 표층의 흡수(吸水) 속도를 측정하는 방법에서, 락틈의 절단면에서는 거의 흡수가 일어나지 않아 일반적인 콘크리트의 품질 기준을 웃돌았다. 이를 통해 적층면이 일체화되었다는 것을 확인했다.

-- 압축 강도 110N/mm2로 초 고강도 --
락틈의 재료는 통상의 모르타르에 사용하는 시멘트와 모래에, 길이 6mm의 합성섬유를 추가해 모르타르로서의 점성과 굳은 후의 인성을 높였다. 합성섬유의 상세 내용은 공개하지 않고 있다. 또한 고성능 감수제로 굳는 시간을 제어하고, 실리카 퓸(silica fume)으로 강도를 올리고 있다.

락틈의 구조 성능은 압축 강도 110N/mm2, 휨강도(Bending strength) 10N/mm2로, 일반적인 콘크리트보다 높은 강도를 확보했다. 시미즈건설의 담당자는 “타사의 3D 프린터에서는 일반적인 콘크리트와 동등한 압축 강도 30N/mm2의 재료를 사용하는 경우가 많은 것 같다”라고 말한다. 락틈의 구조 성능을 높인 이유에 대해서는 “고강도∙고인성 재료를 매설 형틀로서 사용함으로써 완성된 부재의 구조 성능이나 내구 성능의 향상을 노렸다”라고 설명한다. 락틈으로 만든 형틀에 콘크리트를 채워 구축한 기둥 부재의 압축 강도를 측정하는 재하(載荷) 실험에서는, 구조 강도나 인성이 동일한 단면 치수의 콘크리트 기둥의 성능을 웃돌았다.

락틈으로 만든 매설 형틀은 3D 프린터의 팔이 닿는 높이인 2.1m까지 조형하는데 성공했다. 노즐을 바꾸는 방법으로 폭은 2~8cm까지 대응할 수 있다. 일반적인 프리캐스트 매설 형틀의 두께는 2~6cm다.

시미즈건설은 실제 건물이나 토목 구조물에 도입하는 것을 검토 중이다. 5년 후에는 자사의 시공 현장에 연간 10건 정도 채용하는 것을 목표하고 있다. 건물의 기둥 구조 부재로서 사용할 경우는 국토교통성의 승인을 취득해야 하지만 현시점에서 취득 예정은 없다. 토목 구조물에 대해서는 기존의 프리캐스트 매설 형틀에서도 형틀을 기둥 부재로 포함해 설계하는 경우가 있다. 또한 외부 판매 예정은 없다. 현장에서의 형틀 조립이나 해체 작업을 생략해 시공 시간을 단축할 생각이다.

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