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2025년 5월 28일 (수) 12:41 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 콘크리트 균열 보수를 위한 3D 프린팅 캡슐 개발

영문 : Development of 3D-Printed Capsules for Concrete Crack Repair Solutoin

과제 팀명

보수해조

지도교수

문영일 교수님

멘토교수

김지수 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 이**(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 강**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 김**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 유**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 이**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 임**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제의 목적은 균열을 스스로 치유하는 '자가치유형(Self-Healing)' 기술에 대한 관심이 높아지고 있음에 따라 3D 프린팅 기술을 활용하여 콘크리트 구조물 내부에 삽입 가능한 자가치유형 균열 보수 캡슐을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 외부의 인위적인 유지보수 없이도 균열을 초기 단계에서 차단할 수 있으며, 구조물의 수명 연장과 유지관리 효율 향상에 기여할 수 있다.

- 3D프린팅 기술의 활용

캡슐의 형상 설계는 Autodesk Inventor를 활용한 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 통해 정밀하게 수행되었으며, 설계된 모델은 적층 제조(additive manufacturing) 방식의 3D 프린팅 기술을 이용하여 시제품으로 제작. 이를 통해 설계의 구조적 적합성 및 실제 제작 가능성을 실험적으로 검토하고, 성능 평가를 위한 기반을 마련한다.

- 균열 보수제의 활용

캡슐의 기능적 성능 평가는 3점 휨 실험을 통해 캡슐 파괴 시 보수제의 자발적 방출 여부 및 방출 특성을 확인하는 방식으로 수행된다. 아울러, 촉진 탄산화 실험을 통해 균열면에 도달한 보수제가 실제로 균열을 치유하는지 여부와 그 효과의 정량적 평가를 병행함으로써, 자가치유 메커니즘의 실효성을 종합적으로 검토한다.

개발 과제의 배경

현대의 건설 산업에서 콘크리트는 건축물, 교량, 도로, 댐 등 주요 사회기반시설의 핵심 구조 재료로 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 콘크리트는 시간 경과에 따른 온도 변화, 반복 하중, 습도, 이산화탄소, 염분 등 다양한 외부 환경 요인의 영향으로 미세균열이 발생하기 쉬우며, 이러한 균열을 장기간 방치할 경우 구조물의 기계적 성능 저하뿐만 아니라 심각한 안전사고로 직결될 수 있다. 특히 균열은 철근 부식, 탄산화, 동결융해 등의 열화 메커니즘을 가속화시켜 콘크리트의 내구성과 수명을 급격히 저하시키는 주요 인자로 작용한다.

이에 따라 최근에는 외부 개입 없이 구조적 손상을 스스로 치유할 수 있는 '자가치유형(Self-Healing)' 기술에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이는 구조물의 유지관리 부담을 경감하고 수명을 연장하는 차세대 기술로 주목받고 있다. 본 연구에서는 이러한 기술적 배경을 바탕으로, 3D 프린팅 기반 적층 제조 기술을 활용하여 콘크리트 내부에 삽입 가능한 자가치유형 균열 보수 캡슐을 개발하고자 한다. 본 캡슐은 균열이 캡슐에 도달함과 동시에 파괴되어 내부의 보수제가 자발적으로 방출됨으로써 균열을 효과적으로 차단하고, 구조물의 손상을 초기 단계에서 억제하는 것을 목적으로 한다. 이로 인해 기대되는 효과는 다음과 같다.

- 콘크리트 내구성 향상

균열 발생 직후 캡슐이 파괴되며 자동으로 보수제를 공급함으로써 구조물의 장기 내구성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

- 유지보수 및 인건비용 절감

기존의 유지보수 주기를 연장하고 필요성을 감소시켜 관리 비용 및 인력 소모를 절감할 수 있다.

- 공공안전에 대한 신뢰도 향상

자가치유 메커니즘을 통해 사회적 안전성 확보와 함께 콘크리트 구조물의 수명 연장 및 환경적 지속 가능성 강화에도 기여할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 연구는 콘크리트 구조물의 미세균열 발생 시 자가치유 기능을 수행할 수 있는 파괴형 보수 캡슐의 개발을 목표로 한다. 제안된 캡슐은 외부 하중에 의한 균열이 발생할 경우 콘크리트와 함께 파단되도록 설계되었으며, 동시에 3D 프린팅 기반 적층 제조 기술을 통해 정밀하게 제작될 수 있도록 고려되었다.

캡슐 형상은 이중원추형, 구형, 계란형, 알약형의 네 가지로 설정하였으며, 각 형상은 내부 치유제 저장 공간의 확보, 기계적 응력 분포에 따른 파괴 용이성, 그리고 제작의 실용성을 기준으로 최적화되었다. 이들 형상은 캡슐의 기능적 성능 비교를 위한 변수로서 실험에 적용되었다.

방출된 치유제는 균열 부위에 침투하여 미세균열을 물리적으로 봉합함과 동시에 철근의 노출면에 보호층을 형성함으로써, 부식의 진전을 효과적으로 억제하는 역할을 수행한다. 이러한 메커니즘은 구조물의 장기적인 내구성 확보 및 유지관리 비용 저감에 기여하고자 한다.

- 캡슐 방출 매커니즘 최적화

캡슐의 형상에 따른 파괴 거동을 비교하기 위하여 각기 다른 형상의 캡슐을 적용한 공시체에 대해 3점 휨 시험 수행하고, 본 실험을 통해 콘크리트와 함께 동일 하중 조건에서 파괴되는 캡슐을 선별함으로써 실제 구조물 내 적용 가능성이 높은 형상을 도출한다.

- 공시체 본래 강도 보존

캡슐의 단면적이 공시체의 전체 단면에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 형상의 캡슐을 적용한 공시체를 대상으로 휨 강도 시험을 실시하고, 공시체 단면 대비 캡슐 단면 비가 휨 파괴 강도에 미치는 영향을 분석하였으며 강도 저하가 상대적으로 적은 형상을 자가치유 캡슐의 최적 후보로 선정한다.

기술개발 일정 및 추진체계

기술 로드맵

1단계(~2025년 3월): 캡슐 프로토타입 제작
2단계(~2025년 4월): 다양한 캡슐 형상(구형, 타원형, 원통형)에 따른 파괴 강도 비교
3단계(~ 2025년 5월): 최적의 캡슐 크기 및 배합비 연구
4단계(~ 2025년 5월): 캡슐 형상에 따른 흐름 정도 비교
5단계(~ 2025년 6월): 캡슐 보수 효과 결과 산출

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

가. 실험목적

실험의 주된 목적은 콘크리트 속에 에폭시를 담고 있는 캡슐에 대해 철근의 부식과 균열 단면의 탄산화 지연을 할 수 있는지 실현 가능성을 확인하는 것이다. 이를 통해 콘크리트 속 캡슐의 균열 시 코팅 효과를 탄산화 시험을 통해 검증하고자 한다.

나. 실험 구성

1. 기존 연구에서 사용하는 형상 및 균열에 유리할 것이라 예상되는 형상을 각각 10개씩 제작(이때 만들어진 형상의 부피는 구의 외경(10mm)을 기준으로 모두 같도록 치수를 조절)

2. 시편(40x40x160mm)에 대해 (실제 철근 콘크리트 보와 비슷하도록 철사 포함) 캡슐이 없는 경우의 휨 파괴 실험 시 강도를 측정한다. 이때 연성파괴를 위해 모든 보에 철사를 꼬아 2개씩 넣는다.

3. 시편(40x40x160mm) 48시간 양생 후 휨 파괴 시험을 진행한다.

4. 디자인 별 제작한 캡슐을 시편에 넣고 휨 파괴 시험을 진행한다. 이때 강도 감소 정도 측정 및 캡슐 파괴 유무를 확인한다.

5. 4에서 찾은 최적의 캡슐 형태를 바탕으로 캡슐 속 색소를 통한 균열단면 내 흐름 정도를 확인한다.

6. 1차 실험 후 캡슐의 적절한 파괴와 보수를 위해 캡슐 형상을 재설계 및 위 진행을 반복한다.

7. 흐름 정도 판단 후 실제 에폭시를 넣어 탄산화 시험을 진행한다.

다. 캡슐설계

캡슐 안 보수제의 양을 동일하게 하기 위해 외경 10mm 구형의 부피를 기준으로, 각 형상의 부피를 통일하여 제작하였다.

형상1 : 구형 - 직경 10mm

모든 방향에서 균등한 응력을 받으므로 응력이 분산되어 깨지기 어려울 가능성이 있음. 균열이 직접 맞닿더라도 오히려 균열이 옆으로 진행할 가능성이 있음

형상2 달걀형 - 장축 : 15.87mm, 단축 : 7.94mm

원형보다 길쭉한 형태라서 균열이 특정 방향으로 진행할 경우 깨질 가능성이 있음 하지만 균열이 캡슐의 길이 방향과 수직이 아니라면, 응력이 분산되어 쉽게 파괴되지 않을 가능성이 있음

형상3 원통형 - 원통지름 (D) : 7mm, 반구 지름 : 7mm, 전체길이 (L) : 9+7=16mm

측면이 넓어 균열과 맞닿을 가능성이 높아짐. 캡슐과 시편의 부착력이 크지 않으면 깨지지 않을 가능성이 있음. 원통형 구조로 인해 균열이 캡슐과 평행하게 진행하면 충격이 분산될 가능성이 있음

형상4 이중원추형 - 외경 10mm, 내경 6mm, 전체길이 18mm

중간 부분으로 갈수록 얇아지는 원추형 구조로, 균열과 맞닿을 경우 특정 부분에 집중적인 응력이 발생하여 쉽게 깨질 가능성이 높음. 균열이 어느 방향에서 오든 모서리 부분이 먼저 균열에 닿기 쉬워, 원형보다 확실하게 깨질 수 있음. 압력 변화나 충격에 의해 중앙에서 갈라지는 방식으로 설계하면 보수제가 효과적으로 방출될 가능성이 높음.

캡슐별 두께는 1mm와 2mm 두 개의 기준을 두었다. 추후 1차 실험을 통해 1mm와 2mm 캡슐 두께 선정을 먼저 진행할 예정이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

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특허 출원 내용

내용

@@ 131번째 줄: / 131번째 줄: @@
 . 흐름 정도 판단 후 실제 에폭시를 넣어 탄산화 시험을 진행한다.
+'''다. 캡슐설계'''
+:캡슐 안 보수제의 양을 동일하게 하기 위해 외경 10mm 구형의 부피를 기준으로, 각 형상의 부피를 통일하여 제작하였다.
+*'''형상1 : 구형 - 직경 10mm'''
+모든 방향에서 균등한 응력을 받으므로 응력이 분산되어 깨지기 어려울 가능성이 있음.
+균열이 직접 맞닿더라도 오히려 균열이 옆으로 진행할 가능성이 있음
+*'''형상2 달걀형 - 장축 : 15.87mm, 단축 : 7.94mm'''
+원형보다 길쭉한 형태라서 균열이 특정 방향으로 진행할 경우 깨질 가능성이 있음
+하지만 균열이 캡슐의 길이 방향과 수직이 아니라면, 응력이 분산되어 쉽게 파괴되지 않을 가능성이 있음
+*'''형상3 원통형 - 원통지름 (D) : 7mm, 반구 지름 : 7mm, 전체길이 (L) : 9+7=16mm'''
+측면이 넓어 균열과 맞닿을 가능성이 높아짐. 캡슐과 시편의 부착력이 크지 않으면 깨지지 않을 가능성이 있음. 원통형 구조로 인해 균열이 캡슐과 평행하게 진행하면 충격이 분산될 가능성이 있음
+*'''형상4 이중원추형 - 외경 10mm, 내경 6mm, 전체길이 18mm'''
+중간 부분으로 갈수록 얇아지는 원추형 구조로, 균열과 맞닿을 경우 특정 부분에 집중적인 응력이 발생하여 쉽게 깨질 가능성이 높음. 균열이 어느 방향에서 오든 모서리 부분이 먼저 균열에 닿기 쉬워, 원형보다 확실하게 깨질 수 있음. 압력 변화나 충격에 의해 중앙에서 갈라지는 방식으로 설계하면 보수제가 효과적으로 방출될 가능성이 높음.
+:캡슐별 두께는 1mm와 2mm 두 개의 기준을 두었다. 추후 1차 실험을 통해 1mm와 2mm 캡슐 두께 선정을 먼저 진행할 예정이다.
 ===이론적 계산 및 시뮬레이션===