초음파 감쇠계수 기반 3D 프린팅용 UHPC의 유변학적 특성 추정을 위한 인공신경망 모델
Artificial Neural Network Model for Estimating Rheological Properties of 3D-Printable UHPC Based on Ultrasonic Attenuation Coefficient
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초록
3D 콘크리트 프린팅 공정의 구조적 안정성과 적층 품질을 확보하기 위해서는 굳지 않은 콘크리트의 유변학적 특성을 실시간으로계측하고 평가할 수 있는 방법이 필요하다. 그러나 레오미터 기반의 기존 시험법은 정밀성은 높으나 장비 비용, 측정 소요 시간 및 작업자의 숙련도 등의 어려움으로 인하여 현장 적용이 제한적인 실정이다. 본 연구에서는 3D 프린팅용 초고성능 콘크리트의 유변학적 특성(항복응력, 점도) 및 초음파 신호를 측정하여 두 특성 간의 상관관계를 분석하였다. 실험변수는 물-바인더비(w/b)와 유동화제(SP) 함량으로 설정하였다. 실험은 54 kHz 주파수의 송신기와 수신기를 통해 초음파 신호를 수집하고, 이를 통해 감쇠계수를 산정하였다. 실험결과, 콘크리트의 수화 초기입자 분산과 공극 구조에 의해 초음파 신호의 강도가 약해짐에 따라 감쇠계수가 증가하는 경향을 보였다. 특히, 물-바인더비가 낮고 유동화제함량이 적을수록 시간에 따른 감쇠계수는 급격히 증가한 반면 물-바인더비가 높고 유동화제 함량이 많은 배합에서는 감쇠계수가 완만하게 증가하였다. 이러한 감쇠계수의 변화는 항복응력과 점도의 시간경과에 따른 변화 양상과 유사하게 나타났다. 이를 바탕으로 감쇠계수, 배합 변수, 초기 유변학적 특성을 입력변수로 설정하여, 굳지 않은 콘크리트의 항복응력과 점도를 예측할 수 있는 인공신경망 모델을 구현하였다. 제안된 모델의 항복응력과 점도에 대한 테스트 세트 결정계수(R²)는 각각 0.81 및 0.82로 나타났다.
Abstract
To ensure structural stability and buildability in 3D concrete printing (3DCP), it is essential to measure and evaluate the rheological properties of fresh concrete in real time. However, conventional rheometer-based tests, although highly precise, have limited applicability in practice due to the high cost of equipment, long measurement time, and reliance on operator expertise. In this study, the rheological properties (yield stress and viscosity) and ultrasonic signals of ultra-high-performance concrete (UHPC) for 3D printing were measured, and their correlations were analyzed. The experimental variables were set as the water-to-binder ratio (W/B) and the dosage of superplasticizer (SP). Ultrasonic measurements were performed using a transmitter and receiver operating at 54 kHz, and the attenuation coefficient was calculated from the acquired signals. The results showed that the attenuation coefficient increased as the ultrasonic signal was weakened by particle dispersion and pore structure during the early stage of hydration. In particular, mixtures with lower W/B and lower SP content exhibited a rapid increase in attenuation coefficient over time, whereas those with higher W/B and higher SP content showed a more gradual increase. These variations in attenuation coefficient were consistent with the time-dependent changes in yield stress and viscosity. From these results, an artificial neural network (ANN) model was developed using attenuation coefficient, mixture parameters, and initial rheological properties as input variables to predict the yield stress and viscosity of fresh concrete. The proposed model achieved coefficient of determination (R²) of 0.81 and 0.82 for yield stress and viscosity, respectively, in the test set.
