점차증가하는공사비용을절감하고자콘크리트펌프에만의존하여타설속도를증가시켜공기를단축하고있어배관내부압력상승이불가피하다. 결과적으로펌프압송후콘크리트의작업성이저하되고, 배관내부가폐색되는심각한상황이발생하여오히려공사비용과공기를증가시키는원인이된다. 따라서, 적은비용으로도콘크리트펌프압송성

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종준 호
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1 Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 30, No. 6, pp. 649~655, December, pissn eissn 실규모콘크리트펌프압송실험을통한윤활층활성화제외부주입방법의효과검증 이정수 1) 장경필 2) 박찬규 3) 권승희 4)* 1) 명지대학교토목환경공학과대학원생 2) 명지대학교산학협력단연구원 3) 삼성물산 ( 주 ) 마스터 4) 명지대학교토목환경공학과교수 Verification on Effect of External Injection of Activation Agent for Lubrication Layer through Full-Scale Concrete Pumping Test Jung-Soo Lee, 1) Kyong-Pil Jang, 2) Chan-Kyu Park, 3) and Seung-Hee Kwon 4)* 1) Graduate Student, Department of Environment & Civil Engineering, Myong-Ji University, Gyeonggi-do 17058, Rep. of Korea 2) Researcher, Industry and Academia Cooperation Foundation, Myong-Ji University, Gyeonggi-do 17058, Rep. of Korea 3) Master, Samsung C&T Corporation, Gyeonggi-do, 13530, Rep. of Korea 4) Professor, Department of Environment & Civil Engineering, Myong-Ji University, Gyeonggi-do 17058, Rep. of Korea ABSTRACT In this study, in order to investigate the field application of the activation agent injection method, full-scale concrete pumping tests were performed. The length of pipeline used in the pumping tests was 114 m, and the inside diameter of pipe was 127 mm. The specified strengths of concrete used in pumping tests were 60, 35, and 24 MPa. The flow rates of concrete were 38.3, 43.0, and 46.6 m3/h, respectively, in order of specified strength. The injection rate of activation agent was also fixed at 1 L/min. When the activation agent was injected during concrete pumping, the pressure was reduced up to 60 %. As an additional effect, it was confirmed that the decrease of workability of concrete after pumping can be alleviated by using the activation agent injection method. Keywords : concrete pumping, lubrication layer, external injection, activation agent, pumpability 1. 서론 1) 펌프압송에의한콘크리트타설방법은레미콘차량, 버켓 (bucket), 컨베이어 (conveyor), 수레등다른방법과비교하여구조물의형상이나, 거리, 높이에제약을받지않으며, 단시간에타설이가능하다는장점으로인해대부분의건설현장에서사용되고있는기술이다. 콘크리트의펌프압송성능 ( 토출량, 압송거리 ) 을결정짓는영향요소로는콘크리트의유동특성 ( 점도, 항복응력 ), 펌프의용량 ( 최대압력및실린더행정소요시간 ), 배관의길이및직경등이있다. 콘크리트의점도와항복응력이낮을수록, 펌프의용량이클수록, 배관의직경이클수록압송성능이증가한다. 그러나콘크리트의유동특성을개선하고배관의직경을 *Corresponding author kwon08@mju.ac.kr Received September 17, 2018, Revised October 10, 2018, Accepted October 10, 2018 c2018 by Korea Concrete Institute 증가시키는방법은공사비용을크게증가시키기때문에대부분현장에서는콘크리트펌프압력에의존하여타설이이루어지고있다. 압력의경우에도펌프의종류에따라다르지만가할수있는최대크기가정해져있다. 이와같이제한적인시공조건에서펌프압송성능을최대화시키기위해정량화된기술이요구되며, 최근까지다양한분야의연구들이이루어져왔다. 특히콘크리트의펌프압송메커니즘을파악하고압송성능을예측하는연구 (Kaplan et al., 2005; Jo et al., 2012; Kwon et al., 2013; Choi et al., 2014; Kwon et al., 2016), 콘크리트의펌프압송전과후의물성변화를평가하는연구 (Choi et al., 2012; Jung et al., 2012; Kwon et al., 2015; Baek et al., 2016; Kwon et al., 2018), 펌프압송에적합한콘크리트배합을개발하는연구 (Choi et al., 2012; Lee et al., 2013; Lee et al., 2014) 등이주로수행되어왔다. 콘크리트펌프압송분야에많은실무경험이축적되어있고최근여러연구들이수행되었지만여전히콘크리트의압송효율을증가시킬필요성이대두되고있다. 대부분의시공현장에서는장비대여료증가, 인건비상승등에의해 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 649

점차증가하는공사비용을절감하고자콘크리트펌프에만의존하여타설속도를증가시켜공기를단축하고있어배관내부압력상승이불가피하다. 결과적으로펌프압송후콘크리트의작업성이저하되고, 배관내부가폐색되는심각한상황이발생하여오히려공사비용과공기를증가시키는원인이된다. 따라서, 적은비용으로도콘크리트펌프압송성능을향상시키고이와동시에압송후콘크리트의작업성을확보할수있는기술이필요한실정이다.

2 점차증가하는공사비용을절감하고자콘크리트펌프에만의존하여타설속도를증가시켜공기를단축하고있어배관내부압력상승이불가피하다. 결과적으로펌프압송후콘크리트의작업성이저하되고, 배관내부가폐색되는심각한상황이발생하여오히려공사비용과공기를증가시키는원인이된다. 따라서, 적은비용으로도콘크리트펌프압송성능을향상시키고이와동시에압송후콘크리트의작업성을확보할수있는기술이필요한실정이다. 최근콘크리트의펌프압송메커니즘을기반으로압송중배관외부에서소량의윤활층활성화제를주입하는방법이새롭게제안되어모르타르에대해서실내실험을통한효과검증이이루어진바있다 (Lee et al., 2017). 이연구에서는윤활층활성화제주입방법을콘크리트를사용한실규모펌프압송에적용하여, 그효과를정량적으로파악하고실무적용성을검토하고자하였다. 2. 외부윤활층활성화제주입방법의원리 2.1 콘크리트펌프압송메커니즘콘크리트의펌프압송중에는배관벽면과골재크기에의한 wall effect(kwon et al., 2013), 콘크리트내부에발생하는 internal bleeding(kim et al., 2014) 그리고전단속도가빠른위치에서전단속도가낮은위치로골재가이동하는 shear-induced particle migration(jo et al., 2012) 이발생하게되며, 이로인해배관과콘크리트사이에얇은윤활층이형성된다 (Jacobson, 2009; Choi et al., 2013; Le et al., 2015). 콘크리트의펌프압송메커니즘을살펴보면 Fig. 1과같이윤활층에서대부분의속도가발현된다 (Kwon et al., 2013). 이러한현상은윤활층의점도와항복응력이콘크리트에비해매우낮기때문에발생하는데, 특히윤활층의점도는콘크리트와배관사이의마찰력과가장밀접한인자로볼수있다 (Kwon et al., 2013). 따라서콘크리트의펌프압송성능에윤활층의점도가가장주요한인자로지목되고있다. Fig. 2 Effect of external injection of activation agent 2.2 외부윤활층활성화제주입방법콘크리트의펌프압송성능을향상시키기위해펌프압송중외부에서소량의윤활층활성화제를주입하는방법이기제안된바있다. 윤활층활성화제는 C사에서개발하였으며, 주입에의한역학적성능저하를최소화하고윤활층의점도감소를최대화시키도록하였다. 외부윤활층활성화제주입의목적은 Fig. 2에나타낸것과같이배관외부에서소량의윤활층활성화제를주입하여펌프압송중자체적으로형성되는윤활층의점도를낮추고, 그효과로배관내부의압력을감소시키는것이다. 3. 실규모콘크리트펌프압송실험이연구에서는윤활층활성화제주입방법의실무적용성을검토하기위해콘크리트를사용한실규모펌프압송실험을수행하였다. 3.1 실험재료및장비 실험재료실규모펌프압송실험에사용된콘크리트는현장에서주로사용하는배합을대상으로하였으며, 60, 35, 24 MPa급콘 Fig. 1 Mechanism of concrete pumping (Lee et al., 2017) 650 한국콘크리트학회논문집제 30 권제 6 호 (2018)

Table 1 Mix proportions of concrete for pumping tests f ck (MPa) W/C (%) 크리트세종류이다. Table 1에각각의콘크리트배합표를나타내었다. 3.1.2 윤활층활성화제주입장치 Unit mass (kg/m 3 ) W C S G FA * BS ** AD *** 60 0.

3과 4에나타내었다. Fig. 3은제어장치로최대주입압력을콘크리트펌프 (250 bar) 보다높은 300 bar로제작하였으며, 배관내부압력과상관없이 1-10 L/min 범위에서윤활층활성화제를정량주입하도록제작하였다. 윤활층활성화제의주입량 1-10 L/min. 은콘크리트부피의 0.1-3.0 % 까지다양하게주입할수있는범위이다. Fig. 4는분사장치로총 16 방향의분기장치를사용하여윤활층활성화제가배관의원주방향으로균등주입되도록하였다.

2 실험방법 콘크리트펌프압송실험중실시간압력변화와작업성변화를측정하였다. 기존수행된연구에서 Fig. 6과같이윤활층활성화제의주입률 (injection rate) 이 0.42 % 이하일때압축강도변화는없는것으로확인되었다. 여기서윤활층활성화제의주입률은콘크리트부피대비윤활층활성화제주입량을퍼센트로나타낸값이다.

펌프압송이시작된후배관내부의압력이일정해지는시점에윤활층활성화제를주입하였다. 주입량은 1 L/min으로정량주입하였고, 펌프의피스톤행정시간은 4.7초로일정하게유지하였다. 윤활층활성화제의주입률을평가하기위해 Fig. 7에나타낸것과같이토출부에거푸집을제작하고토출속도를측정하였다. 3.2.2 콘크리트의작업성변화측정 Fig.

3 Table 1 Mix proportions of concrete for pumping tests f ck (MPa) W/C (%) 크리트세종류이다. Table 1에각각의콘크리트배합표를나타내었다 윤활층활성화제주입장치 Unit mass (kg/m 3 ) W C S G FA * BS ** AD *** * Fly ash ** Blast furnace slag *** Water reducing agent 윤활층활성화제주입장치를 Figs. 3과 4에나타내었다. Fig. 3은제어장치로최대주입압력을콘크리트펌프 (250 bar) 보다높은 300 bar로제작하였으며, 배관내부압력과상관없이 1-10 L/min 범위에서윤활층활성화제를정량주입하도록제작하였다. 윤활층활성화제의주입량 1-10 L/min. 은콘크리트부피의 % 까지다양하게주입할수있는범위이다. Fig. 4는분사장치로총 16 방향의분기장치를사용하여윤활층활성화제가배관의원주방향으로균등주입되도록하였다 콘크리트배관및압력센서콘크리트배관은 Fig. 5에나타낸것과같이내경 127 mm 배관을사용하였으며, 배관의총길이는 114 m이다. 거리에따른압력을계측하기위해펌프로부터 5 m 위치에서 100 m 에이르기까지총 8개의압력센서를설치하였다. 윤활층활성화제주입장치는펌프에서부터 13 m 위치에설치하였다. 3.2 실험방법 콘크리트펌프압송실험중실시간압력변화와작업성변화를측정하였다. 기존수행된연구에서 Fig. 6과같이윤활층활성화제의주입률 (injection rate) 이 0.42 % 이하일때압축강도변화는없는것으로확인되었다. 여기서윤활층활성화제의주입률은콘크리트부피대비윤활층활성화제주입량을퍼센트로나타낸값이다. 이연구에서는기존의연구보다매우적은양 ( 윤활층활성화제주입률약 %) 의윤활층활성화제를사용하므로압축강도변화는없을것으로판단된다. Fig. 3 The control unit of activation agent injection device 실시간압력변화및토출량측정펌프압송중실시간압력을측정하였다. 펌프압송이시작된후배관내부의압력이일정해지는시점에윤활층활성화제를주입하였다. 주입량은 1 L/min으로정량주입하였고, 펌프의피스톤행정시간은 4.7초로일정하게유지하였다. 윤활층활성화제의주입률을평가하기위해 Fig. 7에나타낸것과같이토출부에거푸집을제작하고토출속도를측정하였다 콘크리트의작업성변화측정 Fig. 4 The injection unit of activation agent injection device 윤활층활성화제주입에의한콘크리트의작업성변화를측정하기위해슬럼프시험을수행하였다. 슬럼프시험은 Fig. 5 Detail of concrete pumping circuit 실규모콘크리트펌프압송실험을통한윤활층활성화제외부주입방법의효과검증 651

도 변과가 없으므로, 이 실험에서 윤활층 활성화제 주입에 따른 압축강도 변화는 없을 것으로 판단된다. 4.

펌프 압송 이 시작된 후 압력이 점차 증가하다가 일정한 압력을 유지하 Fig.

60, 35, 24 MPa급 콘 크리트 각각 0.157, 0.140, 0.129 %로 측정되었다. Fig.

4 도 변과가 없으므로, 이 실험에서 윤활층 활성화제 주입에 따른 압축강도 변화는 없을 것으로 판단된다. 4.2 파이프 내부 압력 변화 실시간 압력 측정 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 배관 내부 의 압력은 펌프에서 가까울수록 높게 나타난다. 펌프 압송 이 시작된 후 압력이 점차 증가하다가 일정한 압력을 유지하 Fig. 6 Evaluation of effect of activation agent on compressive strength (Lee et al., 2017) (a) 60 MPa Fig. 7 Pipeline used in full-scale concrete pumping tests 펌프 압송 전 콘크리트, 펌프 압송과 윤활층 활성화제 주입 이 모두 이루어진 콘크리트에 대해 수행하였다. 60 MPa 배 합의 경우 윤활층 활성화제를 주입하지 않고 펌프 압송이 이 루어진 경우에 대해서도 슬럼프 시험을 수행하였다. 4. 실험 결과 및 분석 (b) 35 MPa 4.1 윤활층 활성화제의 주입률 콘크리트 배합 각각의 실험에서 측정된 토출량은 Table 2 와 같으며, 윤활층 활성화제의 주입률은 60, 35, 24 MPa급 콘 크리트 각각 0.157, 0.140, %로 측정되었다. Fig. 6에 나 타낸 것과 같이 윤활층 활성화제 주입률 0.42 %까지 압축강 Table 2 Measured flow rate and injection rate fck (MPa) Flow rate of concrete (m3/h) Injection rate (%) 빳 한국콘크리트학회 논문집 제30권 제6호 (2018) (c) 24 MPa Fig. 8 Real-time pressure measurement results

5 였다. 윤활층활성화제를주입한후압력이점차감소하였으며, 압력감소가시작되는시점은압력측정위치가주입장치에서가까울수록빠르게나타났다. 배관내부압력은꾸준히감소하다가배관전구간에윤활층활성화제가영향을미칠때일정해지는것으로확인되었다. 윤활층활성화제주입에의한펌프압송성능향상정도를분석하기위해 Fig. 9와같이 Fig. 5의 P0 위치에서측정된윤활층활성화제주입전과후의평균압력을비교하였다. 평균압력은콘크리트펌프피스톤이 4 행정움직이는동안의압력분포를시간으로나누어구하였다. 60 MPa급콘크리트의경우최대압력 47.8 bar에서 18.3 bar로약 61.7 % 의압력이감소하였다. 35 MPa급콘크리트의경우 32.9 bar에서 13.3 bar로 59.6 %, 24 MPa급콘크리트는 23.2 bar에서 9.5 bar로 59.1 % 감소하였다. 콘크리트펌프압송시압력과펌프압송거리또는토출량은 Fig. 10에나타낸것과같이선형으로비례적인관계를보인다 (Mechtcherine et al., 2014). 윤활층활성화제주입시약 60 % 의압력감소가이루어지므로, 동일압력을유지할경우토출량또는압송거리가 2배이상증가하는효과로볼수있다. 따라서윤활층활성화제주입방법에의해고유동배합인 60 MPa급콘크리트와 35, 24 MPa급콘크리트모두펌프압송성능이크게향상되는것을알수있다. 4.3 콘크리트의작업성변화윤활층활성화제주입후콘크리트의작업성변화를검토하기위해슬럼프시험을수행하였다. Fig. 11은 35 MPa과 24 MPa급콘크리트의펌프압송전과후의슬럼프결과를비교한그림이다. 35 MPa급콘크리트의경우 105 mm에서 185 mm로, 24 MPa급콘크리트의경우 130 mm에서 220 mm로모든실험에서윤활층활성화제를주입하였을때슬럼프가증가하였다. 60 MPa급콘크리트의슬럼프플로우실험결과를 Fig. 12 에나타내었다. 60 MPa급콘크리트의경우 590 mm에서 540 mm로슬럼프플로우가감소하였으나, 윤활층활성화제를주입하지않은경우슬럼프플로우가 500 mm로더크게감소하여윤활층활성화제주입방법이펌프압송에의한작업성감소를완화시킨것으로판단된다. Fig. 9 Comparison of average pressure before and after injection on concrete pumping Fig. 11 Improvement of workability by injecting activation agent - 35, 24 MPa Fig. 10 Improvement of concrete pumpability by activation agent injection Fig. 12 Improvement of workability by injecting activation agent - 60 MPa 실규모콘크리트펌프압송실험을통한윤활층활성화제외부주입방법의효과검증 653

6 Fig. 13 Slump loss of concrete after pumping(jang et al, 2018) 기존에수행된실험결과를살펴보면 Fig. 13과같이압송후콘크리트의슬럼프가감소하는경향을보인다. 여기서 S 의뒷자리숫자는콘크리트의설계강도를의미한다. S30-1 의경우슬럼프가절반이하로저하되어 50 mm로측정되었는데, 이값은현장에서타설작업이거의불가능한수준이다. 콘크리트의작업성저하는곧거푸집채움성능저하로이어져타설작업이지연될뿐만아니라다짐이완벽히이루어지지않을경우구조적결함이발생할수있다. 시공과정에서는배관폐색이발생하여공기지연과공사비상승의원인이될수있다. 윤활층활성화제주입방법을통해이러한문제를해결할수있을것으로판단된다. 5. 결론이연구에서는윤활층활성화제주입방법이콘크리트의펌프압송성능과작업성향상에미치는영향을검토하기위해세가지배합의콘크리트를사용하여실규모펌프압송실험을수행하였다. 이연구를통해다음과같은결론을도출하였다. 1) 콘크리트의펌프압송중윤활층활성화제를주입하게되면주입시점으로부터배관내부의압력이점차감소하며, 일정시간이지나배관전구간에걸쳐윤활층활성화제가영향을미칠때압력이일정하게유지된다. 또한압력의감소시점이거리에따라단계적으로나타난다. 이결과를통해배관내부의윤활층이콘크리트와함께이동하여토출된다는것을알수있다. 2) 윤활층활성화제주입결과 60, 35, 24 MPa급콘크리트의압력감소율이각각 61.7, 59.6, 59.1 % 로펌프압송성능이크게향상되는것으로평가되었다. 이론적으로콘크리트펌프의압력과토출량또는펌프압송거리는비례한다. 따라서, 이러한결과는동일한펌프압력으로토출량또는펌프압송거리를 2배이상증가시킬수있는효과로볼수있다. 3) 펌프압송전과펌프압송및윤활층활성화제주입후 의슬럼프를측정한결과 35, 24 MPa급콘크리트의경우슬럼프가증가하는것을확인하였다. 고유동배합인 60 MPa급콘크리트의경우슬럼프플로우 590 mm에서 540 mm로감소하였으나, 윤활층활성화제를주입하지않은펌프압송후콘크리트의슬럼프플로우가 500 mm 으로측정되어윤활층활성화제주입방법이펌프압송후에발생하는슬럼프플로우저하를완화시킨것을알수있다. 4) 펌프압송후대부분의콘크리트는작업성이감소하는것으로알려져있다. 윤활층활성화제주입방법을콘크리트펌프압송에적용할경우토출량을증가시켜콘크리트의압송시간을단축시킬수있으며, 배관내부의압력감소, 배관과콘크리트사이의마찰력감소로인한온도상승저감효과가있을것으로판단된다. 연구결과윤활층활성화제를주입함으로써콘크리트펌프압송성능이크게향상되고펌프압송후콘크리트작업성확보가가능한것을확인하였다. 추후연구에서는콘크리트배합의종류와윤활층활성화제의주입률을변수로펌핑성능향상의효과를정량적으로평가하고윤활층활성화제주입에따른역학적성능변화여부를확인하고자한다. 감사의글 이연구는국토교통부국토교통방법사업화지원사업의콘크리트압송 20 % 향상윤활층활성화방법개발 (18TBIP- C ) 에의해수행되었으며, 이에감사드립니다. References Ahmad, A. (2008) Design and construction of the burj dubai concrete building project, Magazine of the Korea Concrete Institute 20(6), Baek, C., Moon, H. J., Kim, G. D., Han, D. Y., Han, M. C., and Han, C. G. (2016) Performance evaluation before and after pumping based on pumping height of 60 MPa grade high performance concrete in high rise buildings. In Proceedings of the Korea Concrete Institute, Sokcho, 2-4 November (in Korean) Choi, M. S., Kim, Y. J., and Kim, J. K. (2014) Prediction of Concrete Pumping Using Various Rheological Models. International Journal of Concrete Structures and Materials 8(4), Choi, M. S., Roussel, N., Kim, Y. J., and Kim, J. K. (2013) Lubrication Layer Properties during Concrete Pumping. Cement and Concrete Research 45, Choi, Y. W., Oh, S. R., Choi, B. K., Choi, W., Kim, Y. J., and Kim Y. J. (2012) A Study on the Rhology Properties of Mortar of Before and After Pressure for Development of High Fluidity Concrete under High Pressure Pumping. In Proceedings of the Korea Concrete Institute, Gyeongju, 한국콘크리트학회논문집제 30 권제 6 호 (2018)

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10(3)-10.fm

10(3)-10.fm w y wz 10«3y 259~264 (2010.12.) Journal of Korean Society of Urban Environment w gj p p y Á Á½k * w m œw Á* w y œw (2010 9 28, 2010 10 12 k) Characteristics of Antiwashout Underwater Concrete for Reduction