1. 서 론

펌프 압송에 의한 콘크리트 타설 방법은 레미콘 차량, 버켓(bucket), 컨베이어(conveyor), 수레 등 다른 방법과 비교하여 구조물의 형상이나, 거리, 높이에 제약을 받지 않으며, 단시간에 타설이 가능하다는 장점으로 인해 대부분의 건설 현장에서 사용되고 있는 기술이다.

콘크리트의 펌프 압송 성능(토출량, 압송 거리)을 결정짓는 영향 요소로는 콘크리트의 유동특성(점도, 항복응력), 펌프의 용량(최대 압력 및 실린더 행정 소요시간), 배관의 길이 및 직경 등이 있다. 콘크리트의 점도와 항복응력이 낮을수록, 펌프의 용량이 클수록, 배관의 직경이 클수록 압송 성능이 증가한다.

그러나 콘크리트의 유동특성을 개선하고 배관의 직경을 증가시키는 방법은 공사비용을 크게 증가시키기 때문에 대부분 현장에서는 콘크리트 펌프 압력에 의존하여 타설이 이루어지고 있다. 압력의 경우에도 펌프의 종류에 따라 다르지만 가할 수 있는 최대 크기가 정해져 있다.

이와 같이 제한적인 시공 조건에서 펌프 압송 성능을 최대화시키기 위해 정량화된 기술이 요구되며, 최근까지 다양한 분야의 연구들이 이루어져왔다. 특히 콘크리트의 펌프 압송 메커니즘을 파악하고 압송 성능을 예측하는 연구(Kaplan et al., 2005; Jo et al., 2012; Kwon et al., 2013; Choi et al., 2014; Kwon et al., 2016), 콘크리트의 펌프 압송 전과 후의 물성 변화를 평가하는 연구(Choi et al., 2012; Jung et al., 2012; Kwon et al., 2015; Baek et al., 2016; Kwon et al., 2018), 펌프 압송에 적합한 콘크리트 배합을 개발하는 연구(Choi et al., 2012; Lee et al., 2013; Lee et al., 2014) 등이 주로 수행되어왔다.

콘크리트 펌프 압송 분야에 많은 실무 경험이 축적되어 있고 최근 여러 연구들이 수행되었지만 여전히 콘크리트의 압송 효율을 증가시킬 필요성이 대두되고 있다. 대부분의 시공 현장에서는 장비 대여료 증가, 인건비 상승 등에 의해 점차 증가하는 공사비용을 절감하고자 콘크리트 펌프에만 의존하여 타설 속도를 증가시켜 공기를 단축하고 있어 배관 내부 압력 상승이 불가피하다. 결과적으로 펌프 압송 후 콘크리트의 작업성이 저하되고, 배관 내부가 폐색되는 심각한 상황이 발생하여 오히려 공사비용과 공기를 증가시키는 원인이 된다. 따라서, 적은 비용으로도 콘크리트 펌프 압송 성능을 향상시키고 이와 동시에 압송 후 콘크리트의 작업성을 확보할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

최근 콘크리트의 펌프 압송 메커니즘을 기반으로 압송 중 배관 외부에서 소량의 윤활층 활성화제를 주입하는 방법이 새롭게 제안되어 모르타르에 대해서 실내 실험을 통한 효과 검증이 이루어진 바 있다(Lee et al., 2017).

이 연구에서는 윤활층 활성화제 주입 방법을 콘크리트를 사용한 실규모 펌프 압송에 적용하여, 그 효과를 정량적으로 파악하고 실무적용성을 검토하고자 하였다.

2. 외부 윤활층 활성화제 주입 방법의 원리

2.1 콘크리트 펌프 압송 메커니즘

콘크리트의 펌프 압송 중에는 배관 벽면과 골재 크기에 의한 wall effect(Kwon et al., 2013), 콘크리트 내부에 발생하는 internal bleeding(Kim et al., 2014) 그리고 전단 속도가 빠른 위치에서 전단 속도가 낮은 위치로 골재가 이동하는 shear-induced particle migration(Jo et al., 2012)이 발생하게 되며, 이로 인해 배관과 콘크리트 사이에 얇은 윤활층이 형성 된다(Jacobson, 2009; Choi et al., 2013; Le et al., 2015).

콘크리트의 펌프 압송 메커니즘을 살펴보면 Fig. 1과 같이 윤활층에서 대부분의 속도가 발현된다(Kwon et al., 2013). 이러한 현상은 윤활층의 점도와 항복응력이 콘크리트에 비해 매우 낮기 때문에 발생하는데, 특히 윤활층의 점도는 콘크리트와 배관 사이의 마찰력과 가장 밀접한 인자로 볼 수 있다(Kwon et al., 2013). 따라서 콘크리트의 펌프 압송 성능에 윤활층의 점도가 가장 주요한 인자로 지목되고 있다.

Fig. 1

Mechanism of concrete pumping (Lee et al., 2017)

2.2 외부 윤활층 활성화제 주입 방법

콘크리트의 펌프 압송 성능을 향상시키기 위해 펌프 압송 중 외부에서 소량의 윤활층 활성화제를 주입하는 방법이 기 제안된바 있다. 윤활층 활성화제는 C사에서 개발하였으며, 주입에 의한 역학적 성능 저하를 최소화하고 윤활층의 점도 감소를 최대화 시키도록 하였다.

외부 윤활층 활성화제 주입의 목적은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 배관 외부에서 소량의 윤활층 활성화제를 주입하여 펌프 압송 중 자체적으로 형성되는 윤활층의 점도를 낮추고, 그 효과로 배관 내부의 압력을 감소시키는 것이다.

Fig. 2

Effect of external injection of activation agent

3. 실규모 콘크리트 펌프 압송 실험

이 연구에서는 윤활층 활성화제 주입 방법의 실무적용성을 검토하기 위해 콘크리트를 사용한 실규모 펌프 압송 실험을 수행하였다.

3.1 실험 재료 및 장비

3.1.1 실험 재료

실규모 펌프 압송 실험에 사용된 콘크리트는 현장에서 주로 사용하는 배합을 대상으로 하였으며, 60, 35, 24 MPa급 콘크리트 세 종류이다. Table 1에 각각의 콘크리트 배합표를 나타내었다.

Table 1 Mix proportions of concrete for pumping tests

* Fly ash ** Blast furnace slag *** Water reducing agent

3.1.2 윤활층 활성화제 주입 장치

윤활층 활성화제 주입 장치를 Figs. 3과 4에 나타내었다. Fig. 3은 제어 장치로 최대 주입 압력을 콘크리트 펌프(250 bar)보다 높은 300 bar로 제작하였으며, 배관 내부 압력과 상관없이 1-10 L/min 범위에서 윤활층 활성화제를 정량 주입하도록 제작하였다. 윤활층 활성화제의 주입량 1-10 L/min.은 콘크리트 부피의 0.1-3.0 %까지 다양하게 주입할 수 있는 범위이다. Fig. 4는 분사 장치로 총 16 방향의 분기 장치를 사용하여 윤활층 활성화제가 배관의 원주 방향으로 균등 주입되도록 하였다.

Fig. 3

The control unit of activation agent injection device

Fig. 4

The injection unit of activation agent injection device

3.1.3 콘크리트 배관 및 압력 센서

콘크리트 배관은 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 내경 127 mm 배관을 사용하였으며, 배관의 총 길이는 114 m이다. 거리에 따른 압력을 계측하기 위해 펌프로부터 5 m 위치에서 100 m에 이르기까지 총 8개의 압력 센서를 설치하였다. 윤활층 활성화제 주입 장치는 펌프에서부터 13 m 위치에 설치하였다.

Fig. 5

Detail of concrete pumping circuit

3.2 실험 방법

콘크리트 펌프 압송 실험 중 실시간 압력 변화와 작업성 변화를 측정하였다. 기존 수행된 연구에서 Fig. 6과 같이 윤활층 활성화제의 주입률(injection rate)이 0.42 % 이하일 때 압축강도 변화는 없는 것으로 확인되었다. 여기서 윤활층 활성화제의 주입률은 콘크리트 부피 대비 윤활층 활성화제 주입량을 퍼센트로 나타낸 값이다. 이 연구에서는 기존의 연구보다 매우 적은 양(윤활층 활성화제 주입률 약 0.1-0.2 %)의 윤활층 활성화제를 사용하므로 압축강도 변화는 없을 것으로 판단된다.

Fig. 6

Evaluation of effect of activation agent on compressive strength (Lee et al., 2017)

3.2.1 실시간 압력 변화 및 토출량 측정

펌프 압송 중 실시간 압력을 측정하였다. 펌프 압송이 시작된 후 배관 내부의 압력이 일정해지는 시점에 윤활층 활성화제를 주입하였다. 주입량은 1 L/min으로 정량 주입하였고, 펌프의 피스톤 행정 시간은 4.7초로 일정하게 유지하였다. 윤활층 활성화제의 주입률을 평가하기 위해 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 토출부에 거푸집을 제작하고 토출속도를 측정하였다.

Fig. 7

Pipeline used in full-scale concrete pumping tests

3.2.2 콘크리트의 작업성 변화 측정

윤활층 활성화제 주입에 의한 콘크리트의 작업성 변화를 측정하기 위해 슬럼프 시험을 수행하였다. 슬럼프 시험은 펌프 압송 전 콘크리트, 펌프 압송과 윤활층 활성화제 주입이 모두 이루어진 콘크리트에 대해 수행하였다. 60 MPa 배합의 경우 윤활층 활성화제를 주입하지 않고 펌프 압송이 이루어진 경우에 대해서도 슬럼프 시험을 수행하였다.

4. 실험 결과 및 분석

4.1 윤활층 활성화제의 주입률

콘크리트 배합 각각의 실험에서 측정된 토출량은 Table 2와 같으며, 윤활층 활성화제의 주입률은 60, 35, 24 MPa급 콘크리트 각각 0.157, 0.140, 0.129 %로 측정되었다. Fig. 6에 나타낸 것과 같이 윤활층 활성화제 주입률 0.42 %까지 압축강도 변과가 없으므로, 이 실험에서 윤활층 활성화제 주입에 따른 압축강도 변화는 없을 것으로 판단된다.

Table 2 Measured flow rate and injection rate

4.2 파이프 내부 압력 변화

실시간 압력 측정 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 배관 내부의 압력은 펌프에서 가까울수록 높게 나타난다. 펌프 압송이 시작된 후 압력이 점차 증가하다가 일정한 압력을 유지하였다. 윤활층 활성화제를 주입한 후 압력이 점차 감소하였으며, 압력 감소가 시작되는 시점은 압력 측정 위치가 주입장치에서 가까울수록 빠르게 나타났다. 배관 내부 압력은 꾸준히 감소하다가 배관 전 구간에 윤활층 활성화제가 영향을 미칠 때 일정해지는 것으로 확인되었다.

Fig. 8

Real-time pressure measurement results

윤활층 활성화제 주입에 의한 펌프 압송 성능 향상 정도를 분석하기 위해 Fig. 9와 같이 Fig. 5의 P0 위치에서 측정된 윤활층 활성화제 주입 전과 후의 평균 압력을 비교하였다. 평균 압력은 콘크리트 펌프 피스톤이 4 행정 움직이는 동안의 압력 분포를 시간으로 나누어 구하였다.

Fig. 9

Comparison of average pressure before and after injection on concrete pumping

60 MPa급 콘크리트의 경우 최대 압력 47.8 bar에서 18.3 bar로 약 61.7 %의 압력이 감소하였다. 35 MPa급 콘크리트의 경우 32.9 bar에서 13.3 bar로 59.6 %, 24 MPa급 콘크리트는 23.2 bar에서 9.5 bar로 59.1 % 감소하였다.

콘크리트 펌프 압송 시 압력과 펌프 압송 거리 또는 토출량은 Fig. 10에 나타낸 것과 같이 선형으로 비례적인 관계를 보인다(Mechtcherine et al., 2014). 윤활층 활성화제 주입 시 약 60 %의 압력 감소가 이루어지므로, 동일 압력을 유지할 경우 토출량 또는 압송 거리가 2배 이상 증가하는 효과로 볼 수 있다.

Fig. 10

Improvement of concrete pumpability by activation agent injection

따라서 윤활층 활성화제 주입 방법에 의해 고유동 배합인 60 MPa급 콘크리트와 35, 24 MPa급 콘크리트 모두 펌프 압송 성능이 크게 향상되는 것을 알 수 있다.

4.3 콘크리트의 작업성 변화

윤활층 활성화제 주입 후 콘크리트의 작업성 변화를 검토하기 위해 슬럼프 시험을 수행하였다. Fig. 11은 35 MPa과 24 MPa급 콘크리트의 펌프 압송 전과 후의 슬럼프 결과를 비교한 그림이다. 35 MPa급 콘크리트의 경우 105 mm에서 185 mm로, 24 MPa급 콘크리트의 경우 130 mm에서 220 mm로 모든 실험에서 윤활층 활성화제를 주입하였을 때 슬럼프가 증가하였다.

Fig. 11

Improvement of workability by injecting activation agent - 35, 24 MPa

60 MPa급 콘크리트의 슬럼프 플로우 실험 결과를 Fig. 12에 나타내었다. 60 MPa급 콘크리트의 경우 590 mm에서 540 mm로 슬럼프 플로우가 감소하였으나, 윤활층 활성화제를 주입하지 않은 경우 슬럼프 플로우가 500 mm로 더 크게 감소하여 윤활층 활성화제 주입 방법이 펌프 압송에 의한 작업성 감소를 완화시킨 것으로 판단된다.

Fig. 12

Improvement of workability by injecting activation agent - 60 MPa

기존에 수행된 실험 결과를 살펴보면 Fig. 13과 같이 압송 후 콘크리트의 슬럼프가 감소하는 경향을 보인다. 여기서 S의 뒷자리 숫자는 콘크리트의 설계 강도를 의미한다. S30-1의 경우 슬럼프가 절반 이하로 저하되어 50 mm로 측정되었는데, 이 값은 현장에서 타설 작업이 거의 불가능한 수준이다. 콘크리트의 작업성 저하는 곧 거푸집 채움 성능 저하로 이어져 타설 작업이 지연될 뿐만 아니라 다짐이 완벽히 이루어지지 않을 경우 구조적 결함이 발생할 수 있다. 시공 과정에서는 배관 폐색이 발생하여 공기 지연과 공사비 상승의 원인이 될 수 있다. 윤활층 활성화제 주입 방법을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 13

Slump loss of concrete after pumping(Jang et al, 2018)

5. 결 론

이 연구에서는 윤활층 활성화제 주입 방법이 콘크리트의 펌프 압송 성능과 작업성 향상에 미치는 영향을 검토하기 위해 세 가지 배합의 콘크리트를 사용하여 실규모 펌프 압송 실험을 수행하였다. 이 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 콘크리트의 펌프 압송 중 윤활층 활성화제를 주입하게 되면 주입 시점으로부터 배관 내부의 압력이 점차 감소하며, 일정 시간이 지나 배관 전 구간에 걸쳐 윤활층 활성화제가 영향을 미칠 때 압력이 일정하게 유지된다. 또한 압력의 감소 시점이 거리에 따라 단계적으로 나타난다. 이 결과를 통해 배관 내부의 윤활층이 콘크리트와 함께 이동하여 토출된다는 것을 알 수 있다.

2) 윤활층 활성화제 주입 결과 60, 35, 24 MPa급 콘크리트의 압력 감소율이 각각 61.7, 59.6, 59.1 %로 펌프 압송 성능이 크게 향상되는 것으로 평가되었다. 이론적으로 콘크리트 펌프의 압력과 토출량 또는 펌프 압송 거리는 비례한다. 따라서, 이러한 결과는 동일한 펌프 압력으로 토출량 또는 펌프 압송거리를 2배 이상 증가시킬 수 있는 효과로 볼 수 있다.

3) 펌프 압송 전과 펌프 압송 및 윤활층 활성화제 주입 후의 슬럼프를 측정한 결과 35, 24 MPa급 콘크리트의 경우 슬럼프가 증가하는 것을 확인하였다. 고유동 배합인 60 MPa급 콘크리트의 경우 슬럼프 플로우 590 mm에서 540 mm로 감소하였으나, 윤활층 활성화제를 주입하지 않은 펌프 압송 후 콘크리트의 슬럼프 플로우가 500 mm으로 측정되어 윤활층 활성화제 주입 방법이 펌프 압송 후에 발생하는 슬럼프 플로우 저하를 완화시킨 것을 알 수 있다.

4) 펌프 압송 후 대부분의 콘크리트는 작업성이 감소하는 것으로 알려져 있다. 윤활층 활성화제 주입 방법을 콘크리트 펌프 압송에 적용할 경우 토출량을 증가시켜 콘크리트의 압송 시간을 단축시킬 수 있으며, 배관 내부의 압력 감소, 배관과 콘크리트 사이의 마찰력 감소로 인한 온도 상승 저감 효과가 있을 것으로 판단된다.

연구 결과 윤활층 활성화제를 주입함으로써 콘크리트 펌프 압송 성능이 크게 향상되고 펌프 압송 후 콘크리트 작업성 확보가 가능한 것을 확인하였다. 추후 연구에서는 콘크리트 배합의 종류와 윤활층 활성화제의 주입률을 변수로 펌핑 성능 향상의 효과를 정량적으로 평가하고 윤활층 활성화제 주입에 따른 역학적 성능 변화 여부를 확인하고자 한다.