콘크리트와 펌핑 2

콘크리트 펌프와 콘크리트 펌핑

Ⅲ. Pipe Line

1. 파이프라인-일반자료

콘크리트펌프의 기술 이외에도 문제가 발생하지 않는 콘크리트 타설을 위해서는 사용하는 콘크니트 파이프라인의 조건이 매우 중요하다.

아무리 좋은 타설장비를 사용하더라도 파이프란인의 직겨이 부적합하다거나 파이프의 관리상태가 부실할 경우는 좋은 장비의 효율을 발휘할 수 없게 된다. 콘크리트 펌핑에서는 여러 가지 직경과 두께의 강철파이프가 사용된다.

한 개의 파이프는 1m,2m 또는 3m(더 긴 것은 다루기가 불편하므로 적당하지 않다)로 된 길이를 여러 가지 커플링을 이용하여 신속히 조립 연결하여야 한다. 파이프의 방향을 전환하기 위해서는 여러 가지 각도의 곡관이 사용된다.(90도, 60도, 45도, 30,...15도)Schwing사의 곡관은 설치용으로 곡률반경이 1m이고 트럭식 붐에 사용되는 것은 곡률반경이 250mm이다.

2. 파이프 직경

앞에서 흐름저항은 파이프직경과 관계 있다고 언급되었다. 흐름의 속도-결과적으로 흐름저항은 관의 직경이 작을수록 커진다. 펌핑 압력을 감소시키고 파이프라인의 마모를 최소화 하기 위해서는 타설량이 대량인 경우에는 가급적 관경이 큰 파이프를 사용하기고 권장한다. <그림4>는 파이프 작겨과 흐름속도의 관계를 보여준다. 그런데 파이프직경이 크면 관내부에 콘크리트가 채워져 있을 때는 손으로 다루기가 매우 힘들게 된다. 또한 직경이 125mm이상인 파이프의 경우 붐 끝단에서 콘크리트 타설 위치를 변경시키기 위하여 호스의 위치를 바꾸는 작업이 거의 불가능하다.

<그림6>은 콘크리트가 채워지지 않은 길이 3m(벽 두께 4mm)인 파이프 무게와 콘크리트가 채워진 무게를 여러 가지 직경별로 보여주고 있다.

파이프 직경이 크면 펌핑을 시작할 때 윤활을 위하여 소요되는 그라우트 소요량도 증가하게 된다. 타설을 종료한 후 관의 내부를 세척할 때에 사용하지 못할 콘크리트가 많이 나오게 된다. 펌핑압력계산 도표에서 펌핑 압력을 계산하는 데 직경 100mm를 선택하지 않고 125mm를 선택했을 경우 도표에 의해서 40bar 대신 66bar를 얻게 되면 콘크리트의 정압은 16bar를 감안하면 82bar가 된다.

이것의 의미는 펌핑용량이 37.5m³/h일 때 TK번호가 3075가 된다는 뜻이고 출력이 123kw가 된다는 뜻이다. 이와 같은 예에서 우리는 이 현장에서 채택해야 할 파이프는 125mm를 사용하는 것이 펌프의 출력범위로 보아 적당하다는 것이다.
관경이 100m일때는 중 단거리요(약 200m)으로써 배출량 25m³/h까지가 적당하다.
특히 슬럼프가 8cm 이상인 경우에 적당하다. 몇 년전만 해도 단거리용으로 배출량30m³/h이하 트럭식에서 80mm 관경을 많이 사용했으나 최근에 트럭식에서는 사용되지 않고 있다.

60년대 말까지는 직경 150mm가 많이 사용 되었으나 그후 고압 콘크리트펌프(70bar)가 출현하므로써 125mm가 주종을 이루게 되었다. 오늘날에는 150mm관경은 최대 골재크기가 40mm이상(63mm, 75mm)인 콘크리트를 원거리, 대용량을 타설할 경우에만 사용되는데 이것은 소요동력을 가급적 줄이기 위해서다. 또 이 관경은 스크린을 통과하지 않는 막골재를 사용 한다거나 매우 단단한 쇄석 골재를 사용하기 위한 것이다. 펌핑 압력이 낮고 흐름속도가 낮으면 관내 마모가 적으므로 150mm관경은 터널 공사등 기계가 아니면 타설이 어려운 현장 등에서 사용된다.

3. 파이프 연결

파이프는 길이가 짧은 파이프와 곡관 및 신속한 조립을 위한 커플링으로 구성되어 있다. 때로는 볼트를 사용하는 커플링을 이용하기도 한다. 여러 종류의 후렌지를 갖춘 갖가지 커플링이 여러 곳으로부터 공급되는데 이들을 표준화하고자 하는 노력이 있었지만 제시된 표준만은 점차 펌핑압력을 증가시켜 사용하는 현대적인 콘크리트 펌프가 감안되지 않았기에 채택되지 못했다. 파이프는 설치용과 붐용이 서로 다르다.

(1) Cup type Coupling

붐에 부착한 파이프, 선회 가능한 파이프 등은 연결된 파이프가 축을 중심으로 서로 선회가 가능해야 하는데 이를 위해서는 Cup type Coupling이 적당하다. Cup type프랜지 연결장치는 Seal에 의하여 Flush-Fitting프랜지로 되어 있으며 세계적으로 많이 사용되고 있다.
견인식에서는 설치용 파이프라인을 사용하기도 한다.
파이프 외경과 동일한 내경을 갖는 컵 커플링은 고압용으로는 적합하지 않다.
Cup type 커플링으로 연결할 때는 연결하고자 하는 두 개의 파이프가 완전하게 일직선 상에 놓여있어야 하기 때문에 시간이 많이 걸리는 단점이 있다. 파이프 위치를 자주 변경해야 하는 경우 더욱 시간이 많이 걸리는데 그 이유는 실링과 커플링에 묻어있는 콘크리트를 잘 닦아 주어야 하기 때문이다.

(2)Cup type Tension 커플링-스틸업커플링

시간이 많이 소요되는 컵 타입 커플링의 단점을 보완하고 고압에 견딜 수 있도록 고안된 연결장치가 컵타입 텐숀커플링인데 이는 암 플랜지와 숫 플랜지가 씰과 함께 사용된다. 파이프를 가설하거나 위치를 옮길 때 실링이 그루브 사이에 그대로 남아 있게 되어있다. 이 연결장치는 두 종류의 호환성있는 형태가 있는데 하나는 Stirrup커플링이고 또 한가지는 컵 타입 텐숀커플링이다. 스틸업 커플링<그림9>은 다루기가 용이하므로 신속하게 연결할 수 있다.

이 긴결장치는 캠을 이용한 것으로서 붐이 있는 펌프의 경우 파이프를 빈번히 위치변경 해야할 경우에 특히 적절하다. 스틸업커플링은 두 개의 캠을 이용하여 플랜지가 서로 접촉되도록 눌러주므로 40bar의 압력까지 적합하며, 벤딩모멘트가 걸리게 해서는 안된다. 동일한 프랜지 (암플랜지 파이프와 숫플랜지 파이프)를 이용하여 컵 타입 텐숀커플링을 사용하면 매우 높은 압력(200bar이상)에 까지 적합하다. 컵타입 프랜지는 센터링되는 장치가 있으나 컵타입 텐숀커플링은 Wedge으로 이용하여 타이트하게 당겨지는데 두 파이프의 거리가 5mm이내인 경우는 당겨서 밀착 시킬수 있다.

이 컵타입텐숀커플링은 모멘트를 어느 정도 받을 수도 있으며 주로 이동이 별로 없는 메인파이프의 연결에 사용된다. 고압으로부터 초고압까지의 범위에서 사용되는데 벤딩모멘트를 받은 펌프의 송출관에서부터 직접 연결될수 있다. 암,수 플렌지와 실링을 이용한 연결장치를 일반적으로 사용하면 타이트하게 연결되어 고압에 적합할 뿐만 아니라. 위치변경을 위해서 해체, 결합이 용이하다.

4. 파이프의 벽 두께와 마모

콘크리트 수송 파이프는 마모되기 마련인데 마모량은 파이프의 재질, 콘크리트 흐름의 속도, 콘크리트의 압력, 골재의 혼합비율, 형상, 골재의 정동 등에 따라 달라진다. 콘크리트 펌프 배출구에서 최고의 압력이 걸리고 끝단으로 갈수록 점차 감소하다가 최종 타설부에서는 0의 압력이 걸리므로 펌프배출구쪽의 마모가 심하다는 결론을 알 수 있다. 그래서 이 부분에는 도리 수 있으면 새 파이프나 벽이 두꺼운 파이프를 사용한다. 대부분의 파이프는 두께가 4mm인데 이 두께는 보통의 압력에 견딜 수 있는 두께로서 직경이 125mm, 벽 두께가 4mm인 파이프에서는 100bar정도의 압력까지 견딜 수 있다. <그림10>은 파이프 직경별로 벽 두께와 펌핑 압력과의 관계를 보여준다. 200bar 이상의 고압, 초고압을 위해서는 벽 두께가 7mm정도가 되어야 한다.

펌핑 압력에 따라 결정되어야 할 파이프의 두께가 요구되는 두께에 미달될 경우 펌프에 인접된 부분의 파이프는 당연히 교체하여야 한다. 이 사항을 가볍게 생각했다가는 사고가 발생한다. 파이프의 두께를 측정하고자 할 때는 초음파 측정장비에 의하여 간단히 측정할 수 있으며, 필요한 경우에는 Spot-Drilling도 할 수 있다.

5. 콘크리트 배출구와 테이퍼관(펌프측)

일반적으로 펌핑 실린더의 직경이 파이프의 직경보다 크다. 그러므로 직경이 서로 다른 부분을 연결하기 위하여 테이퍼관이 필요하다. 이 부분은 너무 큰 골재, 이물질, 잘못 믹싱된 콘크리트 들에 의하여 관이 막혔을 때 신속하고, 용이하게 조치할 수 있도록 분해 결합하기 편리한 구조로 되어야 한다. 파이프 관경의 감축(Tape)은 펌프의 직후에 연결되어야 하며 관을 연결해 나가다가 관경이 서로 다른 파이프를 연결하는 것은 바람직하지 못하다.

Slump치가 작고, Finess(Cement+0.25mm 이하의 골재)가 작은 Stiff한 콘크리트는 파이프내에서 압송되면서 변형되기가 어렵다. 이것은 콘크리트가 관을 빠져 나올 때는 원통형 플러그 상태가 되며 내부는 상대적으로 건조하다. 그러나 파이프 관경을 크게 할 때는 해로울 것이 없다. 직경이 서로 다른 파이프를 연결해야만 할 때에는 관경이 큰 파이프를 최종 배출구 쪽에 둔다.

(1) 특수한 Outlet

6. 곡관

수송 관로중에 곡관이 있는 경우에는 소요되는 펌핑압력이 증가된다. 파이프라인의 길이 계산시에 곡관의 저항을 수평직관으로 환산 하였으며 Schwing사에서는 곡률반경 1m를 사용하고 있다.
곡률반경을 더 크게 하면 다루기가 어려워지면 곡률반경250mm의 곡관은 파이프라인 끝단의 분배중치에서 사용된다.

곡관의 저항은 상당히 낮은 값이어서 하방향으로 콘크리트를 타설할 때 콘크리트가 너무 급속히 떨어져서 분리 되는 것을 방지하기 위해 속도를 줄이려고 S형 곡관을 사용하여 브레이크 기능을 갖도록 하는 것은 바람직 하지 못하다.

7. 호스의 사용(중간, 또는 끝단)

호스는 주로 분배관 또는 끝단에 사용된다. 드물게는 파이프라인의 중간에 설치 하기도 하는데 호스 내벽은 강철 파이프보다 저항이 크게 발생하나 호스의 마찰력 측정값은 아직 알지 못한다.

호스가 굽혀지면 저항이 더 커지기 마련이며 개략적으로 보면 호스 1m는 강철파이프 5m에 해당하는 마찰력을 가진다.
호스내에 강철Ply가 있는 경우 50bar(최대 80bar)의 압력에 견디면 이중 호스 양 끝단에 joint가 있는 것이 중간용으로 사용된다.

<그림11>

8. 파이프 악세사리

(1) Shut-off Valve

Shut-off Valve는 기계식과 유압식이 있다. Shut-off Valve는 상방향 또는 하방향 타설시 파이프내에 불필요한 공극의 발생을 방지 하기 위하여 사용된다. 상방향 타설시는 파이프와 펌프를 분리 해야 할 필요가 있을 때 사용된다. 기계식 Valve는 파이프 높이 30m까지 사용할 수 있다.

유압식 Shut-off Valve는 콘크리트펌프의 유압 System을 이용하거나 별도의 유압 Pack을 이용한다.

이것은 30m 이상 펌핑할 때 사용된다. 하방향 타설시는 하향 경사 파이프의 아랫 부분에 위치 하는데 콘크리트펌핑이 중단 되었을 때(파이프를 옮기거나, 콘크리트 부족으로) 콘크리트가 밀려 내려 오는 것(Breaking off)를 방지하기 위한 것이다. 유압 Shut-off Valve는 펌프 조작자에 의하여 원격조정할 수도 있으며 표시등이 있어서 valve가 열려 있는지 닫혀 있는지를 멀리서도 알 수 있다.

(2) 방향 전환 밸브

1대의 콘크리트펌프로 여러 개소에 콘크리트를 타설 할 때에는 방향전환밸브를 사용한다 저압용으로는 기계식 방향전단 밸브가 사용되며 고압용으로는 유압식 Shut-off Valve 2개를 이용하여 방향전환을 하는데 적합하다. 원격 조종이 가능하므로 콘크리트펌프를 가동 중단하지 않고 방향전환이 가능하다. 이렇게 방향전환 밸브를 사용할 때에는 Branch의 두 방향으로 주기적인 압송을 하므로 인해 타설되지 않는 두쪽의 콘크리트가 흐르지 않고 정체되어 굳어지는 현상이 발생 되는 것을 방지할 수 있다.

(3) 방출파이프

최근에는 붐이 부착된 콘크리트 펌프를 주로 사용하기 때문에 이 방출파이프를 사용하는 예가 드물지만 배관이 되어 있는 상태에서 여러 장소에 콘크리트를 타설하기 위해서는 이것이 필요하다.

이 방출파이프를 사용할 때는 수시로 콘크리트가 배관의 끝 부분까지 압송되도록 하여 어느 한 곳에서도 콘크리트가 정체되어 굳어지는 일이 발생하지 않도록 해야 한다.

(4) Pipe Cleaning Head

압축공기를 이용하여 파이프라인을 불어 낼 때에 Cleaning Head<그림14>가 필요하다. 이 Cleaning Head는 다음 사항을 갖추어야 한다.

• 압축공기 호스를 연결하기 위한 밸브가 있는 연결단
   
• 대용량 압력게이지
   
• 차단 밸브가 있는 급수구

Pipe Cleaning Head의 기능은 "압축공기로 파이프라인을 붙여주는데" 필요하다.

(5) Trap Basket

압축공기로 파이프라인을 불어낼 때 파이프 끝단에 반드시 Trap Basket로 고무공과 플러그를 잡아줄 뿐만 아니라. 남은 콘크리트가 파이프를 떠난 뒤에도 끝단을 막아주어 압축된 공기가 "폭발현상과 같이" 빠져나가는 것을 방지해준다.

9. 파이프라인의 가설

콘크리트 타설 중 문제가 발생하지 않도록 하기 위해서는 파이프의 설치를 신중하게 해야한다. 철저한 계획하에서 신중하게 파이프라인이 설치되면 콘크리트를 타설할 때의 시간 및 경비가 절감될 뿐만 아니라 문제점 발생으로 인해 신경 쓰는 일이 없어지게 된다.

배관은 프렌지 부분이 타이트하게 연결이 되어야 하지만 인장력을 받아서는 안되고, 견고히 앵커링이 되어야 하며 전 길이에 대하여 접근이 가능해야 한다. 누설되는 부분이 있으면 불러내기 할 때에도 공기나 물이 누설되므로 불어내기 작업이 어렵게 된다.

마모된 파이프나 누설되는 파이프 또한 막힌 파이프를 고체하기 위해서 연결하는 파이프는 인장력을 받지 않아야 한다. 인장력을 받을 경우 불량 파이프를 제거하고 양호한 파이프를 끼워 넣었을 때 너무 큰 간격이 생기므로 타이트하게 연결하기가 어렵다. 커플링을 채결하기가 용이하도록 파이프는 고임목으로 받쳐져야 한다.

배관은 전 길이에 대하여 접근이 가능해야만이 마모된 파이프를 교체하거나 누설되는 플렌지를 수리하고 결함있는 커플링을 신품으로 교환할 수 있다. 파이프가 벽체 또는 크레인 마스트에 설치 될 때는 사다리등의 접근 통로가 마련되어 있어야 한다.

만일 접근이 곤란한 부분이 있다면 이 부분에는 벽이 두꺼운 파이프를 사용한다. 이런 부분에는 파이프 가설에 더욱 신중을 가해 주기를 바란다.

때로는 배관을 평행하게 이중으로 하여 안쪽에 문제가 발생했을 때 다른 쪽을 사용할 수 있도록 하는것도 필요하다.

(1)파이프의 고정

파이프라인 중 곡관이 있을 경우 견고히 고정하지 않으면 콘크리트 관성력을 받아 파이프라인이 많이 움직이게 된다. 대형 고성능 콘크리트 펌프를 사용 할 때는 특히 유의해야 한다. 파이프의 고정은 크램프를 사용한다.

벽이나 천장으르 뚫고 지나가는 파이프는 볼트로 고정한다. 1 - 2m³의 콘크리트 블록으로 보강하는 것이 이상적이다.

(2) 수직 파이프

수직으로 가설된 파이프는 한번 설치가 되면 불량 파이프를 교체하기가 매우 힘이 든다. 특히 수직높이가 높을 경우 등은 완벽한 품질의 파이프만 선별하여 사용하여야 한다.

또한 수직파이프의 아랫 부분은 파이프 두께가 두꺼운 파이프를 사용한다.

파이프는 잘 고정해야 하며 아랫부분의 1m반경의 곡관등은 교체가 용이하도록 고정한다. 곡관도 수직파이프의 높이가 높은 경우에는 파이프 두께가 두꺼운 관을 사용한다. 이 곡관으로 하여금 수직 파이프를 지지 하도록 해서는 안 된다.

(3) 수직펌핑을 위한 Starting Distance

레벨 차이가 50m 이상이 될 때에는 콘크리트의 콘시스턴시, 골재의 조립도, fine 모르타르의 량등에 따라 다르기느 하지만, 수송배관 내에서 압력의 첨두값이 발생하는데, 이 Pressure Peek는 별도의 추가 압력으로써 펌프가 많은 힘을 받게 된다. 그러므로 이를 보상하기 위하여 수평으로 일정한 거리만큼 배관을 한 후에 수직 배관을 해야 한다.

이 수평 배관의 길이를 Starting Distance라고 하는데 이 길이가 너무 길면 압력손실이 많다.

Starting Distance는 수직 높이의 10-15%로 한다.

고압, 초고압 용으로 두꺼운 관을 사용할 경우 Starting Line의 일부를 교체할 수 있도록 가급적 짧은 파이프(0.5-1m)를 사용한다.

Ⅳ. 콘크리트 펌프의 설치

펌프의 설치 위치는 타설 위치까지의 거리를 가장 짧게 할 수 있는 위치로 한다 레미콘을 사용할 때에는 효율을 높이기 위하여 2대의 믹서트럭이 동시에 접근할 수 있는 장소를 선정하므로서 콘크리트를 중단 되지 않고 계속 공급 받을 수 있도록 한다. 트레일러식 펌프를 장기간 사용할 경우에는 쉽게 청소할 수 있는 콘크리트 기초위에 위치시키고 세척용 급수밸브로 준비되어야 한다. 또한 조명장치, 전기시설, 세척용 압력수 공급장치 등이 준비되어야 한다. 펌프 조작자와 콘크리트 타설 작업자와의 상호 커뮤니케이션 할 수 있도록 무전기 또는 야전용 전화등의 통신장비도 갖추어야 한다. 대용량, 고압용 트레일러식 펄프는 반드시 기초위에 설치한다. 강철 프레임이나 콘크리트 블록이 기초로써 접합한다. 가름장이나 각목 위에 올려 놓은 것은 임시방편에 지나지 안느다.

펌프와 펌프 배출구는 각 방향에서 접근 가능토록 해야하며 유지정비와 수리등을 위해서 주위에는 최소 1m이상의 여유 공간이 있어야 한다. 배출 부위에 필요한 공간의 크기는 아래표를 참고하면 된다.

이 여유 공간은 Siamese Pipe와 Shut-off Valve나 Pipeline이 연결된 테이퍼 끝단을 포함한 것이다. 테이퍼 끝에서 바로 파이프라인이 연결괴는 부분을 고정하는 것이 좋다. 이 고정점은 펌핑 충격이나 힘이 흡수될 수 있을 정도로 튼튼해야 한다. 1m³ 정도의 보강용 콘크리트 블록을 이용하여 고정하면 좋다. 이 고정점 이후부터 최초의 곡관을 설치할 수 있다.