콘크리트와 펌핑 3

콘크리트 펌프와 콘크리트 펌핑

Ⅴ. 펌핑가능한 콘크리트

배관을 통하여 밀어내지는 콘크리트를 펌핑 가능한 콘크리트라 한다.

이런 콘크리트는 파이프라인의 내벽의 마찰이 무한히 커지지 않고 배관내를 흐르면서 쐐기를 형성하지 않는다 펌핑 가능한 콘크리트라고 해서 특별한 콘크리트는 아니다. 표준 콘크리트 기술로 만들어진 콘크리트인데 고강도용인 경우 Fine Mortar의 량이 일정량 이상이어야 한다.

펌핑 가능한 콘크리트:

1) 최대골재크기가 32mm인 경우 Fine의 량이 400kg/m³ 이상

2) 최대골재크기가 32mm인 경우 시멘트의 량이 240kg/m³ 이상

3) 물, 시멘트가 0.42∼0.65

4) Spread Measere 방법에 의한 콘시스턴시가 K2 또는 K3 범위내 (정활한 것은 아니지만 Slump 5 이하는 K1, 5∼8=K2, 그 이상은 K3로 보임)

5) 골재의 조립율이 DIN 1045 조립율 곡선의 A,B의 범위에 드는 것

1. 일반 콘크리트 기술

콘크리트는 시멘트, 물 골재로 구성되어 있으며 첨가제가 들어갈 수도 있고 시멘트와 물이 혼합된 Grout가 굳어지면 Cement Stone이 된다. 개별적인 골재 입자가 그라우트에 으하여 서로 접합된다. 이렇게 굳어진 인조석을 콘크리트라 한다. 이 인조석(콘크리트)의 강도는 골재의 질, 시멘트 그라우트의 질과 량에 따라 달라진다. 물이 많이 포함된 즉 물시멘트비가 높은 콘크리트는 강도가 낮아진다. 모든 골재는 그라우트에 의하여 코팅되어야 한다.

그럼으로써 콘크리트 구성 성분이 서로 튼튼하게 결합 될 수가 있다. 그라우트량이 부족되면 강도가 감소한다.

그렇다고 그라우트의 량을 늘리면 즉 시멘트와 물의 량을 늘리면 콘크리트 가격이 높아진다. 왜냐하면 콘크리트에서 가장 비싼 요소는 시멘트이기 때문이다. 골재를 크기와 모양 측면에서 잘 선택하면 골재의 총 표면적을 감소 시킬 수 있다. 또한 조골재와 세골재의 비율을 적정하게 함으로써 내부공극을 줄일 수 있다. 내부 공극이란 튼튼한 콘크리트를 만들기 위해서 그라우트로 채워져야만 할 부분이다.
 

콘크리트의 우커빌리티를 위해서는 생콘크리트의 내부마찰이 가급적 작아야 한다. 이 내부 마찰은 Fine의 량에 따라 좌우된다.

Fine이란 것은 시멘트와 0∼0.25mm의 범위에 드는 골재를 말한다.

Fine의 량은 <표1>과 같이 골재의 크기에 따라 일정값 이상이어야 한다.

2. 펌핑 가능한 콘크리트 이론

(1) Fine-Finest Morter

서론에서 펌핑 가능한 콘크리트란 파이프라인 안으로 밀어 내질 수 있는 콘크리트라고 정의 되었다. 펌핑 가능한 콘크리트는 파이프 내벽에서의 마찰이 일정값 이내이고 Self Looking이 되진 않는다. 그러므로 펌핑 가능한 콘크리트는 내벽을 따라 미끄러질수 있고 곡관 안에서는 변형될 수 있다.

Finest Mortar, 즉 Fine의 혼합제(시멘트와 고운모래=시멘트와 0.25mm이하 골재)와 물이 윤활제(Sliding means, Lubricant)로서 작용한다.

이 요소가 콘크리트의 워커빌리티에 영향을 주는 요소이며 이를 위해 일정량 이상이 필요하다.

<표1> Fine의 양
 

이 표준량은 골재 주변에 윤활제가 코팅되어 각각의 골재 입자가 윤활제에 의하여 분리되고, 골재와 골재 사이의 공극을 채워주며 파이프 내벽에 윤활막을 형성하기에 충분한 량이다. 이 요구량은 콘크리트 기술과도 일치되는 것이다. 그러므로 펌핑 가능한 콘크리트는 특수한 콘크리트가 아니다.

펌핑 가능한 콘크리트는 양질의 콘크리트일 뿐이다.

주의 : 최대 골재크기가 32mm인 경우 Fine의 량이 400kg/cm³ 이상이어야 하며, 평판 세장형 골재 또는 쇄석 골재를 사용할 때에는 이 량을 10%증가 시 켜야 한다.

(2) 골재의 크기, 형태, 표면상태가 콘크리트의 펌핑 가능성에 미치는 영향

골재의 입도 분포외에 골재의 크기, 형태, 표면 상태가 Fine의 량이 동일한 콘크리트라도 펌핑 가능성에 영향을 미친다. 변의 길이가 2cm인 정방형일 경우의 부피는 8cm³이고 표면적은 24m³이다.<그림17>

만일 변의 길이가 1cm인 동일한 정육면체 8개로 결합이 된다면 전체의 부피는 8cm³으로 동일하지만 전체 표면적은 48cm³이 된다.

<그림17>

이 예는 골재 크기에 따라 전체 표면적이 어떻게 달라지는가를 보여준다.

<그림 18>과 같이 길쭉한 골재의 부피는 8cm³로 동일하지만 표면적은 다음식과 같이 42cm³이 된다.

A = 2(0.5×2cm+2(0.5cm×8cm)+2(2cm×8cm)=42cm³

이들의 예에서 보여주듯이 골재의 형상에 따라 표면적이 얼마든지 달라질수 있다는 것을 보여준다.

골재의 표면은 매우 완만할 수도 있고, 거칠 수도 있으며 뽀족할 수도(쇄석골재)있으며 공극이 많을 수도 있다. (결량골재)
이런 경우 Fine량을 증가시킬 필요가 있는데 Fine의 량을 증가시키기 위해서는 Trass(화산암 부스러기, 수경시멘트재료), 석분(Stone Dust), 휠라 등을 가하는 것이 좋다.

석회석, 시멘트, 블록 조각, 경량골재 등 압력하에서 물을 흡수하는 골재를 사용할 경우에는 펌핑 하기전에 Watering 처리를 해야 한다.
왜냐하면 공극이 많아 물을 흡수하는 골재는 Fine모르타르의 수분을 흡수하기 때문에 그라우트가 윤활작용을 할 수가 없다.

Expanded Clay와 같은 경량골재는 원래 비중이 1.8∼2.6kg/dm³인 Clay를 이용한 것인 Expanded Clay는 비중이 1kg/dm³에 지나지 않으므로 50% 정도는 공극으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 압력을 받을 경우 50%의 공극이 물로 채워지게 된다.

<그림18>

(3) 조립율

앞 절에서 큰 골재를 사용하면 표면적이 작아지고 콘크리트가 큰 골재로 구성되므로 공극을 채우기 위한 모르타르가 많이 소요된다.
큰 골재와 작은 골재의 비율을 나타내는 조립율 선도가 있는데 이런 입도표준은 골재의 퐁표면적과 내부 공극을 최소화하기 위한 조, 세골재의 비율로 나타낸다. 이것은 콘크리트 기능상 고강도와 좋은 워키빌리티를 갖는 비율임을 알 수 있다.
또한 콘크리트펌핑 측면에서는 펌핑가능성이 좋다는 뜻이 된다.
콘크리트의 워키빌리트는 모르타르량 즉 Center-물-4mm 이하의 모래량에 따라 좌우된다. 콘크리트 기술의 입도표준에 의하면 A와 B선 사이의 입도분포를 가진 골재를 사용하도록 하고 있는데 펌핑용 콘크리트는 변형이 잘 되어야(Well Workable)하므로 Q와 B선을 절반으로 나누어 상반부에 드는 입도분포를 갖도록 권장하고 있다. <그림19,20,21>참조

주의 : 펌핑용 콘크리트는 입도분포가 A와B선을 절반으로 나눈 상반부에 들도록 해야 한다. <그림 22,23,24>참조

최대 골재크기가 16mm, 31.5mm, 63mm 인 것은 콘크리트의 펌핑 가능성에 영향을 주지 않지만, 최대 골재크기가 펌핑실린더의 흡입부 단면적, 배축관 크기등을 결정해준다.
125mm 관을 사용할 경우 최대 골재크기가 32mm∼63mm인 골재량이 20%를 넘지 않아야 한다.

주의: 최대 골재크기가 63mm인 콘크리트를 압송하고자 할 때는 파이프직경이 150mm이어야 하며 펌핑 실린더 최소직경은 180mm이어야 한다.

이 경우에는 Fine의 량을 10%감안할 수 있다.
최대 골재크기가 16mm인 경우에는 32mm인 경우보다 골재 총 표면적이 더 크므로 펌핑을 위해서 더 많은 그라우트가 필요하다.

주의 : 최대골재크기 16mm의 콘크리트를 압송 할 때에는 Fine의 량이 450kg/cm³ 이상이어야 한다.

입도 분포중 어느 단계가 누락된 경우(예를 들면 4∼8mm 골재가 전혀 없는 경우)에도 펌핑은 잘 된다. 만일 어느 단계의 입도가 누락 되었을 때 이의 보충은 그 다음단계의 골재로 보충이 되어야한다.

주의 : 어느 한 단계의 입도가 누락된 경우에도 펌핑은 잘 된다.

여기서 원서의 내용과는 달리 <그림22,23,24>에 우리의 콘크리트 시방서에 명시된 표준입도를 그래프로 그려 중첩을 시켜 보기로 한다.

우리의 표준입도는 조골재와 세골재가 별도로 되었으나 위의 그림에서는 조골재와 세골재를 동시에 표시했음으로 먼저 우리의 조골재와 세골재 입도 표준은 적당한 S/A 비율을 택하여 합한 후 <그림22,23,24>에 중첩을 시켜 보았다.

<그림19>

<그림20>

<그림21>

<그림22> 골재의 공칭치수 13-No 4 입도 곡선의 중첩 (S/A=49%)

<그림23> 골재의 공칭치수 40-No 4 입도 곡선의 중첩 (S/A=36%)

<그림24> 골재의 공칭치수 19-No 4 입도 곡선의 중첩 (S/A=45%)

<그림25> 골재의 공칭치수 25-No 4 입도 곡선의 중첩 (S/A=36%)

체가름을 위한 체(Screen)의 규격이 독일 규겨과 KS규격에 차이가 있는지 알아보기 위하여 독일 규격을 직접 구입하여 검토 했으나 직접 중첩을 시키더라도 큰 문제가 없을 것으로 결론을 내렸다.

이상의 그래프를 잘 관찰해보면 각 그래프의 좌측 하단에서 우리의 입도 표준곡선의 하단선이 펌핑에 접합한 구역을 아래쪽으로 벗어남을 알 수 있다. 즉 표준입도로 배합해도 1∼2mm 이하의 입도를 갖은 모래가 부족할 수가 있다는 결론이다.

앞에서도 언급이 되었지만 입도가 0.25mm 이하가 되는 입자들이 펌프 실린더 또는 파이프 내벽에서 윤활제로 작용하는데 이 윤활제가 부족할 수가 있다는 뜻이다.

이러한 문제가 발생하지 않도록 입도 표준을 개선한다면 다음이 표와 같이 된다.

<표2> 펌핑용 콘크리트 잔골재의 입도
 

(4) 조립율

주의 : 펌핑용 콘크리트는 다음의 조립율을 초과해서는 안된다.
 

소수용량은 Hummel의 공식에 의하여

F=30×K+35 K : 조립율(Grading Modulus)

(5) 시멘트량

주의 : 펌핑용 콘크리트는 최대 골재크기가 32mm인 경우 시멘트량이 최소한 240kg/cm³ 이상이어야 하며, 16m 골재 사용시는 이보다 10%가 더 많아 야 한다.

(6) 물, 시멘트, 비

주의 : 펌핑용 콘크리트의 이상적인 물, 시멘트비는 0.42∼0.65이다.)

(7) 물과 Fine의 비율

펌핑 가능한 콘크리트의 물/Fine의 비율은 골재의 크기에 따라 다음과 같다.
 

(8) 펌핑용 콘크리트의 콘시스턴시

콘크리트의 콘시스턴시 측정 방법이 유럽과 우리나라가 서로 다르다. 유럽에서는 "Spread Measure"방법을 쓰고 있으며, 여타 국가에서는 대부분 Slump를 사용하고 있다.

국내에서 제작(조립)되고 있는 콘크리트펌프는 펌프 Assembly가 유럽에서 수입된 것이 많은데 이 점을 유의해야 한다.

Spread Measure는 측정된 값을 Slump로 환산하면 다음과 같다.
 

Spread Measure 방법이 측정이 곤란한 배합 Group을 K1 Group이라 하는데 이 Group은 콘크리트펌핑이 불가하다. (Stiff Concrete) Table을 참조하면 K1 Group은 Slump 5 미만으로 보인다.

(9) 혼합 시간

혼합수를 유지하지 못하고 빠져 나가게 되는 콘크리트를 소위 블리딩 콘크리트라 한다.

이 블리딩 콘크리트는 윤활성분이 분리되고 손실되기 때문에 일정조건에서만 펌프압송이 가능하다.

이런 콘크리트는 낮은 압력에만 견디는데, 이 브리딩 콘크리트의 원인과 대책을 열거 해보면 다음과 같다.

① Fine의 량에 비하여 물이 너무 많을 때

② 혼합시간이 너무 작을 때, 모든 Fine과 시멘트 입자가 물과 접촉되도록 균일하게 혼합하게 하기 위해서 믹서를 사용하는데 성능이 양호한 믹서는 30초, 그렇지 않은 믹서는 1분정도 혼합을 해야 한다.

중력식 믹서, 드럼믹서, 믹서트럭 등은 최소한 50회전 이상의 교반이 필요하다. 이것은 혼합이 끝난 뒤 물을 약간 더 부었을 경우에도 또 다시 50회전의 교반이 필요하다.

③ 가열된 시멘트, 예열된 골재, 뜨거운 혼합수(동절기)등을 사용했을 경우에는 콘크리트가 냉각된 뒤에는 브리딩 형상이 더 잘 일어나기 때문에 충분히 혼합 해주는 것이 중요하다.

④ 고로슬래그 시멘트 등은 믹싱타임을 더욱 세심히 관찰 해야하며, 혼합장치가 낡은 것일수록 혼합시간을 증가시켜야 한다.

⑤ 레미콘에서도 가끔 브리딩이 일어나는데 이것은 수송 과정에서 벌서 시멘트가 gel상태로 되기 때문이다.

3. 콘크리트펌핑과 혼화제

혼화제가 콘크리트펌핑에 악 영향을 미치지는 않는다.

지연제, 공기연행제, 유동화제, 고유동화제 등은 꼭 필요한 때에만 사용한다. 왜냐하면 꼭 필요한 경우에만 이런 혼화제가 콘크리트펌핑을 도와주는 것이지 아무때나 이러한 재료를 넣었다고 펌핑이 수월해지는 것이 아니기 때문이다.

예를 들면 지연제 같은 것은 파이프라인이 길고 압송량이 적어서 콘크리트가 파이프내에서 머무는 시간이 긴 경우에 사용한다.

혼화재료의 투입은 콘크리트 기술의 일반원칙에 따라 투입한다. 혼화재는 나쁜 콘크리트를 좋게 해주는 것이 아니고 좋은 콘크리트를 더 좋게 개선하는 것이다.

(1) 공기연행제

공기연행제는 콘크리트내에 미세한 공극이 형성되어 Conpaction을 해도 빨려 나오지 않는다.

이런 공극은 동결융해에 대한 저항을 증가시키므로 콘크리트의 워커빌리티 측면에서 본다면 10kg의 fine을 추가 배합한 효과가 나온다.

공기연행제는 콘크리트펌핑 가능성을 높여 줄 수가 있다.

그러나 공기는 압축성이기 때문에 과도할 경우(5%이상) 펌핑이 곤란해 질 수가 있으므로 유의해야 한다.

파이프라인 내에서 공기 입자는 각각 압축성 방울과 같은 행동을 한다.

높은 압력, 긴 파이프내에서는 이런 공기 입자가 펌프의 압송행정을 흡수해 버릴수가 있어서 콘크리트가 압송실린더 쪽으로 밀려들게 될 수가 있다.

펌프가 많이 마모되었을 경우에는 배출량이 현저하게 감소하고 극단적인 경우 배출이 되지 않는다. 압축행정 전체가 파이프내에 콘크리트의 공극에 흡수되어 버린다.

(2) 유동화제 및 고유동화제

유동화제가 첨가되면 동일한 물시멘트 비에서 Slump가 증가한다. 또한 동일한 콘시스턴시를 유지하고자 한다면 물의 양을 줄일 수 있다. 그러나 유동화제의 효과가 지속되는 시간은 한계가 있고 이 시간이 지나면 콘크리트는 원래의 곤시스턴시를 유지한다. 펌핑가능한 콘크리트에 고유화제가 첨가될 경우 펌핑과정에서는 문제가 발생되지 않는다. 현장 경험에 의하면 고유동화제나 유동화제를 사용하여도 파이프내에서의 마찰력은 변화하지 않는다. 그러므로 압송압력 계산이나 펌프모델 선정시에는 유동화제가 첨가되지 않은 Fresh Concrete를 기준으로 계산해야 한다.

4. 경량 콘크리트의 펌핑

경량 콘크리트의 비중은 2t/m³ 정도된다. 대부분이 Clay base 경량 골재인데 이는 공기량이 50%를 차지할 정도로 공극이 많다. 따라서 약간의 압력만 가해도 혼합수가 골재의 공극속으로 들어가게 되므로 사전에 Watering을 하지 않으면 펌핑이 불가능한다.

5. 중량 콘크리트펌핑

비중이 8t/m³ 이상인 콘크리트를 중량 콘크리트라 한다. 여기에 사용되는 골재는 마그네사이트, 강철 스크랩 등이다. 중량 콘크리트도 펌핑이 가능한데 골재의 입자도 분포를 중골재와 경골재가 분리되지 않도록 선정해야 한다.

트럭식펌프의 붐길이는 일반콘크리트의 사용을 전제로 정해진 것이기 때문에 중량콘크리트 사용시는 Reach를 감축해야 한다.

Ⅵ. 펌프의 가동

① 콘크리트펌프와 붐은 완전한 상태로 가동준비가 되었는가?

② 파이프라인은 튼튼하고 신중하게 설치되었는가?

③ 콘크리트펌프에 압력수 공급은 가능한가?

④ 타설 현장과 펌프 조작자와 통신수단은 확보 되었는가?

⑤ 문제발생시 파이프라인을 신속하게 세척할 준비가 되었는가?

콘크리트펌프를 가동 하기 전에 파이프 내벽에 윤활(그라우트)제가 칠해져야 한다. 한 번 윤활제가 칠해진 후에는 콘크리트에 포함된 모르타르에 의하여 윤활제의 곰급이 계속된다.

처음 설치한 파이프나 세척된 파이프에는 윤활제가 없다.

붐이 아주 짧은 트럭식 펌프는 경우에 따라 윤활제를 바르지 않아도 좋다.

1. 윤활제

윤활제로서 그라우트를 펌핑한다.

콘크리트 펌핑작업 직전 호퍼에 그라우트를 넣고 펌핑한다.

(1) 윤활제의 최소량

붐 길이가 25m정도되는 트럭식 펌프에서는 윤활제가 약 50kg정도 소요된다. 트레일러식의 경우는 파이프길이가 30m정도일 때 파이프 직경이 100∼125mm라면 100kg정도가 소요된다.

파이프 길이가 50m 이상일 경우에는 시멘트와 4mm이하 모래를 2 : 1로 혼합하여 사용한다.

파이프 길이와 직경에 따른 윤활제의 양은 <표3>에 나와있다.

<표3> 압송관경과 압송거리에 따른 윤활그라우트의 소모량
 

2. 펌핑의 시작

파이프가 길거나 태양열에 의하여 뜨거워졌을 때에는 내벽에 먼저 물을 적셔 주어야 하는데 다음과 같다.

① 약 50리터의 물을 압송하고물과 윤활그라우트 사이에 물 적신 스폰지 볼을 넣는다. 물과 윤활그라우트가 동시에 밀려 나아가는데 이 방법은 파이프가 아랫방향으로 설치되지 않았을 때 사용한다.

② 특히 긴 파이프의 경우는 스폰지볼을 먼저 넣은 다음 물을 넣고 다음에 또 스폰지볼을 넣은 후 압축공기로 밀어낸다.

이 방법은 파이프가 Tight하게 설치 되었으며 방해물이 없는가 등을 확인 할 수 있는 이점이 있다. Lubrication mix압송은 서서히 부드럽게 해야 한다.

그러므로 이는 압송할 콘크리트가 준비된 연후에 실시한다. 파이프가 아랫방향으로 설치되어 있을 때는 이에 대하여 특히 유의해야 한다. 윤활제의 량이 부족하거나 혼합방법이 잘못된 경우에는 파이프내에서 마찰소음이 들리고 막히기 쉽다.

(1) 아랫방향으로 펌핑

낮은 경사로 내려가는 경우에는 스폰지볼을 넣고 그라우트를 압송하므로써 그라우트가 그냥 흘러내리는 것을 방지 할 수 있다.

레벨 차이가 30m 이상이 될 경우에는 스폰지볼로서 방지 할 수 없으므로 Hard Sponge Rubber Ball을 사용한다.

레벨 차이가 50m 이상이 될 때에는 <그림26>과 같이 먼저 물을 압송하고 스폰지 볼을 넣은 후 그라우트를 압송하면서 배수밸브를 조정한다. 펌핑 속도를 증가 시키면서 배수밸브를 더 열어주고 나중에는 밸브를 제거한다.

레벨 차이가 100m이상인 경우에는 물에 벤토나이트를 섞는다.

벤토나이트는 윤활 작용도 하고 누설되는 부분을 막아 주기도 한다.

<그림26>