콘크리트와 펌핑 - 1

콘크리트 펌프와 콘크리트 펌핑

콘크리트 펌프(Concrte Pump)는 주로 토목현장에 있어서 트레일러 型으로 사용되어 왔었으나 차량 탑재식의 소위 콘크리트 펌프차가 나타나고 나서 건축사용으로 급격히 
보급되었다.

콘크리트 펌프차가 재래의 타워공법보다 우수한 점은

1. 기동성이 풍부하다.

2. 노동력이 대폭으로 절약된다.

3. 콘크리트를 연속적으로 수송할 수 있다.

4. 외부 발판에 따라서 간단하게 배관할 수 있으며 여분공사를 남기지 않는다는 것을 들 수 있다.

최근에 와서는 건축공사 현장에서 콘크리트 타설위치가 더 높아지고 넓어지므로 인해 적절한 장비의 선택이나 콘크리트를 압송할 때의 일반 원칙들이 더욱 중요시 되고 있다.

따라서 본란에서는 콘크리트 펌프 사용자들이 콘크리트 펌프 사용방법을 정확히 이해하여 콘크리트 펌핑을 좀더 쉽게 할 수 있도록 하며., 
또한 현장에서 발생될 수 있는 문제점을 사전에 예방하는데 도움이 되도록 쉽게 설명이 되었다.

Ⅰ. 콘크리트 펌핑

Ⅱ. 콘크리트 펌프

Ⅲ. Pipe line

Ⅳ. 콘크리트 펌프의 설치

Ⅴ. 펑핑가능한 콘크리트

Ⅵ. 펌프의 가동

Ⅶ. 파이프 세척

Ⅷ. 콘크리트의 배분

Ⅸ. 극한조건에서의 펌핑

Ⅹ. 막힘의 원인

Ⅰ. 콘크리트 펌핑
콘크리트펌프가 출현된지는 50년 이상이 되었다.

최근에 와서는 건축현장에서 콘크리트펌프가 일상적으로 사용되고 있으며 콘크리트 펌프는 단순히 콘크리트를 압송만 해 주는 것이 아니라 대량 타설시 적절한 부수장치를 선택하여 사용함으로써 많은 인력을 줄일 수 있다.

트럭식 콘크리트 펌프는 짧은 파이프라인을 주로 사용한다.

파이프라인의 길이는 붐의 수평작업거리와 같다.

펌핑 가능한 콘크리트를 사용해야만 문제점이 적게 발생한다.

장비는 해당 기종에 대해 해박한 지식을 가지고 있고 잘 숙력된 사람이 조작하고 유지관리 하여야 한다.

콘크리트 펌프 사용자나 건설현장에서 장비를 사용할 때 다음의 일반적인 원칙에 따라 사용하면 불필요한 문제점이 발생하는 것을 예방할 수 있다.

① 사용할 장비가 모든 요구 조건에 맞는 것인가.

② 장비는 완벽하게 기술적으로 정비가 되었으며 가동준비가 되었는가.

③ 조작자가 장비에 대하여 충분히 알고 있는가.

트레일러 타입 콘크리트펌프를 사용할 경우에는 다음 사항들을 추가로 검토 되어야 한다.

④ 파이프라인이 적절히 설치되었으며 숙련된 자가 이를 관리하는가

⑤ 타설에 참여하고 있는 작업자들이 콘크리트에 관련된 총괄 책임자의 감독을 받고 있는가.

⑥ 파이프라인은 현장조건에 맞는가, 견고히 설치되고 크기는 적절한가.

⑦ 파이프라인은 신중히 설치되었으며 인장력을 받고 있지 않는가.

⑧ 콘크리트 배출량(분배량)은 소요량에 맞는가.

⑨ 파이프라인 세척을 위한 적절한 장비는 준비 되었는가.

⑩ 콘크리트 펌핑 가능한 콘크리트이어야 한다.

압력을 받았을 때 또는 펑핑 소요시간 동안에 펌핑 가능성(Pumpability)을 잃게 되지는 않는지.

여러 회사에서 제작되는 콘크리트펌프는 세부적인 기술 사항이 각각 다르다.

가장 두드러지게 차이나는 부분은 Inlet, Outlet밸브인 "Concrete Grate Valve"이다.

펌핑가능한 여러 종류의 콘크리트가 압송가능 및 불가능한지는 밸브의 설계기술에 달려 있다.

펌핑이 가능한 콘크리트는 콘크리트펌프가 어떤 모델이든지 간에 파이프라인내로 압송될 수 있는 콘크리트라고 정의하고 있다.

펌핑 가능한 콘크리트라 해도 모래 비율이 낮고 쇄석골재를 사용하고 최대 골재크기가 63mm 이상 또는 75mm가 되는 경우에는 어떤 종류의 콘크리트 펌프라도 콘크리트의 
압송이 불가능하다.

정상적인 현장 조건에서 최대압력( 펌핑 피스톤에서 100bar 또는 200bar)으로 문제를 발생하지 않고 펌핑이 가능한가는 콘크리트게이트 밸브의 설계에 따라 좌우된다.

최근에 와서는 건축공사 현장에서 콘크리트 타설 위치가 더 높아지고, 넓어지므로 인해 위의 사항을 예사로 보아 넘겨서는 안된다.

Ⅱ. 콘크리트 펌프-일반자료

1. 출력(압송량), 펌핑 압력

펌핑랍력과 압송량을 성능에 관계되는 사항은 건물의 크기(수직, 수평타설거리), 타설 부위별 소요 콘크리트량, 콘크리트의 질(시멘트함량, 골재의 조립율, 콘시스턴시, 최대골재크기 등), 현장 조건에 따라 결정된다.

어떤 콘크리트펌프가 일정한 시간동안에 얼마의 량을 압송할 수 있다고 할 때 이 장비는 이 정도의 량을 흡입하고 압송할 수 있다는 뜻이다.

파이프라인이 길고 타설량이 많으면 더 높은 펌핑압력이 소요된다.

동일한 타설량을 압송한다 해도 파이프 길이가 짧으면 파이프 길이가 긴 경우보다 같은 압력에서 타설하기가 쉽다.

2. 흡입

콘크리트펌프가 콘크리트을 압송하기 위해서는 펌핑 실린더내에 이미 콘크리트가 채워져 있어야만 하는데, 이렇게 콘크리트를 채우기 위해서도 압력이 필요한데 대기압 (1bar=760torr)에 의하여 콘크리트가 실린더 내로 들어 가게 된다.

흡입 피스톤은 펑핑 실린더내에 부압을 형성토록 하고 대기압으로 인하여 흡퍼내의 콘크리트가 채워지게 된다. <그림1>

대기압과 진공의 압력차는 이론적으로 1bar 이상이 될 수 없다.

양호한 조건하에 펌프내 압력이 0.2bar가 될 수 있다.

이것은 흡퍼에서 실린더로 콘크리트를 밀어 주는 힘이 0.8bar를 초과 할 수 없다는 의미가 된다.

흡입 과정에서 보면 거칠고 되게 혼합된 콘크리트는 묽고 유동성이 좋은 콘크리트보다 좋지 못하다.

흡입단면이 펌핑실린더 단면적과 동일하게 된 상태가 최적 상태인데 게이트밸브는 항상 흡입 단면적을 100% 확보할 수 있도록 설계되어야 한다.

다시 말해서 게이트밸브에 의하여 흡입 콘크리트 흐름이 방해를 받아서는 안된다. 대용량을 압송하고자 할 때는 적절한 흡입장치와 큰 펌핑 실린더가 필요하다.

압송 가능한 골재의 크기에 의하여 결정되는데 간단한 계산법으로는 흡입 구경의 크기는 최대 골재크기의 최소3배 이상이 되어야 한다. 
그러므로 최대 골재크기가 63mm인 경우 펌핑실린더 직경은 최소 180mm가 되어야 한다.

3. 교반장치

최근의 콘크리트펌프는 공급 흡퍼내에 교반장치가 설치되어 있다.

이 교반기의 임무는 투입된 콘크리트가 유동성이 있고 흡입 가능한 상태로 유지시켜 주기 위한 것이며 콘크리트가 굳는 것을 방지하고 흡입 장치에서 골재가 Bridge를 
형성하는 것을 막아 준다.

이 교반장치는 콘크리트믹서와 같은 개념으로 설계된 것은 아니다.

4. 압송<그림2>

콘크리트펌프의 최대압력은 장비의 설계에 따라 정해진다.

트럭식 펌프의 경우 파이프라인의 길이는 붐의 길이와 관계됨으로써 일반적으로 짧다. 그러므로 트럭식 펌프는 100m 높이에 동일 압송량을 압송하는 트레일러식 펄프보다 순간
최대 압력이 낮게 설계된다.

트럭식에서는 일반적으로 70bar의 압력이면 충분하지만 견인 식에서는 더 높은 압력이 필요하다.

견인식에서는 수평 압송거리 100m 수직 압송거리 500m 인 경우 200bar 이상의 압력이 필요하다.

이런 경우 각부분이 최대 압력에 견딜 수 있도록 콘크리트밸브, 파이프라인, 테이퍼섹숀 등은 고강도 재료로 설계되어야 한다.

건설현장에서 요구되는 사양에 맞는 장비를 선정해야만 펌핑하는데 문제가 발생되지 않는다.

계속적으로 과부하가 걸리는 장비는 경제적으로 사용할 수가 없다.

5. 콘크리트펌프 선정방법

(1) 중기 제원상의 콘크리트 펌프의 성능

건설회사에서는 콘크리트펌프의 간단한 제원(압송량 (m3/h), 압송압력(bar))으로만 콘크리트펌프의 성능을 파악하고저 하지만 이러한 수치만을 보고 
소요에 만족하는 장비임을 확인하는 것은 불가능하며 잘못된 생각이다.

그 이유는 제원표상의 제원은 최대값만 표시한 것이므로 어떤 환경하에서 최대값을 발휘 할 수 있는지를 알 수 없기 때문이다.

수평거리 400m에 50m3의 콘크리트를 타설하고자 할 경우에 수평거리 100m에 동일 용량을 타설하는 경우 보다 더 강한 출력이 필요한 것은 명약관하한 것이다.

동일한 원동기 출력 F에서 압송량 Q는 타설압력 P에 따라 달라진다.

F = Q×P

이것은 무엇을 말하는냐 하면, 콘크리트펌프를 선정하는데 사용자의 펌핑압력과 배출량 외에 장비의 출력도 알아 보아야 한다는 것이다.

유압출력의 관계식에서"소요출력은 배출량과 펌핑압력의 곱이다."

P = Q ×P = Constant

이 말은 동일 출력 위에서 압송압력이 높아지면 배출량이 감소한다는 뜻이다. 독일에서는 배출량(m3/h)과 펌핑압력(bar)을 곱한 값을 "Technical Identification Number: TK"라고 하고

TK = (m3/h×bar)

이 Technical Identification Number를 근거로 소요동력(KW)을 계산 할 수 있다.
 

P(Kw) =	TK	=	m3/h×bar
	25		25

상수 25에는 효율이 0.7로 계산되어 있으며 단위 환산에 필요한 값들은 다음과 같다.
 

1W =	1Nm	= 1bar =	10N
	S		cm3

계산예)

90Kw의 출력을 가진 원동기를 사용하는 콘크리트의 경우 (BP550HDE)이 장비의 TK 번호는 2250이다. 이 장비의 카타로그를 보면 최대압력이 70bar이다.

TK번호의 정의에 따라 TK=Q×P로부터 이 압력하에서 최대 압송량은 32m3/h가 계산된다.
 

Q =	TK	=	2250	= 32.1(m3/h)
	P		70

동일한 장비를 이용하여 50bar의 압력으로 펌핑할 경우 압송량은 45m3/h가 된다.
 

2250	= 45
50

주의: 여기서 펌핑 압력은 펌핑 피스톤의 압력을 사용해야 하며 펌핑유압시스템의 최대 압력과 일치되지 않는다.

6. 펌핑압력의 관계

TK번호 공식에 따라서 출력 계산은
 

소요동력 =

타설량×펌핑압력

소요동력 =	타설량×펌핑압력
	25

P(Kw) =	Q(m3/h)×P(bar)
	25

 

소요동력은 배출량과 펌핑 압력에 따라 좌우된다.

그러므로 동일 출력에서 펌핑압력이 증가하면 배출량은 감소한다.

BP500HDE의 90kw를 예로 들면 도표에서 배출량 66m3/h에서 최대출력을 요구하기 위해서는 34bar의 펌핑압력이 필요하다.

출력과 펌핑 압력의 비에 따라 원동기의 부하가 소요된다.

압력을 증가 시키면 출력이 감소한다. 70bar의 압력에서 배출량은 32m3/h에 지나지 않게 된다.<그림3>

위의 그래프는 다음 공식과 일치된다.

TK=P×Q=P×25

(1) 파이프라인의 길이와 펌핑압력의 관계

건설현장에서는 정해진 시간안에 정해진 량을 타설해야 한다.

이런 요구에 맞는 장비를 선정하기 위해서는 예상되는 펌핑압력을 결정할 수 있는 자료들이 갖추어 져야 한다.

이 펌핑 압력은 수송관경, 수송거리, 배출량, 콘크리트의 콘시스턴시, 수송높이, 파이프라인에 포함되어 있는 곡관의 수에 따라 결정된다.

펌핑압력은 수평 수송거리에 비례하여 증가한다. 이 말 뜻은 수평 수송거리가 1/2로 감축된다면 이론적으로 펌핑압력도 1/2로 감축될 수 있다는 것을 의미한다.

콘크리트를 압송할 때에는 파이프의 내벽에서 콘크리트가 마찰을 일으킨다.

이 마찰 면적이 넓어지면, 즉 파이프라인이 길어지면 더 높은 압력이 필요하다는 것이다.

펌핑 압력은 콘크리트펌프라인 시점에서 최대가 되고 배출구 끝에서는 0이 된다.

(2) 파이프 직경과 펌핑압력의 관계

동일한 배출량에서 파이프관경이 작아지면 흐림의 속도는 증가한다.

펌핑압력은 흐름속도에 관계되는데 (파이프 단면적 )<그림4>의 표는 콘크리트의 흐름속도와 파이프 관경과 배출량의 관계를 보여주고 있다.

(3) 펌핑압력과 배출량의 관계

파이프직경이 정해지면 배출량에 비례하여 흐름속도는 변화되고 펌핑압력은 흐름속도에 따라 정해진다.<그림4>

(4) 펌핑압력과 콘크리트의 콘시스턴시와의 관계

된 콘크리트의 특성이 묽은 콘크리트의 특성과 같을 수는 없다.

콘시스턴시 범위가 k3인 콘크리트는 k2인 낮은 범위의 콘크리트에 비하요 유동성이 좋다.

그러므로 K3인 콘크리트가 k2보다 낮은 압력으로 펌핑할 수가 있다.

된 콘크리트는 변형이 어렵고 따라서 테이퍼진 곳이다 곡관을 흐르기 위하여 높은 압력이 소요된다.

(5) 펌핑 압력과 수직 압송거리

펌핑 압력은 펌핑높이에 따라 증가한다.

100m 높이의 콘크리트 기둥은 약 25bar의 정압력을 형성한다. 
이 압력은 물론 Fresh Concrete(생 콘크리트)의 비중에 따라 좌우된다. 수직으로 펌핑할 때는 펌핑압력이 정압력을 이기고 나아가야 한다.

(6) 파이프내에 포함된 곡관의 수와 펌핑압력의 관계

콘크리트 흐름방향을 전환하기 위해서는 압력증가가 필요하다. 이 압력증가는 곡관의 반경과 선회 각도에 따라 좌우된다.

Schwing사와 같은 제작사에서는 곡관의 회전반경을 1m로 하고 있다. 반경 1m로 90도 회전을 하기 위해서는 수평수송거리 3m에 해당하는 압력(손실)강하 현상이 발생한다. 
이 비율은 파이프내의 내경과는 상관이 없다. 곡률반경이 250mm인 곡관(Elbow)의 경우 수평거리 1m에 해당하는 저항이 발생된다.

7. 펌핑압력 계산도표

도표<그림5>에 의하여 수평거리, 수직걸, 콘시스턴시, 곡관의수, 파이프 직경들을 알아야 배출량과 펌핑압력을 계산할 수 있다.

<그림5> 펌핑압력 계산 도표

이 도표는 독일과 그 외의 지역에서 15년 이상의 경험을 통하여 Scwing사에서 작성한 것이며 1976년에 처음 작성되었다.

이 표는 여러 가지 현장 상황과 일치되는 것이 확인 되었다.

이론과 실제는 차이는 대체로 맞아 들어가며 가장 많이 차이가 나는 경우도 10%의 차이 이내 이었다. 
이 도표에 의해서 계산된 펌핑압력은 실제로 적용이 가능하다는 것을 의미한다.

도표를 이용하기 위해 필수적인 요소들을 아래에 설명해 보겠다.

(1) 콘크리트펌프의 작업 요소로서의 배출량

도표<그림5>에 의하여 펌핑압력을 경정할 때는 수직 좌표에 표시된 콘크리트 배출량에서부터 시작하게 된다.

콘크리트 흐름속도와 펌핑압력은 배출량에 의거 결정되므로 배출량을 알고나서 콘크리트 유속을 결정한다. 
만일 용량이 50m3/h의 배출량이 나오도록 하려면 펌프의 가동 시간을 시간당 60분동안 계속 가동되어야 한다.

그러나 이런 이상적인 상태는 현장에서 얻기가 힘들다. 실제로 75%이상의 가동률을 유지하기는 힘들다.(즉 50분 동안 45분 가동)

왜냐하면 콘크리트를 타설하기 위해서는 파이프라인을 재배치해야 하고 현장 조건에 따라 믹서트럭이 접근하기 어려운 경우도 있기 때문이다.

그러므로 1시간당 50m3의 배출량이 소요 된다면 순간 배출량은 67m3/h의 용량을 갖춘 콘크리트펌프가 필요하다는 결론이다.

그러므로 50m3/h의 배출량이 필요한 경우 도표를 적용할 때 67m3/h의 배출량에서부터 계산해야 한다. 즉, 순간 배출량이 필요하다.

주의: 펌핑압력 계산시는 실제 배출량을 감안해야 한다. 왜냐하면 펌핑되는 순간 의 압력은 배출량과 관계있기 때문이다.

만일, 된 콘크리트를 사용한다면Ⅱ.2에서 지적한 바와 같이 흡입이 어렵다. 
따라서 이런 경우 펌핑실린더에 콘크리트가 80%정도만 채워지게 된다. 이런 경우 최대 배출량의 80%정도를 배출 할 수 있게 되므로 이러한 점을 감안해야 한다.

그러나 콘크리트 흐름속도에는 영향을 많이 주지 않기 때문에 펌핑 압력계산시는 이를 무시한다.

(2) 파이프 직경

표의 오른쪽 위에는 여러 가지 파이프 직경에 따른 사선이 그러져 있다.
이 도표에서는 테이퍼 저항등 파이프 저항이 이미 고여되어 있다.

(3) 수평거리로의 파이프라인의 환산(곡관의 확산)

① 가설 파이프라인

파이프내에서 콘크리트 흐름에 저항을 주는 모든 곡관은 수평파이프 거리로 환산되어야 한다.

Schwing사 에서는 가설 파이프의 곡률반경을 1m로 하고 있다. 곡률반경1m로 90도 회전하는 경우 이는 파이프 직경에 상관없이 3m의 수평파이프로 환산하다.

또한 곡률반경 1m로 30도 회전하는 경우는 수평배관 1m에 해당한다. 예를 들어 회전각도가 540도인 경우는 18m가 된다.

② 붐에 부착된 파이프

Schwing사에서는 붐이 부착된 파이프의 경우 곡관의 곡률반경을 r=250mm로 한다. 이 곡률반경으로 90도 회전할 경우 수평거리로 1m에 해당된다.

3단붐에서는 보통 90도 회전하는 곡관이 9개가 있다. 모든 곡관의 r=250mm로 되어있다. 
그러므로 각 곡관마다 수평거리 1m에 해당하고 간단하게 계산하면 전체적인 증가 값은 10m가 된다. 그러므로 붐의 수평거리 +10m로 계산해야 한다.

(4) 콘크리트 콘시스턴시

콘크리트의 콘시스턴시에 대하여는 도표의 좌측 하방에 각 Slump에 대한 사선이 준비되어 있다.

(5) 펌핑압력

도표의 좌측 수평축에서 펌핑압력을 읽을 수 있다. 이 값내에는 이미 펌핑 불가능한 값이 고려되어 있다. 
여기서 읽어지는 압력값은 펌핑피스톤(콘크리트피스톤)에서의 압력이므로 이를 콘크리트펌프의 유압압력과 혼돈해서는 안된다. 테이퍼관 직후의 데릴버리 파이프내의 압력이 콘크리트 피스톤에서의 압력보다 15%낮은데 (테이퍼율에 따라 다소 증감)이 압력이 파이프 길이를 결정하는데 결정적인 역할을 한다.

(6) 수직거리를 감안한 펌핑 압력 결정

도표에 의하여 환산된 펌핑압력과 수직거리에 대한 콘크리트의 정압을 추가 한다. 대략적으로 수직거리 1m당 0.25bar로 계산한다. (수직높이가 100m인 경우 몰은 10bar의 압력을 형성하고, 콘크리트는 물보다 약 2.5배 무겁기 때문에 콘크리트의 경우 압력은 25bar가 된다.) 여기서 고려할 것은 순수한 레벨의 차이이며 곡관이나 수평과의 마찰은 고려하지 않는다.

(7) 도표<그림5>를 이용한 펌핑압력 계산

어떠한 현장에서 콘크리트 타설량이 평균적으로 30m3/h이며, 레미콘은 계속적으로 공급될 예정이다. 붐의 수평거리는 27m이고 스라브 타설을 할 것이다. 이 현장에서 콘크리트펌프의 작업효율은 약 80%가 될 것으로 예상된다.

파이프 전체 길이는 직경이 125mm인 파이프가 100m 이고, 90도 곡관이 4개 30도 곡관이 22개 이다.

스라브 최대높이는 60m이고 콘크리트 배출구는 4m가 더 높다. 사용할 콘크리트의 슬럼프는 7-8cm가 된다.

소요 타설량이 30m3/h이고 작업효율이 80%이므로 콘크리트펌프의 용량은
 

30	=37.5m3/h
0.8

가 되어야 한다.(시간당 48분 동안만 가동)

 

파이프 길이의 계산

파이프의 총길이    100m

90도 곡관 ×4밴드 = 360deg

30도 곡관 ×2밴드 =  60deg

               계 = 420deg: 30deg=14m

붐의 수직높이        27m

붐 곡관의 환산       10m

총 계               151m

 

건물의 높이가 60m이고 붐 배출구가 4m 높이에 있으므로 총 펌핑높이는 64m이다.
그러므로 콘크리트 정압은 64×0.25=16bar 1도표에 의하여 펌핑 압력이 4.6bar가 계산되고 정압 16bar를 더하면 총 펌핌 정압력은 40+16=56bar가 계산된다.

여기서 TK번호를 계산해 보면 TK=37.5×56=2100이 계산이 되며 이 TK반호로부터 콘크리트펌프의 소요 동력은 84kw가 된다.
 

P =	TK	=	2100	=84(kw)
	25		25

이상의 계산을 해본 결과의 값보다 큰 장비를 선택해야 한다.

※ 주의: 유럽에서는 Spreal Measure방법을 쓰고 여타 국가에서는 Slump값을 사용하므로 유의해야 한다.