[논문]초대형 시공에서의 콘크리트 펌핑 예측

최명성; 김용직; 박찬규; 정재홍

doi:10.22636/mkci.2013.25.3.29

[국내논문] 초대형 시공에서의 콘크리트 펌핑 예측
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문제 정의

본 기사에서는 펌핑 예측에서 가장 핵심적인 윤활층 특성을 평가한 연구들과 이를 바탕으로 실제 콘크리트 펌핑 예측 사례에 대해 소개하고 마지막으로 펌핑 예측 분야의 추후 연구 방향에 대해 논의해 보고자 한다.
윤활층의 유동특성을 측정하기 위해 Coaxial Cylinder Tribometer를 개발하여 콘크리트와 배관 사이의 슬립(slip)을 고려한 레올로지 상수를 결정하고, 이를 통해 펌핑 압력 및 토출량을 예측하고자 하였다.
본 기사에서는 1,000 m 수평배관 압송시험 결과와 실제 수직 압송시공 프로젝트에 대해 예측결과와 비교해 보았다.

제안 방법

펌핑을 예측하기 위한 첫 단계는 압송될 재료에 대한 분석이다. 펌핑에 사용되는 재료에 대한 정량적인 분석을 위해 레올로지 개념을 사용하여 그 유동성능을 평가하는 것이다. 두 번째 단계로 배관 내에서의 콘크리트 유동 메커니즘을 분석하는 것이다.

데이터처리

도출된 윤활층 특성을 활용해 예측된 펌핑 성능은 실제 콘크리트 압송조건에서의 테스트 결과와 상호 비교 함으로써 그 성능을 검증할 수 있다. 국내의 경우 다양한 수평배관시험을 통해 콘크리트의 물성변화특성 및 압송성능을 사전에 평가하고 있다.

이론/모형

콘크리트 펌핑을 예측하기 위해서는 <그림 1>과 같은 배관 내 콘크리트 유동 형태를 바탕으로 윤활층 및 내부 콘크리트의 유동특성 및 두께를 각각 설정하여 두 가지 방법으로 소요압력 및 토출량 등의 펌핑 성능을 예측할 수 있다. 첫 번째 방법은 배관 내 유동 운동방정식을 통해 도출된 Buckingham-Reiner Equation⁹⁾을 사용하는 방법이고, 두 번째 방법은 유동특성을 해석적으로 분석하는데 많이 사용되는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 활용하는 방법이다.

성능/효과

비교 결과, 의 배관 내 콘크리트 유동 특성을 바탕으로 분석된 윤활층의 특성을 반영하여 펌핑 예측할 할 경우 실제 시간당 콘크리트 토출량을 90%의 정확도로 예측할 수 있다는 것이 검증되었다7,8).

후속연구

타설 중간에 배관이 막히는 경우 후속 공정에 차질이 빚어짐과 아울러 배관을 청소하고 새롭게 준비하기 위해서는 상당한 시간과 비용을 지불해야 한다. 그래서 지금까지의 연구결과들을 바탕으로 콘크리트 재료분리 또는 고압조건에서의 배관과 콘크리트 상호작용 특성을 평가하여 배관의 막힘 현상을 과학적으로 분석하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
하지만 국내의 경우 레올로지에 대한 명확한 규정이 아직은 부재한 실정이고, 이에 대한 측정장비 또한 표준화가 되어 있지 않다. 따라서 선진 연구그룹에 발맞추어 레올로지 분야에 대한 연구 및 투자가 이루어져 콘크리트에 대한 새로운 패러다임으로 자리매김 할 수 있기를 기대해 본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

윤활층이란?

콘크리트가 배관을 통해 압송될 때 콘크리트와 배관 사이에는 얇은 경계층이 존재하는데, 이 층을 윤활층이라고 한다<그림 1>. Browne and Bamforth5)에 따르면 윤활층의 구성 재료는 콘크리트와 다르고, 1 ~ 5 mm 두께를 가진다고 한다.

펌핑 성능을 결정짓는 가장 중요한 요소?

Browne and Bamforth5)에 따르면 윤활층의 구성 재료는 콘크리트와 다르고, 1 ~ 5 mm 두께를 가진다고 한다. 이 얇은 윤활층 내부에서 펌핑 속도의 80 ~ 90% 이상이 발현되며, 앞서 이야기 했듯이 펌핑 성능을 결정짓는 가장 중요한 요소가 윤활층이라고 할 수 있다. 최근 수행된 콘크리트 펌핑의 정량적 예측 연구들에서 윤활층 특성을 과학적으로 분석하고 실험적으로 측정하기 위한 시도가 이루어졌으며, 매우 성공적인 성과를 거두었다4).

배관의 막힘 현상으로 일어나는 문제는?

이러한 경우 배관이 막히는 일이 종종 발생하기도 한다<사진 5>. 타설 중간에 배관이 막히는 경우 후속 공정에 차질이 빚어짐과 아울러 배관을 청소하고 새롭게 준비하기 위해서는 상당한 시간과 비용을 지불해야 한다. 그래서 지금까지의 연구결과들을 바탕으로 콘크리트 재료분리 또는 고압조건에서의 배관과 콘크리트 상호작용 특성을 평가하여 배관의 막힘 현상을 과학적으로 분석하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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