초고층 압송계측을 통한 고성능 콘크리트의 유동특성과 압송성능과의 상관관계 The Correlation between Rheological Properties and Pumpability of High Performance Concrete from High-Rise Pumping Monitoring원문보기
본 연구에서는 초고층 구조물 시공에 사용되는 80MPa의 고성능 콘크리트를 대상으로 높이가 200m부터 350m인 지점까지 압송계측 결과를 근거로 하여 압송성능과 고성능 콘크리트의 유동특성과의 상관관계를 분석하였다. 굳지 않은 콘크리트의 물성과 초기강도 및 기준 재령에서의 압축강도 및 탄성계수는 모두 품질기준을 만족함이 확인되었다. 또한, 높이별 최대 압송압력은 약 10~15%씩 증가하였으며, 시간당 토출량은 최소 $25m^3$를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 압송압력과 마찰계수는 슬럼프 플로우의 크기에 반비례하는 것으로 나타났으며, 압송압력과 마찰계수는 T-500이 높을수록 증가하는 경향을 보였다.
본 연구에서는 초고층 구조물 시공에 사용되는 80MPa의 고성능 콘크리트를 대상으로 높이가 200m부터 350m인 지점까지 압송계측 결과를 근거로 하여 압송성능과 고성능 콘크리트의 유동특성과의 상관관계를 분석하였다. 굳지 않은 콘크리트의 물성과 초기강도 및 기준 재령에서의 압축강도 및 탄성계수는 모두 품질기준을 만족함이 확인되었다. 또한, 높이별 최대 압송압력은 약 10~15%씩 증가하였으며, 시간당 토출량은 최소 $25m^3$를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 압송압력과 마찰계수는 슬럼프 플로우의 크기에 반비례하는 것으로 나타났으며, 압송압력과 마찰계수는 T-500이 높을수록 증가하는 경향을 보였다.
In this study, the evaluation and the analysis of the correlation between rheological properties and pumpability of high performance concrete, C80A which was applied to the height of from 200 m to 350 m in a super tall building, was carried out by measuring pumping pressure and flow rate, testing co...
In this study, the evaluation and the analysis of the correlation between rheological properties and pumpability of high performance concrete, C80A which was applied to the height of from 200 m to 350 m in a super tall building, was carried out by measuring pumping pressure and flow rate, testing concrete properties at before and after pumping. As the results, C80A had satisfactory properties of fresh and hardened concrete to the requirements even after pumping and the maximum pumping pressure showed increase of 10~15% at every 50m higher pumping and the average flow rate showed the above $25m^3$ per hour which means proper productivity. Additionally it was verified that pumping pressure and friction factor in pipeline are inversely proportional to slump flow and showed a tendency to increase according to the higher T-500 value.
In this study, the evaluation and the analysis of the correlation between rheological properties and pumpability of high performance concrete, C80A which was applied to the height of from 200 m to 350 m in a super tall building, was carried out by measuring pumping pressure and flow rate, testing concrete properties at before and after pumping. As the results, C80A had satisfactory properties of fresh and hardened concrete to the requirements even after pumping and the maximum pumping pressure showed increase of 10~15% at every 50m higher pumping and the average flow rate showed the above $25m^3$ per hour which means proper productivity. Additionally it was verified that pumping pressure and friction factor in pipeline are inversely proportional to slump flow and showed a tendency to increase according to the higher T-500 value.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 초고층 건축물 시공 시 설계기준 강도 80MPa의 고성능 콘크리트를 대상으로 펌프압송 시의 계측 결과를 근거로 하여 압송성능과 유동특성의 상관관계 분석을 통해 유동특성에 따른 압송 가능 여부, 시공 생산성을 극대화할 수 있는 방안을 도출하고자 한다.
본 연구에서는 초고층 구조물 시공에 사용되는 80MPa의 고성능 콘크리트를 대상으로 높이가 200m부터 350m인 지점까지 압송계측 결과를 근거로 하여 압송성능과 고성능 콘크리트의 유동특성과의 상관관계를 분석하였다. 굳지 않은 콘크리트의 물성과 초기강도 및 기준 재령에서의 압축강도 및 탄성계수는 모두 품질기준을 만족함이 확인되었다.
본 연구에서는 초고층 구조물 시공에 사용되는 고성능 콘크리트의 유동특성과 압송성능과의 관계를 구명하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
가설 설정
Kurokawa and Tanigawa는 굳지 않은 콘크리트에서 슬럼프 플로 값 Sf가 500mm에 도달하는 시간 T500을 이용하였는데, 시료의 윗부분과 아랫부분의 비가 일정하다고 가정하여, 콘크리트의 소성점도를 슬럼프 값 Sl 또는 슬럼프 플로우 값 Sf과 T500으로부터 산출 할 수 있는 식 1과 식 2를 제안하였다[5].
제안 방법
또한 슬럼프 플로우 변화에 따른 마찰계수와의 상관관계는 Figure 8에 나타내었다. 마찰계수는 압송 높이를 포함한 압송배관의 길이와 시간당 토출량 등을 근거로 하기 때문에 높이별로 구분하지 않고 전체 데이터를 대상으로 상관관계를 분석하였다. 그 결과 마찰계수와 슬럼프 플로우도 반비례의 상관성을 가지고 있었으며 높지는 않지만 0.
먼저, 대상 콘크리트의 규격은 Table 3의 설계기준강도 80MPa, 굵은 골재 최대치수는 20㎜로 하였으며, 소요 슬럼프 플로우는 650±100㎜, T-500은 4~10초, 재령 12시간의 조기강도는 거푸집 해체를 위한 5.0MPa, 기준 재령에는 설계기준강도를 만족해야 하는 품질관리기준을 설정하였다.
본 연구는 고성능 콘크리트를 이용한 초고층 구조물의 실제 펌프 압송시 압송성능 계측결과와 압송 전․후의 콘크리트 물성시험 결과를 비교 분석하도록 계획하였으며, 실험계획은 Table 2와 같다.
슬럼프 플로우와 T-500은 현장에서 쉽게 정량적으로 평가할 수 있는 고성능 콘크리트의 유동특성에 해당되므로 두 가지의 시험결과와 배관 내 압송압력, 시간당 토출량을 근거로 한 관내 마찰계수와의 상관관계를 분석하였으며, 장비에 작용하는 유압이 거의 유사한 300~350m 높이에서 실시한 계측 결과를 근거로 분석을 수행하였다.
압송성능 계측은 압송높이 200m지점부터 350m 까지 매 50m높이 단위로 수행한다. 압송성능 계측 계획 및 계측 위치를 Figure 5에 나타내었으며, 장비에서 발생하는 유압(P0)과 배관 내 최대 압송압력(P1)을 측정하고, 압송 시 분당 스트로크수를 기준으로 시간당 토출량을 산정한다.
0MPa, 기준 재령에는 설계기준강도를 만족해야 하는 품질관리기준을 설정하였다. 주 실험변수는 압송높이로써, 200 m로부터 350m 높이까지 매 50m 마다 압송성능 계측과 압송 전․후의 콘크리트 물성시험을 실시하도록 계획하였다. 콘크리트 물성시험은 굳지 않은 콘크리트 특성으로 슬럼프 플로우, 공기량, 온도 등을 측정하고, 역학적 특성으로 조기강도, 압축강도 및 탄성계수를 측정하도록 계획하였다.
주 실험변수는 압송높이로써, 200 m로부터 350m 높이까지 매 50m 마다 압송성능 계측과 압송 전․후의 콘크리트 물성시험을 실시하도록 계획하였다. 콘크리트 물성시험은 굳지 않은 콘크리트 특성으로 슬럼프 플로우, 공기량, 온도 등을 측정하고, 역학적 특성으로 조기강도, 압축강도 및 탄성계수를 측정하도록 계획하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용한 재료로서 시멘트는 현지에서 생산되는 1종 보통 포틀랜드 시멘트로써 BS EN 197-1 CEM142.5N의 품질기준을 만족하는 제품을 사용하였으며, 물리, 화학적 특성은 Table 4와 같고, 플라이애시 및 마이크로 실리카의 물리·화학적 특성은 Table 5 및 6에 나타내었다.
성능/효과
1) 압송 후의 슬럼프 플로우는 550~595㎜로서 품질관리기준인 650±100㎜를 만족하였고, T-500은 압송 후 4.3~6.5 초의 범위로 적절한 반죽질기가 확보 되었다.
2) 압송 후 초기강도는 5.5~17.5MPa로 품질기준을 만족하였으며, 재령 28일의 압축강도는 압송 후에 92.8~107.0MPa로 압송 전에 비해 최대 10%까지 증가하여, 압송 전·후의 역학적 특성은 모두 품질기준을 만족하였다.
3) 펌프에 발생한 최대 유압 및 배관 내 작용하는 최대 압송압력은 압송 높이가 매 50m씩 높아질수록 각각 5~10%, 10~15%씩 증가하였다. 시간당 토출량은 200~300m에서 28~48㎥/h였으나, 350m에서는 25㎥/h에 근접하여 추후 굵은 골재 치수 조정 등을 통한 검토가 필요하였다.
4) 슬럼프 플로우 변화에 따른 압송성능의 영향으로 압송압력과 배관 내 마찰계수는 슬럼프 플로우의 크기에 반비례하였으며 각각 0.93~0.95 및 0.62 정도의 상관성을 가지는 것으로 나타났다.
5) T-500 변화에 따른 영향으로 압송압력과 마찰계수는 T-500이 높아질수록 증가하는 경향을 보였으며, 마찰계수와는 0.80의 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났다.
경화 콘크리트의 역학적 특성은 Table 10과 같다. 거푸집 조기 해체를 위한 재령 12시간의 초기강도는 압송 후가압송 전에 비해 3.2~4.2배 증가한 5.5~17.5MPa로 품질 기준을 만족하였으며, 양생초기의 외기온도 조건에 의한 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었다. 또한, 재령 28일의 압축강도는 압송 후에 92.
본 연구에서는 초고층 구조물 시공에 사용되는 80MPa의 고성능 콘크리트를 대상으로 높이가 200m부터 350m인 지점까지 압송계측 결과를 근거로 하여 압송성능과 고성능 콘크리트의 유동특성과의 상관관계를 분석하였다. 굳지 않은 콘크리트의 물성과 초기강도 및 기준 재령에서의 압축강도 및 탄성계수는 모두 품질기준을 만족함이 확인되었다. 또한, 높이별 최대 압송압력은 약 10~15%씩 증가하였으며, 시간당 토출량은 최소 25㎥를 만족하는 것으로 나타났다.
또한 T-500과 배관 내 작용하는 마찰계수와의 상관관계는 Figure 10에 나타내었다. 그 결과 마찰계수는 T-500이 높을수록 증가하는 정비례의 상관관계를 보였으며, 약 0.8 이상의 높은 상관성을 가지는 것을 알 수 있다.
마찰계수는 압송 높이를 포함한 압송배관의 길이와 시간당 토출량 등을 근거로 하기 때문에 높이별로 구분하지 않고 전체 데이터를 대상으로 상관관계를 분석하였다. 그 결과 마찰계수와 슬럼프 플로우도 반비례의 상관성을 가지고 있었으며 높지는 않지만 0.62 정도의 상관성을 가지는 것을 알 수 있다.
굳지 않은 콘크리트의 물성과 초기강도 및 기준 재령에서의 압축강도 및 탄성계수는 모두 품질기준을 만족함이 확인되었다. 또한, 높이별 최대 압송압력은 약 10~15%씩 증가하였으며, 시간당 토출량은 최소 25㎥를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 압송압력과 마찰계수는 슬럼프 플로우의 크기에 반비례하는 것으로 나타났으며, 압송압력과 마찰계수는 T-500이 높을수록 증가하는 경향을 보였다.
또한, 높이별 최대 압송압력은 약 10~15%씩 증가하였으며, 시간당 토출량은 최소 25㎥를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 압송압력과 마찰계수는 슬럼프 플로우의 크기에 반비례하는 것으로 나타났으며, 압송압력과 마찰계수는 T-500이 높을수록 증가하는 경향을 보였다.
5MPa로 품질 기준을 만족하였으며, 양생초기의 외기온도 조건에 의한 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었다. 또한, 재령 28일의 압축강도는 압송 후에 92.8~107.0MPa의 범위로서 압송 전에 비해 최대 10%까지 증가하는 결과를 보였으며, 동일 재령의 탄성계수는 압송 후에 45.5~48.1GPa의 범위로 압송 전에 비해 3~5% 증가하거나 감소하는 결과를 나타내었으나, 압송 전․후의 역학적 특성은 모두 품질기준을 만족하는 양호한 결과를 나타내었다.
5 초의 범위로 적절한 반죽질기가 확보 되었다. 또한, 펌프압송 시 마찰에 따른 온도증가는 압송높이나 배관길이보다는 외기온도 조건에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
펌프에 발생한 최대 유압은 압송 높이가 매 50m씩 높아질수록 5~10%씩 증가되었으며, 장비의 안전율을 고려하여 최대 280bar를 초과하지 않도록 관리하였다. 배관 내 작용하는 최대 압송압력은 매 50m 마다 약 10~15%씩 증가하였으며, 350m 높이에서는 최대 145 bar로 한계치인 220 bar의 66%수준으로 안전함을 알 수 있었다. 시간당 토출량 검토에서 200~300m 높이까지는 28~48㎥/h의 양호한 압송효율을 보였지만, 350m 높이에서는 관리 한계치인 25㎥/h 에 근접하여 굵은 골재 치수를 작게 하거나 배합조정을 통해 안정적인 압송효율을 확보할 수 있는 방안이 필요할 것으로 사료된다.
압송 높이별로 약간의 차이는 있지만 압송압력은 T-500이 높을수록 증가하는 경향을 보였으며, 약 0.6~0.8의 양호한 상관성을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한 T-500과 배관 내 작용하는 마찰계수와의 상관관계는 Figure 10에 나타내었다.
압송 후의 슬럼프 플로우는 550~595㎜으로서 품질관리기준인 650±100㎜를 만족하였으며, 압송에 따른 슬럼프 플로우 손실은 압송 높이에 비례하여 증가하는 경향을 보였지만 육안관찰 결과, 압송 후에도 양호한 시공성이 확보되는 것을 확인하였다. 압송 후의 500㎜ 플로우 도달시간(이하, T-500)도 압송 전에 비해 약간 증가하였지만 4.3~6.5 초의 범위로 적절한 반죽질기가 확보되는 것을 알 수 있었다. 펌프압송 마찰에 따른 온도증가는 1월에 실시한 350m 압송 시의 결과가 1.
압송 후의 슬럼프 플로우는 550~595㎜으로서 품질관리기준인 650±100㎜를 만족하였으며, 압송에 따른 슬럼프 플로우 손실은 압송 높이에 비례하여 증가하는 경향을 보였지만 육안관찰 결과, 압송 후에도 양호한 시공성이 확보되는 것을 확인하였다.
이러한 결과를 근거로 볼 때, 슬럼프 플로우는 품질기준 범위인 550~750㎜ 내에서 높은 영역인 650~750㎜로 관리가 된다면 배관 내 작용하는 압송압력을 낮출 수 있고, 마찰계수를 줄일 수 있으므로 압송효율측면에서 보다 유리할 것으로 사료된다.
이러한 결과에서 볼 때 T-500이 품질관리기준 내에서 낮은 영역인 4~7 초의 범위로 관리된다면 보다 양호한 압송효율과 압송성능을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
따라서, 슬럼프 플로우와 T-500은 현장에서 쉽게 평가할 수 있는 유동성 지표임에, 양호한 압송성능을 확보하기 위한 관리지표로써 충분히 활용이 가능할 것으로 사료된다.
배관 내 작용하는 최대 압송압력은 매 50m 마다 약 10~15%씩 증가하였으며, 350m 높이에서는 최대 145 bar로 한계치인 220 bar의 66%수준으로 안전함을 알 수 있었다. 시간당 토출량 검토에서 200~300m 높이까지는 28~48㎥/h의 양호한 압송효율을 보였지만, 350m 높이에서는 관리 한계치인 25㎥/h 에 근접하여 굵은 골재 치수를 작게 하거나 배합조정을 통해 안정적인 압송효율을 확보할 수 있는 방안이 필요할 것으로 사료된다.
3) 펌프에 발생한 최대 유압 및 배관 내 작용하는 최대 압송압력은 압송 높이가 매 50m씩 높아질수록 각각 5~10%, 10~15%씩 증가하였다. 시간당 토출량은 200~300m에서 28~48㎥/h였으나, 350m에서는 25㎥/h에 근접하여 추후 굵은 골재 치수 조정 등을 통한 검토가 필요하였다.
한편, 초고층 건축의 실제 시공 시 계측되어진 압송높이에 따른 최대 압송압력, 배관내 마찰계수와 토출량 등의 압송성능과 압송 전·후 콘크리트의 슬럼프 플로우나 소성점도와 같은 유동 특성에 대한 계측 데이터의 확보와 분석을 통해 수직배관 압송예측의 정확도를 높일 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초고층 구조물의 적용되는 콘크리트의 경우는 무엇을 확보해야 하는가?
최근 초고층 구조물 시공 시 콘크리트의 사용이 크게 증가하고 있다. 초고층 구조물에 적용되는 콘크리트의 경우는 몇 가지 요소기술을 확보해야 하는데, 이중 고층부까지 콘크리트를 운송하기 위한 펌프압송 성능 확보가 가장 중요한 요소기술로 인식되고 있다.
초고층 구조물 시공 시 가장 중요한 요소기술은 무엇인가?
최근 초고층 구조물 시공 시 콘크리트의 사용이 크게 증가하고 있다. 초고층 구조물에 적용되는 콘크리트의 경우는 몇 가지 요소기술을 확보해야 하는데, 이중 고층부까지 콘크리트를 운송하기 위한 펌프압송 성능 확보가 가장 중요한 요소기술로 인식되고 있다.
초고층 구조물 시공 시 사용이 증가하는 것은?
최근 초고층 구조물 시공 시 콘크리트의 사용이 크게 증가하고 있다. 초고층 구조물에 적용되는 콘크리트의 경우는 몇 가지 요소기술을 확보해야 하는데, 이중 고층부까지 콘크리트를 운송하기 위한 펌프압송 성능 확보가 가장 중요한 요소기술로 인식되고 있다.
참고문헌 (5)
Kim GD, Lee SH, Kang SK, Kim JH, Kim KJ. Evaluation of Rheological Properties of High Strength Concrete at Different Mixing Parameter. Journal of the Korea Concrete Institute. 2007 Aug;19(2):653-56.
T. C. Powers. The Properties of Fresh Concrete. New York; 1968. p. 25-40.
Ko JW. An Experimental Study on the Physical Property Change of High Strength Concrete for High-rise Building Before and After Concrete Pumping Transfer. Journal of the Architecture Institute of Korea. 2010 Sep;26(9):71-8.
Shinichiro M. Change of Flowability of Self-Compacting Concrete due to Pumping [Master dissertation]. [Kochi(Japan)]: Kochi University of Technology; 2003. 42 p.
Kurokawa Y, Tanigawa Y. Study on Slump test and Slump flow test of Fresh Concrete. Transactions of the Japan Concrete Institute. 1994;16(1):437-42.
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