시멘트계 재료의 펌프압송성능 향상을 위한 윤활층 활성화제 주입 방법 제안 및 소규모 실험검증 Proposal of A Method to Enhance Pumping Efficiency of Cementitious Materials by Injecting Activation Agent to Slip-Layer and its Lab-Scale Experimental Verification원문보기
이 연구에서는 시멘트계 재료의 펌프압송성능을 향상시키기 위하여 외부에서 소량의 윤활층 활성화제를 배관에 주입하는 방법을 제안하였다. 활성화제는 배관과 압송재료 사이에 형성되는 윤활층에 주입되어 윤활층의 점도, 즉, 배관과 재료 사이의 마찰을 감소시키는 역할을 한다. 제안된 방법의 검증을 위해 모르타르를 사용한 소규모 펌핑실험을 수행하였다. 물-시멘트 비 47%인 모르타르를 사용하였고, 윤활층 활성화제 종류와 활성화제의 주입량을 각각 2가지와 3가지로 달리하여 실험을 수행하였다. 윤활층 활성화제로는 고성능 감수제와 음이온 계면활성화제를 사용하였다. 윤활층 활성화제의 주입량은 모르타르 토출량의 0.14, 0.28, 0.42%이다. 윤활층 활성화제 주입 전과 후의 압축강도, 배관 내부 압력을 측정하였다. 음이온 계면활성제를 사용한 경우 압축강도의 변화가 없었으며, 배관 내부 압력 감소율이 최대 71.4%로 가장 크게 감소하는 것을 확인하였다.
이 연구에서는 시멘트계 재료의 펌프압송성능을 향상시키기 위하여 외부에서 소량의 윤활층 활성화제를 배관에 주입하는 방법을 제안하였다. 활성화제는 배관과 압송재료 사이에 형성되는 윤활층에 주입되어 윤활층의 점도, 즉, 배관과 재료 사이의 마찰을 감소시키는 역할을 한다. 제안된 방법의 검증을 위해 모르타르를 사용한 소규모 펌핑실험을 수행하였다. 물-시멘트 비 47%인 모르타르를 사용하였고, 윤활층 활성화제 종류와 활성화제의 주입량을 각각 2가지와 3가지로 달리하여 실험을 수행하였다. 윤활층 활성화제로는 고성능 감수제와 음이온 계면활성화제를 사용하였다. 윤활층 활성화제의 주입량은 모르타르 토출량의 0.14, 0.28, 0.42%이다. 윤활층 활성화제 주입 전과 후의 압축강도, 배관 내부 압력을 측정하였다. 음이온 계면활성제를 사용한 경우 압축강도의 변화가 없었으며, 배관 내부 압력 감소율이 최대 71.4%로 가장 크게 감소하는 것을 확인하였다.
In this study, a method to inject small amount of activation agent from the outside of the pipeline to the inside wall of the pipe was newly proposed to enhance pumping efficiency of cementitious materials. The activation agent is injected into the slip-layer, which is generally formed in the vicini...
In this study, a method to inject small amount of activation agent from the outside of the pipeline to the inside wall of the pipe was newly proposed to enhance pumping efficiency of cementitious materials. The activation agent is injected into the slip-layer, which is generally formed in the vicinity of the inside wall of the pipe during pumping cementitous materials. Through the injections, it is expected to decrease viscosity of slip-layer, namely, the friction between the mateirals and the pipe. The proposed method was verified by lab-scale pumping tests with mortars having water to cement ratio of 47%. The tests were performed with two different type of activation agents(superplasticizer and anionic surfactant) and three different amount of the agents(0.14, 0.28, 0.42% of the mortar volume). The compressive strength were measured with and without injecting the activation agent, and the internal pressures of pipeline were measured. When the anionic surfactant was used, there was no change in the compressive strength. As the amount of anionic surfactant increased, the pumping pressure decreased up to 71.4% at the maximum.
In this study, a method to inject small amount of activation agent from the outside of the pipeline to the inside wall of the pipe was newly proposed to enhance pumping efficiency of cementitious materials. The activation agent is injected into the slip-layer, which is generally formed in the vicinity of the inside wall of the pipe during pumping cementitous materials. Through the injections, it is expected to decrease viscosity of slip-layer, namely, the friction between the mateirals and the pipe. The proposed method was verified by lab-scale pumping tests with mortars having water to cement ratio of 47%. The tests were performed with two different type of activation agents(superplasticizer and anionic surfactant) and three different amount of the agents(0.14, 0.28, 0.42% of the mortar volume). The compressive strength were measured with and without injecting the activation agent, and the internal pressures of pipeline were measured. When the anionic surfactant was used, there was no change in the compressive strength. As the amount of anionic surfactant increased, the pumping pressure decreased up to 71.4% at the maximum.
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문제 정의
추후 다양한 배합의 모르타르를 대상으로 동일한 실험이 진행 될 예정이며, 배관의 길이를 증가시켜 압송 거리에 따른 효과를 검토하고자 한다. 또한 콘크리트를 사용한 mock-up 실험과 현장 실험을 통해 윤활층 활성화제 주입 방법을 검증하고자 한다.
본 연구는 실내 규모의 펌핑 서킷을 구성하고 시멘트 계 재료 중 하나인 모르타르의 압송 실험을 통해 윤활층 활성화제의 주입률에 따른 효과를 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 시멘트계 재료의 압송 성능을 향상시키고자 윤활층 활성화제 주입 방법을 제안하였다. 윤활층 활성화제 주입 방법은 배관 외부에서 소량의 윤활층 활성화제를 주입하여 배관 내부 벽면과 압송 재료 사이에 자체적으로 형성되는 윤활층의 점도를 감소시키는 기술이다.
이 연구에서는 기존의 펌프와 배관을 사용하면서 시멘트계 재료의 압송 중 배관 내부로 극소량의 약액을 주입하여 압송 성능을 크게 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 아울러, 모르타르를 사용한 소규모 펌핑 실험을 통해 제안한 방법의 실현가능성을 검토하였다.
이 연구에서는 기존의 펌프와 배관을 사용하면서 시멘트계 재료의 압송 중 배관 내부로 극소량의 약액을 주입하여 압송 성능을 크게 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 아울러, 모르타르를 사용한 소규모 펌핑 실험을 통해 제안한 방법의 실현가능성을 검토하였다.
이와 같은 압송 메커니즘을 바탕으로, 시멘트계 재료의 압송 중 배관 외부에서 소량의 윤활층 활성화제를 주입하여 윤활층의 점도를 감소시키는 방법을 제안하고자 한다.
제안 방법
3(c)), 윤활층 활성화제 주입 펌프 및 약품 탱크로 구성되며(Fig. 3(d)), 배관 라인에 총 6개의 압력센서를 설치하여 거리에 따른 압력 변화를 실시간으로 측정할 수 있도록 하였다. 배관의 내경은 55mm, 총 연장은 24.
5. 윤활층 활성화제 주입방법을 통한 유량 평가의 가능성을 확인하였다. 윤활층 활성화제 주입 방법을 사용한다면 보다 간편하고 정확하게 콘크리트의 토출량을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
4와 같은 형태로 제작되었다. Fig. 4에 나타낸 것처럼 윤활층 활성화제를 총 8 방향의 주입라인으로 분포시켜 배관 내부에 분사되도록 구성하였다. 배관 내부에는 배관의 원주 방향으로 일정한 두께의 홈을 내어 윤활층 활성화제가 더욱 고르게 분포되도록 하였다.
또한 페이스트를 사용한 소형 실험을 통해 PCE의 혼입률에 따른 강도저하 및 유동성능 향상에 대한 분석이 사전에 이루어졌으며, 모르타르 압송 실험 시 이 결과를 반영하였다. 고분자음이온 계면활성제는 물과 혼합하여 사용하였으며, 고형분량을 윤활층 활성화제 전체 중량의 10%로 고정하였다. 고성능 감수제 또한 물과 혼합하여 사용하였으며, 물과 고성능 감수제의 중량비는 1:0.
SP는 콘크리트 배합에 일반적으로 사용하는 PC계 고성능 감수제이며, PCE에는 모르타르의 강도 저하를 방지하기 위해 SO32- 와 같은 시멘트 수화 촉진 성분이 포함되어 있다. 또한 페이스트를 사용한 소형 실험을 통해 PCE의 혼입률에 따른 강도저하 및 유동성능 향상에 대한 분석이 사전에 이루어졌으며, 모르타르 압송 실험 시 이 결과를 반영하였다. 고분자음이온 계면활성제는 물과 혼합하여 사용하였으며, 고형분량을 윤활층 활성화제 전체 중량의 10%로 고정하였다.
배관 내부의 압력은 총 6개의 압력 게이지를 사용하여 모르타르 압송 과정 중 실시간으로 측정하였다.
윤활층 활성화제는 음이온 계면활성제(PCE)와 고성능 감수제(SP) 두 종류이다. 슬럼프 배합은 2가지 윤활층 활성화제를 사용하고 주입률을 3단계로 달리하며 실험을 수행하였다.
압송 실험 과정에서 배관 내부의 압력을 실시간으로 측정하였으며, 압력 게이지는 윤활층 활성화제 분사 장치로부터 0.5, 3.5, 6.5, 10.0, 13.0, 16.0m 위치에 설치하였다.
압송 실험은 Fig. 3(a)에 나타낸 바와 같이 배관 내부 압력이 정상상태에 이르는 시점까지 계속 압송하는 순환 실험과 배관 내부 압력이 정상상태에 도달한 이후 윤활층 활성화제를 주입하며 토출된 모르타르를 버림하는 주입 실험 순으로 수행되었다. 모르타르 압송 토출량은 28.
윤활층 활성화제 주입 전·후 모르타르 공시체를 각각 3개씩 제작하였으며, 재령 7일 압축강도를 측정하였다.
윤활층 활성화제 주입 전·후 모르타르의 재령 7일 강도를 측정하였다.
이 결과를 Fig. 9와 같이 윤활층 활성화제 주입률에 따른 배관 내부 압력 감소율 관계로 분석하여 나타내었다. SP의 경우 압력 감소율이 36.
이 연구에서는 제안된 방법의 검증을 위해 모르타르를 대상으로 실내 규모의 압송 실험을 수행하였다. 콘크리트를 비롯한 시멘트계 건설재료의 윤활층 형성메커니즘은 유사하기 때문에, 이 검증실험의 효과를 다른 시멘트계 재료에 대해서도 기대할 수 있을 것이다.
대상 데이터
고분자음이온 계면활성제는 물과 혼합하여 사용하였으며, 고형분량을 윤활층 활성화제 전체 중량의 10%로 고정하였다. 고성능 감수제 또한 물과 혼합하여 사용하였으며, 물과 고성능 감수제의 중량비는 1:0.7이다.
3(d)), 배관 라인에 총 6개의 압력센서를 설치하여 거리에 따른 압력 변화를 실시간으로 측정할 수 있도록 하였다. 배관의 내경은 55mm, 총 연장은 24.5m이다. 모르타르 펌프의 최대 유량은 40L/min.
실험 장비는 펌프와 배관 라인으로 구성된 소규모 압송 서킷, 윤활층 활성화제 주입 펌프, 윤활층 활성화제 분사 장치로 구성된다.
실험에 사용한 모르타르는 Table 1과 같이 시멘트와 잔골재의 중량비를 1:2로 하였으며, 물-시멘트 비 47%이다. 잔골재의 최대 입경은 2mm이며, 조립률은 2.
이론/모형
5에 잔골재의 입도분포를 나타내었다. 모르타르의 유동성능을 평가하기 위해 Fig. 6과 같이 슬럼프 시험(KS F 2402)을 수행하였다. 슬럼프 값은 21cm로 측정되었다.
성능/효과
1. 윤활층 활성화제로 고성능 감수제를 사용한 경우 주입량이 증가함에 따라 압축강도가 점점 감소하며, 음이온 계면활성화제를 사용한 경우 주입 전과 후의 압축강도 변화가 없는 것으로 나타났다. 윤활층 활성화제로 음이온 계면활성화제를 사용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
2. 윤활층 활성화제 주입 후 배관 내부의 압력이 지속적으로 감소하다 정상상태에 도달하였으며, 주입을 멈추는 시점부터 다시 압력이 증가하여 주입 전 압력 수준에 도달하는 것을 확인하였다. 이 현상은 윤활층 활성화제로 인해 점도가 감소한 윤활층이 모르타르와 함께 토출되는 것을 나타낸다.
3. 윤활층 활성화제 주입량이 증가함에 따라 압력 감소율 또한 증가함을 확인하였다. 윤활층 활성화제로 음이온 계면활성화제를 사용한 경우가 고성능 감수제를 사용한 경우보다 높은 압력 감소율을 보였으며, 최대 압력 감소율은 71.
4. 압력 감소율은 윤활층 활성화제의 주입량과 비선형적인 관계를 보였다. 윤활층 활성화제 주입 방법을 실제 현장 적용할 때 주입 효율을 고려하여 주입량을 결정할 필요가 있다.
고성능 감수제를 사용한 SP의 경우 주입 전 압축강도가 26.7MPa로 측정되었으며, 주입률이 증가함에 따라 점차 압축강도가 감소하는 것으로 나타났다. 주입률이 0.
고성능 감수제를 사용한 경우 주입량이 증가함에 따라 압축강도가 감소하고, 음이온 계면활성제를 사용한 경우 강도변화가 발생하지 않음을 보아 윤활층 활성화제로 음이온 계면활성제를 사용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
이 결과는 동일 압력 수준에서 압송거리 또는 토출량을 2배 이상 증가시킬 수 있는 것을 의미한다. 동일한 주입량일 때 고성능 감수제를 사용하는 것보다 음이온계 면활성화제를 사용하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.
또한 윤활층 활성화제를 주입하는 시점으로부터 거리에 따라 단계적으로 압력이 감소하는 것을 확인하였으며, 압력 감소가 시작되는 시점이 약 15초 간격으로 측정되었다. 압력 게이지 사이의 거리가 3m로 일정하고 배관의 내경이 55mm인 것을 고려하였을 때 배관 내부의 유량이 약 28.
8(a)는 실험변수 PCE-1의 실시간 압력 측정 결과이다. 모르타르 압송 시작 50초 이내에 배관 내부의 압력이 정상상태에 도달하였으며, 윤활층 활성화제 분사 장치에서부터 먼 거리일수록 낮은 압력이 측정되었다. 배관 내부 압력이 정상상태일 때 측정된 최고 압력은 3.
이 때의 윤활층 활성화제 주입량은 분당 120mL로 일정하게 유지하였다. 모르타르 압송 시작 이후 정상상태의 압력은 최대 3.63bar이며, 음이온 계면활성제를 주입한 경우와 마찬가지로 압력이 점차 감소하여 최대 압력 1.31bar 수준에서 정상상태에 도달하였다. 따라서, 윤활층 활성화제의 종류와 상관없이 윤활층 활성화제 주입에 의한 압력감소가 발생함을 알 수 있다.
압력 측정 시작 후 300초 시점에서 윤활층 활성화제의 주입을 멈추었으며, 압력이 점차 증가하여 윤활층 활성화제 주입 전과 동일한 압력수준에서 정상상태에 도달하였다. 이러한 현상은 윤활층 활성화제 주입 후 점도가 낮아진 윤활층이 모르타르와 함께 배관을 따라 이동하여 토출되는 것을 의미한다.
윤활층 활성화제 주입 방법은 압송 재료의 유동성능과 상관없이 사용할 수 있기 때문에 펌프압송이 어려운 경량, 초고성능 콘크리트뿐만 아니라 일반적으로 사용하는 시멘트계 재료의 압송 성능을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.
윤활층 활성화제 주입량이 증가함에 따라 압력 감소율 또한 증가함을 확인하였다. 윤활층 활성화제로 음이온 계면활성화제를 사용한 경우가 고성능 감수제를 사용한 경우보다 높은 압력 감소율을 보였으며, 최대 압력 감소율은 71.4%로 분석되었다.
Table 3에 실험 변수에 따른 윤활층 활성화제 주입 전·후 배관 내부의 최대 압력을 나타내었다. 윤활층 활성화제의 주입률이 높아짐에 따라 배관 내부의 압력 감소 효과가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
60bar 수준에서 정상상태에 도달하였다. 이 측정 결과로부터 배관 내부의 압력이 약 48.1% 감소함을 확인할 수 있다.
후속연구
또한 압력 감소율과 윤활층 활성화제 주입률의 관계가 비선형적으로 나타난다. 따라서, 추후 실제 현장에 윤활층 활성화제 주입 방법을 적용하기 위해서는 윤활층 활성화제 주입량에 따른 압송 성능 향상을 정량적으로 예측하는 기술이 필요할 것으로 판단 된다.
윤활층의 점도를 제어할 수 있다면 시멘트계 재료의 압송 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 압송 중 배관 내부 유동은 층류로 발생하여 윤활층과 압송 재료 사이에 교란이 일어나지 않기 때문에, 외부의 물질을 윤활층에만 주입할 수 있다면 그 효과가 주입위치부터 배관 끝까지 유지될 것으로 기대된다.
윤활 층 활성화제는 외부에서 배관 내부 둘레에 주입되며, 주입된 활성화제가 기존의 윤활층과 섞이며 점도를 크게 떨어뜨리게 된다. 윤활층 점도의 감소에 따라 배관 내부 압력이 감소하며 이러한 효과를 통해 동일 성능의 펌프를 사용한 토출량 및 압송 거리 증가가 가능해질 것으로 판단된다.
현장에서 콘크리트의 시간당 토출량을 측정하는 방법은 부피를 알 수 있는 거푸집에 콘크리트를 타설하며 시간을 측정하는 방법이 유일하고 정확한 측정이 어렵다. 윤활층 활성화제 주입 방법을 사용한다면 기존보다 간편하고 정밀한 토출량 측정이 가능할 것으로 보인다.
윤활층 활성화제 주입방법을 통한 유량 평가의 가능성을 확인하였다. 윤활층 활성화제 주입 방법을 사용한다면 보다 간편하고 정확하게 콘크리트의 토출량을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
추가적으로 윤활층 활성화제 주입량에 따른 압송 성능 향상을 예측하기 위한 연구가 수행될 것이다.
추후 다양한 배합의 모르타르를 대상으로 동일한 실험이 진행 될 예정이며, 배관의 길이를 증가시켜 압송 거리에 따른 효과를 검토하고자 한다. 또한 콘크리트를 사용한 mock-up 실험과 현장 실험을 통해 윤활층 활성화제 주입 방법을 검증하고자 한다.
이 연구에서는 제안된 방법의 검증을 위해 모르타르를 대상으로 실내 규모의 압송 실험을 수행하였다. 콘크리트를 비롯한 시멘트계 건설재료의 윤활층 형성메커니즘은 유사하기 때문에, 이 검증실험의 효과를 다른 시멘트계 재료에 대해서도 기대할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
특수 배합 콘크리트에서 펌핑 중 발생하는 문제점은?
다양한 종류의 콘크리트가 개발되고 있으며, 콘크리트에 따라 유동특성 또한 매우 달라 현재 최고수준의 펌핑성능을 항상 확보하거나 현재수준을 극복하기에는 큰 어려움이 있다. 예를 들어, 경량 콘크리트와 같은 특수 배합 콘크리트의 경우 펌핑 중 고압으로 인한 골재의 수분흡수로 인해 배관과 재료 사이에 높은 마찰력이 발생하며, 장거리 압송이 쉽지 않은 실정이다. 또한 초고성능 콘크리트(Ultra high performance concrete)와 같이 점도가 매우 높은 콘크리트는 배관과 재료 사이에 마찰이 매우 커 펌프 압송에 어려움이 있을 수 있다.
윤활층 활성화제 분사 장치가 개발된 이유는?
윤활층 활성화제 분사 장치는 윤활층 활성화제를 배관 내부에 고르게 주입하기 위해 개발되었다. 윤활층 활성화제 분사 장치는 수 단계에 걸친 시행착오를 통해 주입 성능과 펌핑 후 분사장치 내부 청소를 고려하여 Fig.
본 논문이 제시한 윤활층 활성화제 주입 방법에서 압력 감소율은 어떻게 나타났는가?
4. 압력 감소율은 윤활층 활성화제의 주입량과 비선형적인 관계를 보였다. 윤활층 활성화제 주입 방법을 실제 현장 적용할 때 주입 효율을 고려하여 주입량을 결정할 필요가 있다.
참고문헌 (15)
Ahmad, A. (2008). Design and construction of the burj dubai concrete building project, Magazine of the Korea Concrete Institute, 20(6), 28-35.
Choi, M.S., Kim, Y.J., Jang, K.P., Kwon, S.H. (2014). Effect ofthe coarse aggregate size on pipe flow of pumped concrete,Journal of Construction and Building Materials, 66, 723-730.
Jang, K.P., Kwon, S.H. (2015). "Evaluation on pumpability ofconcrete considering variation of rheological property forbefore and after pumping," Proceedings of the Korea ConcreteInstitute, Korea Concrete Institute, 27(2), 353-354 [inKorean].
Jang, K.P., Kwon, S.H., Kim, W.J., Yoo, J.H., Hong, S.B. (2017)."Suggestion on new method to estimating rheologicalproperties of lubricating layer to prediction of concretepumping and experimental verification," Proceedings of theKorea Concrete Institute, Korea Concrete Institute, 29(1),383-384 [in Korean].
Jeong, J.H., Jang, K.P., Park, C.K., Lee, S.H., Kwon, S.H.(2016). Effect of admixtures on pumpability for high-strengthconcrete, ACI Materials Journal, 113(3), 323-333.
KS F 2402 (2017). Standard Test Method for Concrete Slump, KS Standard, Korea [in Korean].
Kwon, S.H., Park, C.K., Jeong, J.H., Jo, S.D., Lee, S.H. (2013a). Prediction of concrete pumping: part i-development of new tribometer for analysis of lubricating layer, ACI Materials Journal, 110(6), 647-656.
Kwon, S.H., Jang, K.P., Kim, J.H., Shah, S.P. (2016). State of the art on prediction of concrete pumping, International Journal of Concrete Structures and Materials, 10(3), 75-85.
Lee, T.W., Moon, H.J., Kim, Y.H., Kim, G.D., Choi, Y.S., Heo, J.U. (2013). "Concrete pumpability estimation according to binder content variation," Proceeding of Korea Concrete Institute, 25(2), 81-82 [in Korean].
Lee, J.S., Jang, K.P., Song, E.S., Kwon, S.H. (2015). "Discussion on simple method for estimating rheological properties of cementitious materials in the sites," Proceedings of the Korea Concrete Institute, Korea Concrete Institute, 27(1), 533-534 [in Korean].
Lee, T.W., Moon, H.J., Kim, Y.H., Kim, G.D., Choi, Y.S., Heo, J.U. (2013). "Concrete pumpability estimation according to binder content variation," Proceedings of the Korea Concrete Institute, Korea Concrete Institute, 25(2), 81-82 [in Korean].
Lim, H.J., Kwon, S.H., Kim, J.H. (2016). Effect of admixtures on the yield stresses of cement pastes under high hydrostatic pressures, Journal of Materials, 9(3), 147.
Noh, J.M. (2009). "Property variation of high fluidity concrete after long distance pumping," Proceedings of the Korea Concrete Institute, Korea Concrete Institute, 21(2), 429-430 [in Korean].
Park, C.K., Jang, K.P., Jeong, J.H., Kwon, S.H. (2016). Suggestion of a model for filling coefficient of hydraulic cylinder in concrete pump, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 4(2), 195-202 [in Korean].
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