KR20190102835A - 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치에 관한 것이다.
본 발명은 콘크리트에 고압을 인가하여 장거리 이송함에 있어서, 콘크리트 이송에 필요한 압력을 낮출 수 있는 장치를 제공한다. 즉, 콘크리트와 압송배관의 내주면 사이에 윤활층이 형성되는데, 본 발명에서는 약액을 주입하여 이 윤활층이 더욱 활성화되도록 함으로써 콘크리트 이송에 필요한 압력을 낮출 수 있다. 본 발명에서는 약액으로 계면활성제를 사용할 수 있다.

Description

콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치{APPARATUS FOR ACTIVATING LUBRICANT LAYER IN CONCTRETE PUMPING PIPELINE}

본 발명은 토목, 건축분야의 기술로서, 특히 콘크리트를 펌핑하여 타설할 위치까지 이송하는 콘크리트 펌핑 및 이송 기술에 관한 것이다.

레미콘에서 공급된 콘크리트는 파이프 라인을 따라 압송되어 타설 현장까지 이송된다. 이송 거리가 짧은 경우에는 콘크리트를 가압하기 위한 수단으로 펌프카가 사용되지만, 백 미터 이상의 장거리를 이송하기 위해서는 고압 이송펌프를 사용해야 한다. 최근에는 콘크리트 공급지로부터 타설지까지 거리가 수 백 미터 이상이 되는 경우가 빈번해지고 있다. 예컨대, 잠실 '롯데월드타워'는 높이가 555m이며, 콘크리트를 수직 상방으로 수 백 미터 이송해야 한다. 또한 영종도와 송도 사이를 연결한 '인천대교'나 '인제-양양 터널'과 같이 길이가 수 km 이상인 장대터널, 장대교량을 건선할 때에도 콘크리트의 이송거리는 매우 길 수 밖에 없다.

이렇게 콘크리트를 장거리 이송하려면 높은 압력이 필요한데, 고압으로 콘크리트를 펌핑하는 것은 2가지 문제점이 있다. 먼저 콘크리트의 물성 변화이다. 고압을 받은 콘크리트는 점도가 증가하여 유동성이 저하된다거나, 압축강도가 설계 강도와 달라질 수 있다. 또한 심한 경우 이송 배관이 완전히 막혀 버릴 수 있으며, 콘크리트의 재료분리가 일어나기도 한다. 또 다른 문제점은 경제성이다. 고압 펌핑을 지속적으로 수행하려면 시공 비용의 증대를 피할 수 없다.

기존에는 장거리 이송시 위와 같은 문제를 피하기 위하여 일정 거리마다 스테이션을 두고 단계적으로 펌핑을 수행하였으나, 이는 공기의 지연을 초래하는 등 바람직하지 않다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상대적으로 낮은 압력으로 콘크리트를 멀리 이송할 수 있어 경제적일 뿐만 아니라, 콘크리트 물성 변화를 억지할 수 있도록 구조가 개선된 콘크리트 압송 배관의 윤활층 활성화 장치를 제공하는데 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 콘크리트 압송 배관의 윤활층 활성화 장치는 콘크리트 압송배관에 설치되며, 콘크리트가 상기 압송배관을 유동할 때 나타나는 윤활층을 활성화하기 위한 약액을 주입하기 위한 것으로서, 상기 압송배관의 원주방향을 따라 복수의 주입구가 형성되어 있는 약액주입유닛; 상기 약액을 가압하여 주입하기 위한 주입펌프; 및 상기 주입펌프와 약액주입유닛 사이에 개재되어 콘크리트를 복수의 갈래로 나누어 상기 복수의 주입구로 분배하되, 상기 복수의 주입구로 각각 주입되는 콘크리트의 압력을 일정한 범위 내에서 서로 동일하게 형성되도록 하는 분배기;를 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명에서 상기 약액이 주입되는 복수의 주입구는 일정 각도 간격으로 4~16개 정도, 보다 바람직하게는 6~12개 정도로 형성될 수 있다. 그리고 상기 약액은 시멘트 페이스트를 사용할 수도 있지만, 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 약액주입유닛은, 콘크리트 압송배관에 끼워져 설치되며, 중공형으로 내부에 콘크리트가 유동되는 유로가 형성되며, 둘레방향을 따라 상기 복수의 주입구가 배치되는 하우징과, 상기 하우징의 각 주입구에 설치되며 상기 분배기로부터 연장된 복수의 연결라인이 결합되는 복수의 주입포트를 구비한다. 그리고 상기 복수의 주입포트에 각각 설치되는 복수의 개폐밸브를 더 구비하며, 이에 더하여 콘크리트의 역류를 방지하는 체크밸브가 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 약액이 상기 하우징의 내주면을 따라 환형으로 분산될 수 있도록, 상기 하우징의 내주면에는 상기 주입구를 연결하는 원주를 따라 오목하게 홈부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 복수의 주입구 중 적어도 어느 하나의 주입구로 주입되는 콘크리트의 압력을 측정할 수 있도록, 상기 주입포트 또는 연결라인에 압력계가 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압송배관을 유동하는 콘크리트의 단위면적당 압력을 측정하는 배관내압센서를 더 구비하며, 상기 배관내압센서에서 측정된 배관내압이 사전에 설정된 기준압력보다 높을 경우 상기 주입펌프를 작동시키고, 상기 배관내압이 상기 기준압력보다 낮을 경우 상기 주입펌프를 작동중단시키는 제어유닛을 더 구비하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 기준압력이란 상기 콘크리트 압송배관의 치수, 콘크리트의 물성 및 콘크리트의 유동량에 따라 콘크리트의 단위면적당 인가되는 압력을 미리 산출한 예상압력이다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

본 발명에 따라 계면활성제를 콘크리트 압송배관에 환형으로 주입하면 그렇지 않은 경우에 비하여 압송에 필요한 압력이 50% 이상 저하되므로 경제성이 획기적으로 상승된다는 이점이 있다. 또한 기존과 같이 일정 거리마다 스테이션을 마련하고 단계적으로 이송하는 것에 비하여 공기도 획기적으로 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따라 배송압력이 저하되면 고압 조건에서의 콘크리트의 물성 변화를 최소한으로 억지할 수 있어 시공 품질이 보장된다는 이점이 있다.

도 1은 콘크리트가 이송되고 잇는 파이프 라인 내부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 파이프내 압력과 콘크리트 토출량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치의 개략적 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 약액주입유닛의 개략적 단면도이다.
도 5는 도 4의 A-A선 개략적 단면도이다.
도 6은 본 발명과는 다른 형태의 약액주입유닛의 개략적 단면도이다.
도 7은 100m 압송배관에서 압축강도 24MPa 수준의 콘크리트를 압송하면서 본 발명의 효과를 실험한 결과 그래프이다.
도 8은 100m 압송배관에서 압축강도 40MPa 수준의 콘크리트를 압송하면서 본 발명의 효과를 실험한 결과 그래프이다.
도 9는 100m 압송배관에서 압축강도 60MPa 수준의 콘크리트를 압송하면서 본 발명의 효과를 실험한 결과 그래프이다.
도 10은 500m 압송배관에서 콘크리트를 압송하면서 발명의 효과를 실험한 결과 그래프이다.
도 11은 100m 압송 배관 실험을 통해 압송된 콘크리트의 3일 재령에서의 압축강도를 약액을 주입한 경우와 그렇지 않은 경우를 상호 비교한 그래프이다.
도 12는 100m 압송 배관 실험을 통해 압송된 콘크리트의 7일 재령에서의 압축강도를 약액을 주입한 경우와 그렇지 않은 경우를 상호 비교한 그래프이다.
도 13 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 방법의 순서도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 콘크리트에 고압을 인가하여 장거리 압송하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 압송 배관 내에서 압송 배관과 콘크리트 사이의 윤활층을 더욱 활성화시켜 콘크리트 이송 압력을 저하시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명을 설명하기에 앞서 콘크리트 압송 배관 내에서의 콘크리트 거동을 살펴 본다. 도 1은 콘크리트가 이송되고 잇는 압송 배관(파이프 라인) 내부를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1을 참고하면, 콘크리트(c)는 파이프 라인(p) 내에서 층류로 유동하는데, 파이프 라인의 내주면과의 마찰로 인하여 파이프 라인의 내주면 근처에서는 유속이 저하되고 파이프 라인의 중심부에서는 유속이 최대가 된다. 그리고 콘크리트(c)와 파이프라인(p) 사이에는 윤활층(s)이 형성된다. 파이프라인(p)의 종단면으로 보면 윤활층(s)은 동그란 환형으로 얇게 형성된다. 물리적 특성을 보면, 윤활층(s)은 콘크리트(c)에 비하여 점도가 낮으므로, 파이프 라인의 내주면과 콘크리트 사이의 마찰력을 저감하는 역할을 한다. 콘크리트가 파이프 라인을 통해 이송되면 물리적 현상으로서 자연스럽게 윤활층(s)이 형성되며, 이러한 윤활층이 없다면 콘크리트의 이송은 실질적으로 곤란하다.

본 발명은 콘크리트의 고압, 장거리 이송과정에서 나타나는 종래의 문제점을 해결하기 위한 수단으로서 윤활층(s)에 주목했다. 즉 '물리적 현상으로서 자연스럽게 나타나는 윤활층을 인위적으로 더욱 활성화시키면 기존의 문제점을 해결할 수 있을 것이다'라는 아이디어로부터 본 발명은 시작되었다. 결과적으로 본 발명은 윤활층을 활성화시키는데 성공하였으며, 파이프라인(p)과 콘크리트 사이의 마찰력이 저하됨으로써 상대적으로 낮은 압력을 인가해도 콘크리트의 장거리 이송을 가능케 하였다. 본 발명에서 윤활층의 '활성화'란 윤활층으로 인하여 콘크리트와 파이프라인 사이의 마찰력을 저하시키는 것을 의미하며, 예컨대 윤활층을 인위적으로 형성하거나, 기형성된 윤활층의 점도를 보다 낮추는 것을 포함한다.

도 2는 파이프내 압력과 콘크리트 토출량 사이의 관계를 나타낸 그래프로서, A는 윤활층을 활성화시키지 않은 기존의 예이며, B는 본 발명에 따라 윤활층을 활성화시킨 경우이다. 도 2의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 윤활층을 활성화시킨 경우 동일한 압력에서는 콘크리트의 토출량(Q)이 기존의 예에 비하여 증대하며, 거꾸로 동일한 토출량을 확보하기 위해 필요한 압력은 기존의 예보다 낮게 나타났다. 추후에 다시 본 발명의 실험예에 대하여 자세히 설명하겠지만, 일정한 토출량을 확보하기 위해 본 발명에서 요구되는 압력은 기존에 비하여 50% 수준으로 낮아지는 것을 확인하였다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 윤활층 활성화 장치에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 예에 따른 윤활층 활성화 장치(100)의 개략적 도면이다. 도 3을 참고하면, 윤활층 활성화 장치(100)는 약액주입유닛(30), 주입펌프(40), 분배기(50), 제어유닛(60)을 구비한다.

약액주입유닛(30)은 중공의 관 형태로 이루어진 하우징(10)을 구비한다. 하우징(10)의 양단에는 플랜지부(11)가 형성되어 콘크리트 압송배관(p)과 플랜지 결합된다. 하우징(10)의 내부에는 유로가 형성되어 콘크리트가 유동한다.

콘크리트가 배관을 유동할 때 윤활층이 형성되도록, 또는 기형성된 윤활층이 더욱 활성화되도록 본 발명에서는 약액을 주입하는데, 하우징(10)에는 약액을 주입할 수 있는 복수의 주입구(12)가 형성된다. 주입구(12)는 하우징(10)의 내주면과 외주면 사이를 관통하여 형성되며, 하우징(10)의 원주방향을 따라 복수 개 배치된다. 예컨대 주입구(12)는 서로 동일한 각도 간격으로 배치되며, 원주방향을 따라 4~16개, 바람직하게는 6~12개 배치된다. 주입구(12)는 콘크리트의 유동방향에 대하여 수직하게 배치될 수도 있지만, 주입구가 경사지게 배치되어 약액이 콘크리트 유동방향쪽으로 비스듬하게 주입되게 할 수도 있다. 약액은 시멘트와 물을 혼합한 시멘트 페이스트를 사용할 수도 있지만, 윤활층을 최대한 활성화하기 위해서는 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다.

복수의 주입구(12)에는 각각 주입포트(20)가 결합된다. 주입포트(20)는 분배기(50)로부터 연장된 연결라인(51)을 하우징(10)의 주입구(12)에 접속시키기 위한 것이다. 본 예에서는 주입포트(20)와 연결라인(51)은 나사결합된다. 주입포트(20) 또는 연결라인(51)에는 약액의 유로를 개폐하기 위한 개폐밸브(21)가 설치된다. 또한 약액을 주입할 때 약액의 역류를 방지하도록, 개폐밸브(21)와는 별도로 체크밸브(미도시)가 주입포트(20) 또는 연결라인(51)에 설치될 수 있다.

그리고 하우징(10)의 내주면에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 주입구(12)들을 모두 연결하는 원주를 따라 오목하게 홈부(13)가 형성된다. 홈부(13)는 약액이 하우징(10)의 내주면을 따라 환형으로 분산될 수 있도록 하기 위한 것이다. 즉, 각 주입구(12)의 단부에서 홈부를 따라 좌우로 약간씩만 분산되면, 전체적으로 볼 때 약액이 환형으로 주입되어 콘크리트 유동체의 외주면을 감싸는 형태가 된다.

주입펌프(40)는 약액을 가압하여 콘크리트가 유동하고 있는 하우징(10) 내부로 주입하기 위한 것이다. 콘크리트가 수십~수백 바(bar)의 높은 압력으로 이송되기 때문에, 주입펌프(40) 역시 압송배관(p) 내부의 압력 이상으로 약액을 가압해야 한다. 본 실시예에서 주입펌프(40)는 피스톤 형태의 펌프를 사용한다. 주입펌프(40)는 약액 공급탱크(T)로부터 약액을 공급받아 분배기(50)로 압송한다.

분배기(50)는 약액을 하우징(10)의 복수의 갈래로 나누어 복수의 주입구(12)로 분배하되, 각 주입구(12)로 주입되는 약액의 압력이 동일해지게 하는 기능을 수행한다. 여기서 '동일'하다는 것은 수학적으로 동일하다는 의미는 아니며, 압력이 일정한 범위 내에 있는 것을 의미한다. 본 실시예에서는 분배기(50)로 매니폴드를 사용한다. 매니폴드의 복수의 출구에 연결라인(51)이 각각 결합된다. 복수의 연결라인(51)의 유동 단면적은 상호 동일하며, 복수의 주입구(12)들의 단면적도 상호 동일하다. 물론 매니폴드(50)의 각 출구 역시 단면적이 동일하다. 따라서 약액은 매니폴드(50)에서 복수의 갈래로 균등하게 분배되며, 각 주입구(12)에 인가되는 약액의 압력도 상호 동일해진다.

복수의 연결라인(51) 중 적어도 어느 하나에는 압력계(59)가 설치된다. 다만 압력계는 연결라인이 아니라 또는 복수의 주입포트(20) 중 어느 하나에 설치될 수도 있다. 이 압력계(59)는 복수의 갈래로 각 주입구(12)를 통해 공급되는 약액의 압력을 측정하며, 더 나아가 복수의 주입구의 폐색 여부를 확인하는 기능을 수행한다. 중요한 점은 복수의 주입포트(또는 연결라인) 중 어느 하나에만 압력계를 설치해도 주입구의 폐색 여부를 파악할 수 있다는 점이다. 뒤에서도 자세하게 설명하겠지만, 약액주입유닛에서 가장 문제가 되는 것은 주입구가 막히는 현상이다. 약액은 환형으로 분산되어서 콘크리트 유동체(원기둥 형태)의 외주면을 둘러싸는 것이 가장 이상적이다. 그러나 어느 하나의 주입구가 막히게 되면 약액이 환형으로 분산되지 못함으로써 윤활층이 고르게 형성되지 못하는 문제점이 있다. 따라서 주입구별로 폐색 여부를 꾸준히 모니터링하는 것이 중요하다. 당연히 모든 주입구(주입포트 또는 연결라인)에 대하여 압력계를 설치해야 하는 것을 상정하겠지만, 본 발명에서는 하나의 주입구에 대해서만 압력계를 설치하여 주입구별로 폐색 여부를 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 주입 펌프(40)에서 일정한 압력을 인가하면, 매니폴드를 통해 복수의 갈래로 콘크리트가 분기되면서 압력 역시 동일하게 분배된다는 것은 앞에서 설명하였다. 정상적인 경우라면 모든 주입구를 통해 약액이 주입되며 이 때의 압력은 압력계를 통해 알 수 있다. 그러나 어느 하나 또는 복수 개의 주입구가 막히면, 뚫려 있는 주입구들에 걸리는 압력이 원래의 값보다 상승하게 된다. 압력계에서는 이를 모니터링하여 주입구 중 일부가 막혔다는 것을 파악할 수 있다. 이후, 주입포트 또는 연결라인에 설치되어 있는 밸브를 차례차례 닫아가면서 압력의 변화여부를 체크한다. 이미 막혀 있는 주입구와 연결되어 있는 주입포트 또는 연결라인에 설치된 밸브를 닫은 경우에는 압력계의 측정압이 변화하지 않을 것이므로, 어떤 주입구가 막혔는지를 확인할 수 있다.

본 발명에서는 위와 같이 복수의 밸브들을 하나하나 여닫기는 해야하지만, 주입구의 폐색이 자주 나타나는 것도 아니며, 압력계를 모든 주입구에 설치하는 것에 비하여 매우 경제적이므로 위와 같은 방법을 통해 주입구의 폐색 여부를 관리할 수 있다.

그리고 특정 주입구가 막힌 것으로 확인되면, 다른 모든 주입구와 연결된 밸브를 닫아서 약액의 압력이 모두 막힌 주입구로 집중되게 함으로써 주입구를 압력으로 뚫을 수도 있다.

정리하면, 본 발명에서는 매니폴드 분배기를 사용하여 모든 주입구에 동일한 압력이 인가되도록 하고, 각 주입구별로 개폐밸브를 마련하며, 어느 하나의 주입포트 또는 연결라인에 압력계를 설치함으로써, 약액주입유닛의 주입구 폐색 여부를 모니터링할 수 있으며, 막힌 주입구를 가압하여 뚫을 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용하는 약액주입유닛은 본 발명자가 기존에 개발한 약액주입유닛(도 6)의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것이다. 도 6에 도시된 기존 약액주입유닛(900)을 참고하면, 기존에는 단부의 직경이 서로 다른 두 개의 유동관(x,y)을 상호 연결하고, 유동관(x,y) 사이의 슬릿(d)을 통해 약액이 주입될 수 있도록 하였다. 그리고 유동관(x,y)을 감싸는 하우징(h)을 별도로 마련하였다. 하우징(h)에는 원주방향을 따라 약액이 분산되는 환형의 충전부(a)가 마련되며, 이 충전부(a)는 슬릿(d)과 연통된다. 그리고 충전부(a)는 하우징(h)에 형성된 약액공급로(b)를 통해 외부로부터 약액이 공급된다. 외부에서 공급된 약액은 먼저 충전부(a)를 따라 환형으로 분산된 후, 슬릿(d)을 통해 환형으로 공급되어, 도 6에 도시된 바와 같이, 약액이 콘크리트(c)의 외주면을 완전히 감싸는 것을 기대하였다. 그러나 도 6에 도시된 기존의 약액주입유닛에서는 예기치 못한 문제가 발생하였다. 즉 환형의 슬릿(d)에서 하단부가 막히는 현상이 발생하였다. 환형 슬릿(d)의 상부나 중간부는 막히지 않지만, 콘크리트의 자중에 의해서 슬릿 하단부에 콘크리트가 끼어서 막히는 것으로 추정된다. 하단부가 막히면 약액은 충전부(a)를 따라 이동하여 슬릿(d)의 다른 부분들을 통해서만 주입된다. 또한 처음에는 슬릿(d) 하단의 어느 한 지점만 막혔지만, 시간이 경과하면 그 지점으로부터 양측으로 폐색 부위가 점차 확산되어 슬릿 하단부의 상당한 영역에서 막힘 현상이 발생한다. 결국 슬릿의 하단부를 통해서는 약액이 주입되지 못하게 되었다.

이러한 문제를 극복하고자 본 발명에서는 도 6의 기존의 약액주입유닛과는 달리 환형의 충전부(a)를 형성하지 않았고, 더욱 중요하게는 약액이 환형의 슬릿(d)과 같은 라인 형태(line)가 아니라 개별 주입구(12)와 같은 포인트 형태(point source)로 공급될 수 있도록 하였다. 주입구(12)를 통해서 약액을 주입하면 라인 형태로 연결된 슬릿(d)을 통해 주입하는 것에 비하여 유로가 폐색될 가능성이 현저하게 줄어드는 이점이 있다. 또한 주입구 중 어느 하나가 막혔다고 하더라도 앞에서 설명한 바와 같이 막힌 주입구를 찾아내서 유로를 개방할 수 있다. 그러나 도 6에 도시된 기존의 장치와 같이 약액의 유로가 환형의 슬릿인 경우 일부 구간이 막히면 약액주입유닛의 가동을 멈춘 후 이를 분리하여 막힌 부분을 뚫어야 하므로 장비의 운용관리는 물론 건축공사의 공기가 지연되는 문제점도 발생한다. 본 발명에서는 기존의 장비에 비하여 구성을 훨씬 간단하게 변경하였지만, 약액의 유로가 막히는 문제점을 해결하였을 뿐만 아니라, 주입구가 막히는 경우에도 장비를 분리하지 않고 즉시 보수할 수 있다는 이점이 있다.

기존의 약액주입유닛으로부터 본 발명과 같이 구성을 변경한 후, 한 가지 우려가 제기되었다. 즉, 본 발명의 물리적 구성을 고려할 때, 약액이 완벽하게 고리 형태로 공급되지 못할 것이라는 우려였다. 그러나 주입구를 원주방향을 따라 복수 개로 배치하고, 하우징(10)의 내주면에 환형의 홈부(13)를 형성함으로써 약액은 실질적으로 환형으로 공급되어 콘크리트 유동체를 감싸는 것으로 확인되었다.

마지막으로, 제어유닛(60)은 주입펌프(40)를 비롯하여, 압력계(59), 배관에 설치되어 배관 내부의 압력을 측정하는 배관내압센서(79), 개폐밸브(21) 등과 연결되어, 이들의 동작을 제어한다.

본 연구진은 실험장치를 마련하여 본 발명의 효과를 실험하였다. 이하 설명한다. 먼저 압송배관을 137m 길이로 수평하게 설치하고, 펌프로부터 2m 지점, 40m 지점 및 60m 지점에 압송배관 내 압력을 측정할 수 있는 압력센서를 설치하였다. 약액주입유닛은 압송배관의 입구측에 배치하였다. 실험에서는 콘크리트를 주입한 후 일정 시간이 경과하여 배관 내 압력이 안정화되면 약액(계면활성제)을 주입하여 배관 내 압력의 변화 여부를 관찰하였으며, 그 결과를 도 7 내지 도 9의 그래프에 나타내었다.

도 7 내지 도 9의 그래프를 참고하면, 검은색은 압송배관의 2m 지점, 빨간색은 40m 지점, 파란색은 64m 지점에서 측정한 배관 내 압력이며, X축은 시간, Y축은 압력을 나타낸다. 압송배관의 초입부(2m 지점)에서의 압력이 당연히 후단부(60m 지점)보다 높다. 그리고 본 실험에서는 피스톤 펌프를 사용하였기 때문에, 피스톤 행정에 따라 압력이 상하로 맥동된다. 도 7은 압축강도가 24MPa 수준의 콘크리트를 압송하였는데, 2m 지점에서 약액을 주입하기 전에는 20.6bar의 압력을 기록하였으나, 약액을 주입한 후 120초가 지난 시점에서는 10.2bar까지 압력이 하강하였다.

또한, 도 8의 실험 결과는 압축강도 40MPa 수준의 콘크리트를 대상으로 한 것인데, 2m 지점에서 초기 압력이 103.2bar로 높게 나타났지만, 약액 주입후 150초가 경과한 시점에서 54.1bar를 나타내 압력이 47% 하강하였다. 마찬가지로 도 9의 실험은 압축강도 60MPa 수준의 콘크리트를 대상으로 한 것인데 본 발명에 따라 약액을 주입한 후 대략 38%의 압력강하가 나타났다.

도 7 내지 도 9의 실험결과를 참고하면, 본 발명에 따른 윤활층 활성화 장치를 이용하여 약액을 주입하는 경우, 콘크리트 압송을 위해 요구되는 압력이 대략 40~50% 정도 감소함을 확인할 수 있었다.

본 발명에서는 압송배관의 길이를 500m까지 연장하여 실험을 다시 진행하였다. 500m 압송배관에서 압력센서는 펌프로부터 2m 지점(P0), 40m 지점(P1), 108m 지점(P2), 165m 지점(P3), 234m 지점(P4), 291m 지점(P5), 360m 지점(P6), 417m 지점(P7), 486m 지점(P8)에 각각 설치하였다. 실험 결과는 도 10의 그래프에 나타나 있다.

도 10의 그래프를 참고하면, 압력이 계속 증가하다가 약액을 주입한 시점부터 압력이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 압력의 변곡점을 살펴 보면 2m 지점이 대략 15분 시점이며, 후단에 배치된 압력센서에서의 변곡점이 더 뒤에 나타난다. 즉, 약액이 주입된 후 해당 위치까지 가는데 시간이 걸리고 약액이 작용을 시작하는 시점부터 해당 위치에서 압력이 저하되는 것이다. 압력이 가장 많이 걸리는 2m 지점을 기준으로 했을 때, 약액을 주입한 경우 그렇지 않은 경우에 비하여 53.7%의 압력 저하가 나타났다.

또한 위 실험 과정에서 약액주입유닛의 주입구가 막히는 등 기존 약액주입유닛에서 발생했던 문제도 나타나지 않았다. 장치의 구성을 간단하게 변경함으로써 장치의 안정적 사용이 가능해졌다. 무엇보다도 윤활층 활성화를 위한 약액으로 계면활성제를 1~2L/min 수준으로 공급하였지만 콘크리트의 물성 변화는 거의 나타나지 않았으며, 모두 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 물성에 대한 실험 결과표는 도 11 및 도 12의 그래프에서 확인할 수 있다. 도 11 및 도 12의 그래프는 앞서 100m 실험에서 압송된 콘크리트를 타설 후 3일 재령(도 11) 및 7일 재령(도 12)에서의 압축강도를 측정한 것으로서, 본 발명에 따라 약액을 주입한 경우(after pumping)와 그렇지 않은 경우(before pumping)를 비교가 나타나 있다.

3일 재령에서 약액을 주입한 경우 압축강도가 전체적으로 약간 저하되는 경향을 보였으나 강도저하율은 3~4% 수준이며, 오히려 강도가 증가하는 경우(24MPa급 콘크리트)도 있었다. 7일 재령에서는 약액을 주입한 경우가 오히려 압축강도가 증가하는 것으로 나타나, 장기 재령으로 갈수록 압축강도는 증대될 것으로 추정된다.

본 발명의 효과를 정리하면 아래와 같다.

먼저 본 발명에 따라 계면활성제를 콘크리트 압송배관에 환형으로 주입하면 그렇지 않은 경우에 비하여 압송에 필요한 압력이 50% 이상 저하되므로 경제성이 획기적으로 상승된다는 이점이 있다. 또한 기존과 같이 일정 거리마다 스테이션을 마련하고 단계적으로 이송하는 것에 비하여 공기도 획기적으로 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따라 배송압력이 저하되면 고압 조건에서의 콘크리트의 물성 변화를 최소한으로 억지할 수 있어 시공 품질이 보장된다는 이점이 있다.

이러한 효과에 힘입어 본 발명에 따른 윤활층 활성화 장치가 산업 현장에서 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

지금까지 본 발명에 따른 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치의 구성과 효과에 대하여 설명하였다. 이하에서는 본 발명을 운용하는 방법에 대하여 예를 들어 설명하고자 한다.

본 발명에서는 위의 실험과 같이 콘크리트를 압송하면서 약액을 계속적으로 공급함으로써 콘크리트 배관 내의 압력을 낮은 수준으로 유지하는 방법으로 운용될 수 있다. 그러나, 다른 예에서는 압송배관 내부의 압력을 모니터링하면서 배관 내압이 기준치 보다 높게 나타날때만 약액을 주입하여 배관 내압을 관리하는 방법으로 운용될 수도 있다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 방법의 순서도이다.

도 13 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 압송 배관의 윤활층 활성화 방법은, 콘크리트 압송 배관의 치수 및 콘크리트의 물성, 유동량에 따른 콘크리트 단위명적당 예상압력을 산출하는 예상압력 산출단계(S100)와, 배관내압센서(79)를 이용하여 콘크리트 압송배관 내의 콘크리트의 단위면적당 배관압력을 측정하는 배관내압측정단계(S200)와, 콘크리트의유동량에 따라 주입되는 약액의 정량을 산출하는 약액정량산출단계(S300)와, 예상압력산출단계에서 산출된 예상압력과 배관내압측정단계에서 측정된 배관내압을 비교하여 약액의 주입을 결정하는 제1내압비교단계(S400), 예상압력보다 배관내압이 높을시 정량의 약액을 주입시키는 약액주입단계(S500)와, 예상압력산출단계에서 산출된 예상압력과 약액주입단계 이후에 ㅊ mrwjd된 배관의 내압을 비교하여 약액의 주입 중단을 결정하는 제2내압비교단계(S600)와, 예상압력보다 약액주입단계 이후에 측정된 배관의 내압이 낮을시 약액의 주입을 중단시키는 약액주입중단단계(S700)를 포함한다.

여기서 '콘크리트의 단위면적당 예상압력'은 콘크리트 압송배관의 치수 및 콘크리트의 물성(점도, 항복응력, 윤활층의 점도 및 항복응력), 콘크리트의 유동량에 의해 예측되는 압력값이다.

예상압력을 산출하는 예상압력산출단계(S100)와 배관압력을 측정하는 배관내압측정단계(S200)와, 약액의 정량을 산출하는 약액정량산출단계(S300)는 순서에 구애받지 않고 어느 것이 선행되어도 무방하다. 다만, 압송배관의 압력과 콘크리트의 유동량에 따라 변화하는 예상압력 및 악액의 정량을 산출하는 과정은 계속해서 반복적으로 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 방법은 제1내압비교단계(S400)와 제2내압비교단계(S600)를 통해 약액의 주입 및 주입 중단을수행하게 된다. 두 비교단계는 예상압력과 배관압력을 비교하여, 배관압력이 예상압력보다 높으면 약액을 주입시키고, 배관압력이 예상압력보다 낮으면 약액의 주입을 중단시키게 된다. 위 방법들은 제어유닛을 포함하여 본 발명에 따른 윤활층 활성화 장치에 의하여 수행될 수 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

100 ... 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치
10 ... 하우징, 30 ... 약액주입유닛
40 ... 주입펌프, 50 ... 분배기
60 ... 제어유닛, 59 ... 압력계
79 ... 배관내압센서, T ... 약액공급탱크

Claims (10)

1. 콘크리트 압송배관에 설치되며, 콘크리트가 상기 압송배관을 유동할 때 나타나는 윤활층을 활성화하기 위한 약액을 주입하기 위한 것으로서, 상기 압송배관의 원주방향을 따라 복수의 주입구가 형성되어 있는 약액주입유닛;
   상기 약액을 가압하여 주입하기 위한 주입펌프; 및
   상기 주입펌프와 약액주입유닛 사이에 개재되어 콘크리트를 복수의 갈래로 나누어 상기 복수의 주입구로 분배하되, 상기 복수의 주입구로 각각 주입되는 콘크리트의 압력을 일정한 범위 내에서 서로 동일하게 형성되도록 하는 분배기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송 배관의 윤활층 활성화 장치.
2. 상기 약액주입유닛은,
   콘크리트 압송배관에 끼워져 설치되며, 중공형으로 내부에 콘크리트가 유동되는 유로가 형성되며, 둘레방향을 따라 상기 복수의 주입구가 배치되는 하우징과,
   상기 하우징의 각 주입구에 설치되며 상기 분배기로부터 연장된 복수의 연결라인이 결합되는 복수의 주입포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송 배관의 윤활층 활성화 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 주입포트에 각각 설치되는 복수의 개폐밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 약액이 상기 하우징의 내주면을 따라 환형으로 분산될 수 있도록, 상기 하우징의 내주면에는 상기 주입구를 연결하는 원주를 따라 오목하게 홈부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 주입구 중 적어도 어느 하나의 주입구로 주입되는 콘크리트의 압력을 측정할 수 있는 압력계가 설치되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 주입구는 일정 각도 간격으로 6~16개 형성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 압송배관을 유동하는 콘크리트의 단위면적당 압력을 측정하는 배관내압센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 배관내압센서에서 측정된 배관내압이 사전에 설정된 기준압력보다 높을 경우 상기 주입펌프를 작동시키고, 상기 배관내압이 상기 기준압력보다 낮을 경우 상기 주입펌프를 작동중단시키는 제어유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 기준압력은 상기 콘크리트 압송배관의 치수, 콘크리트의 물성 및 콘크리트의 유동량에 따라 콘크리트의 단위면적당 인가되는 압력을 산출한 예상압력인 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 약액은 계면활성제인 것을 특징으로 하는 콘크리트 압송배관의 윤활층 활성화 장치.

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