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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.1 pp.18-24
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.1.018

Evaluation of Repair Performance for a CIPP Liner Using a Steam Transfer Tube

Lee, Joongyeon1, Hong, Kinam2, Jeongpung Lee3, Mincheol Han4
1Docter’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Master’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
4Professor, Department of Architectural Engineering, Cheongju University, Cheongju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2021년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hong, Ki-Nam Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, 1, Chungdae-ro, Seowon-gu, Cheongju-si, Korea. Tel: +82-43-261-2378, Fax: +82-43-261-2268 E-mail: hong@cbnu.ac.kr
January 13, 2021 February 2, 2021 February 10, 2021

Abstract


This paper presents an experimental study to evaluate the performance of the cured-in-place pipe (CIPP) method, using a steam transfer tube. For the study, CIPP liner specimens and concrete pipe specimens, which were repaired with the CIPP liner, were fabricated using a steam transfer tube. The short-term and long-term flexural characteristics were evaluated using the CIPP liner specimens. As a result of short-term flexural behavior evaluation, there was no significant correlation between the distance away from the starting point and the short-term flexural characteristics of the CIPP liner. As a result of long-term flexural, after 50 years, the flexural modulus of the CIPP liner was 87.8% of the initial flexural modulus. The external pressure strength test of the concrete pipe specimens repaired with the CIPP liner was conducted. As a result of the external pressure strength test, no correlation was noted between the distance away from the starting point and the external pressure strength. This result shows that a uniform curing temperature could be secured in all sections inside the CIPP liner by using the steam transfer tube when the test specimens were manufactured.



증기이송튜브 적용 CIPP 라이너의 보수 성능평가

이 중연1, 홍 기남2, 이 정풍3, 한 민철4
1충북대학교 토목공학과 박사과정
2충북대학교 토목공학부 교수
3충북대학교 토목공학부 석사과정
4청주대학교 건축공학과 교수

초록


본 논문은 증기이송튜브를 이용한 현장경화 보강튜브 삽입공법(Cured in placed pipe, CIPP)의 성능을 평가하기 위한 실험적 연구이다. 연구를 위해 증기이송튜브를 이용하여 CIPP 라이너 시편 및 CIPP 라이너로 보수된 콘크리트관 실험체를 제작 하였다. CIPP 라이너 시편을 이용하여 단ㆍ장기 휨특성을 평가하였으며, 단기 휨특성 시험변수로 시점으로부터 떨어진 거리를 고려하였다. 단기 휨거동 평가결과 CIPP 라이너의 휨강도 및 휨탄성계수는 ASTM 기준에서 제시하고 있는 휨강도 및 휨탄성계 수의 197%, 154% 수준으로 우수한 단기 구조 성능을 보이는 것으로 나타났다. 또한 시점부로부터 떨어진 거리와 CIPP 라이너 의 단기 휨특성은 큰 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 장기 휨거동 시험내용을 이용하여 1차원 회귀분석을 실시한 결과 50년 경과 후 CIPP 라이너의 휨 탄성계수는 초기 휨탄성계수의 87.8%로 우수한 장기 구조 성능이 나타났다. 이 후 CIPP 라이너로 보 수된 콘크리트관 실험체의 외압강도시험을 실시하였다. 외압강도시험 변수로 보수 유ㆍ무 및 시점으로부터 떨어진 거리를 고려 하였다. CIPP 라이너로 보수된 콘크리트관의 외압강도는 보수되지 않은 콘크리트관에 비해 초기균열 하중은 16.8%, 최대하중 은 7.7% 증가한 것으로 나타났다. 외압강도 시험결과 시점으로부터 떨어진 거리와 외압강도는 상관관계가 없는 것으로 나타났 다. 이는 실험체 제작시 증기이송튜브를 이용하여 CIPP 내부 모든 구간에서 균일한 경화온도를 확보할 수 있었기 때문으로 판 단된다.



    Chungbuk National University(CBNU)

    1. 서 론

    하수도 시스템은 수인성 질병 예방 및 수질환경 개 선을 위한 현대사회의 중요한 사회기반시설이다. 우 리나라에서는 1960년대 공업화에 의해 도시 인구가 증가함에 따라 1966년 하수도법이 제정되었으며, 이 를 토대로 꾸준한 하수도 보급이 이루어지고 있다 (Shin, 2007). 그러나 하수도 시스템 중 하수관거는 항상 지하의 습기에 노출되어 있을 뿐 아니라 토압, 수압 등의 상재하중이 가해지는 상태로 있어 급격하 게 노후화된다(Choi, 2004). 2017년 기준 국내에 매설 된 하수관로는 149,030km이며, 이 중 40.2%의 하수관 이 20년 이상 사용된 노후화 하수관이다(Han, 2020;Ministry of Environment, 2018). 노후화된 하수관은 도로 지반 침하를 발생시켜 인명, 재산피해를 발생 시킨다. 특히 2013년에서 2018년 사이 국내 발생된 전체 도로침하 중 66% 이상이 하수관 손상으로 인 해 발생되는 것으로 나타나 노후화된 하수관거의 보 수가 시급한 실정이다(Chung, 2019).

    하수관을 보수하는 기존 방법으로는 크게 굴착식 과 비굴착식 공법이 있다. 굴착식 공법은 굴착 후 노후화 하수관을 신관으로 교체하거나 모르타르, 에 폭시와 같은 보수재를 이용하여 균열을 직접 보수하 는 방법이다(Yoo et al., 2019). 그러나 굴착식 공법은 다른 지하매설물을 손상시킬 위험이 있으며 공기가 길어 장기간 교통장애가 발생할 뿐 아니라 공사 동 안 소음 및 분진을 유발하는 등 많은 사회적 비용이 유발된다(Byun, 2006). 반면 비굴착 보수공법은 굴착 없이 노후된 하수관을 보수하는 공법으로 공기가 상 대적으로 짧아 사회적 비용이 감소되는 등 다양한 장점이 있다(Ji et al., 2020). 현재 사용되는 비굴착 보수공법은 제관공법(Spirally wound pipe lining), 신 관삽입공법(Slip lining), 현장경화 보강튜브 삽입공법 (Cured in placed pipe, CIPP) 등이 있다. 이 중 CIPP 공법은 열경화성 수지가 함침된 보수용 튜브를 관에 삽입한 후 온수 및 스팀 증기를 이용하여 튜브를 경 화시켜 기존 관 내부에 새로운 관을 형성시키는 보 수공법이다. 특히 CIPP공법은 단일 작업으로 긴 연 장을 시공할 수 있으며, 시공시간이 짧고, 굴곡부위 에 적용이 가능하다는 장점이 있어 국내⋅외에서 가 장 일반적으로 사용되고 있는 공법이다(Kaushal et al., 2019)

    이에 CIPP공법에 대한 다양한 연구가 전 세계적 으로 활발히 진행되고 있다. Choi (2004)는 여러 가 지 원인으로 인해 손상된 하수관을 CIPP공법으로 보 수한 후 강도시험, 침출수 시험 등의 성능평가를 실 시하였다. 연구 결과 CIPP공법으로 보수된 하수관은 무보수 하수관에 비해 강도 및 수밀성이 증가되는 것으로 보고하였다. Ji et al. (2018)은 고강도 CIPP 소재를 이용하기 위해 유리섬유, 탄소섬유 등 다양 한 섬유의 기계적 특성을 평가하였다. Nuruddin et al. (2019)은 PET/polyester로 제작된 CIPP 라이너의 물리적, 화학적, 기계적 특성을 평가하였다. 그러나 진행된 연구는 성능평가 및 강도증진에 관련된 연구 에 집중되어 있으며 증기 사용 시 열 손실에 의해 발생된 수지 미경화 문제를 해결하기 위한 연구는 부족한 실정이다(Das et al., 2016). 이를 해결하기 위 해 Lee et al. (2020)은 Fig. 1과 같은 증기이송튜브를 개발한 후 유동해석을 실시하여 다양한 직경을 갖는 증기이송튜브에 대한 유동 흐름 및 온도 분포를 검 토하였다. 해석결과 직경 1,200mm, 길이 100m인 콘 크리트관을 CIPP공법으로 보수할 때 증기이송튜브를 이용하여 증기를 주입하면 350초 경과 후 CIPP 내 모든 구간에서 충분한 경화온도를 확보하는 것으로 보고하였다.

    이에 본 연구에서는 증기이송튜브가 적용된 CIPP 라이너의 단기 및 장기 휨거동을 평가한 후 CIPP 라 이너로 보수된 콘크리트관의 외압강도를 평가하여 증기이송튜브를 이용한 CIPP공법의 효율성을 평가하 고자 한다.

    2. 실험 개요

    2.1 사용재료

    본 연구에서 사용된 CIPP 라이너는 폴리프로필렌 (polypropylene) 필름과 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate) 섬유를 적층한 후 열경화 성 폴리에스테르 수지(Polyester resin)를 함침하여 제 작하였다.

    2.2 실험체 제작

    전술한 바와 같이 증기를 이용하여 열경화성 수지를 경화시키는 기존 CIPP공법은 열 손실이 발생함에 따 라 종점부 수지가 경화되지 않는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 증기이 송튜브를 이용하여 CIPP 라이너 시편 및 CIPP 라이 너로 보수된 콘크리트관 실험체를 제작하였다.

    2.3 단기 휨거동

    본 연구에서는 CIPP의 단기 휨강도 및 휨탄성계수를 측정하기 위해 ASTM D 790 기준(2010)에 따라 Fig. 3과 같이 휨강도 시험을 실시하였다. 시험에 사용된 CIPP 시편은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 시점으로부 터 10m, 30m, 50m, 70m, 100m 떨어진 지점에서 채 취하였다. 시험은 변위제어를 통해 1mm/min의 속도 로 시편이 파괴될 때까지 3개의 시편에 대해 시험을 실시하였다. CIPP 시편의 휨강도를 계산하기 위해 식 (1)을 이용하였으며, 하중 - 처짐 곡선의 초기 직 선부 경사를 이용하여 식 (2)에 따라 휨탄성계수를 측정하였다. Table 1에 단기 휨거동 시험변수를 나타 내었다. Table 1에 나타낸 변수명 “L”는 라이너를 의 미하며 아라비아 숫자는 보수작업 중 시점으로부터 떨어진 거리를 의미한다.

    σ f m a x = 3 P L 2 b t 2
    (1)

    E = L 3 4 b h 3 × P δ
    (2)

    여기서, σfmax는 휨강도(MPa), P는 최대하중(N), L 은 지점간 간격(mm), b는 시편의 높이(mm), t는 시 편의 두께(mm), E는 휨탄성계수(MPa), P/δ는 하중- 처짐 곡선의 직선부 경사(N/mm)를 나타낸다.

    2.4 장기 휨거동

    BS 4618의 부속항목 1.1.2(Water Industry Specification, 1995)에 따르면, 50년 휨탄성계수는 단기 휨탄성계수 의 50% 이상 확보되어야 한다. 이에 본 연구에서는 CIPP 시편의 장기 크리프 거동을 예측하기 위해 BS 4618의 부속항목 1.1.2에 따라 휨크리프 시험을 실시 하였다. 시편은 시점으로부터 50m 떨어진 시편인 L50을 이용하였으며, Fig. 4와 같이 시험체를 거치 후 약 2kg의 상재하중을 시험체 중앙에 거치하였다. 상재하중 거치 후 1, 2, 3, 4, 12, 24, 36, 48분, 1, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 40, 80, 100, 200, 400, 600, 1000, 2000, 4000, 5000시간에서의 처짐(δt )을 다이얼 게이 지를 이용하여 측정하였다. 이 후 식 (3)을 이용하여 각각의 시간에 따른 휨탄성계수( Et )를 측정하였다.

    E ( t ) = L 3 4 b h 3 × P δ t
    (3)

    2.5 외압 강도

    외압강도 시험을 위해 내경 400mm, 두께 35mm, 길 이 2,500mm의 A형 2종 철근 콘크리트관을 사용하였 다. 시험변수로 Table 2에 나타낸 것과 같이 시점으 로부터 떨어진 거리(10, 30, 50, 70, 100m) 및 보수 유⋅무를 고려하였다. Table 2의 “CTRL” 실험체는 보수되지 않은 실험체를 의미하며 나머지 실험체의 변수명 “P”는 파이프를, 아라비아 숫자는 시점으로부 터 떨어진 거리를 의미한다.

    증기이송튜브를 이용한 CIPP공법의 성능을 평가 하기 위해 보수된 콘크리트관을 800mm 길이로 절단 하였다. 절단된 관의 외압 강도를 평가하기 위해 2,000kN 용량의 엑츄레이터를 이용하여 2mm/min의 변위제어로 가력을 실시하였다. 하중 증가에 따른 실험체의 처짐을 측정하기 위해 Linear variable differential transformer (LVDT)를 관 내부 최상단에 설치하였다. 측정된 변위와 하중은 Data acquisition system(DAQ)를 사용하여 1초 간격으로 수집하였다. Fig. 5에 외압실험 전경을 나타내었다.

    3. 실험 결과 및 분석

    3.1 단기 휨거동

    Table 3에 단기 휨거동 시험 결과를 요약하여 나타 내었다. 시험 결과 CIPP 시편은 변위가 증가함에 따 라 하중이 선형적으로 증가하는 양상을 보인다. 이 후 시편이 최대 하중에 도달한 뒤 취성적으로 파괴 되었다. 사용된 CIPP 시편의 휨강도는 L10∼L100이 각각 64.3MPa, 62.1MPa, 65.7MPa, 60.6MPa, 62.5MPa 로 평균 63.04MPa로 나타났으며, 휨탄성계수는 2.5GPa∼2.9GPa로 나타났다. 실험 결과를 종합하면 시점부로부터 떨어진 거리와 CIPP 라이너의 휨강도 및 휨탄성계수는 사이의 큰 상관성이 없는 것으로 나타났다. 이는 시편 제작시 증기이송튜브를 이용하 여 CIPP 내부 모든 구간에서 균일한 경화온도를 확 보하였기 때문으로 판단된다. 또한 CIPP 휨강도 및 휨탄성계수는 ASTM D 790 기준에서 제시하고 있는 휨강도(32MPa 이상) 및 휨탄성계수(1.7GPa 이상)에 비 해 197%, 154% 수준으로 사용된 CIPP 시편은 우수한 단기 구조 성능을 보이는 것으로 나타났다.

    3.2 장기 휨거동

    Table 4에 상재하중 재하에 따른 장기 휨거동 실험 결과를 나타내었다. 상재하중을 재하한 직후 CIPP 시편은 평균 0.003mm의 즉시처짐이 발생하였다. Fig. 6에 나타난 것과 같이 시간이 경과함에 따라 크리프 가 발생하여 CIPP 시편의 처짐은 점차 증가하였다. 최종적으로 5,000시간 경과 후 CIPP 시편의 평균 처 짐은 약 0.203mm로 초기처짐에 비해 약 0.2mm 처짐 이 증가하는 것으로 나타났다.

    시간 경과에 따른 휨탄성계수는 식 (3)을 이용하 여 계산하였으며, Fig. 7에 CIPP 시편의 시간(t) - 휨 탄성계수( Et ) 관계를 나타내었다. 실험 결과를 이용 하여 1차원 회귀분석을 진행한 결과 CIPP 시편의 시 간–휨탄성계수 관계는 식 (4)와 같은 관계를 보였으 며 결정계수(R2)는 0.8849로 나타났다.

    L o g ( E t ) = 0.3194 L o g ( t ) + 5.1429
    (4)

    식 (4)를 이용하여 50년 경과 후 휨탄성계수(E50) 를 계산하면 약 2.193GPa으로 초기 휨탄성계수 2.5GPa의 87.8% 수준이다. 이는 BS 4618 기준(초기 휨탄성계수의 50%)을 상회하는 것으로 사용된 CIPP 시편은 장기적으로 구조적 성능이 우수한 재료로 판 단된다.

    3.3 외압 강도

    Fig. 8은 실험된 콘크리트관의 파괴형태를 나타낸다. 무보수 실험체인 CTRL은 관 최상단과 최하단 가력 부의 관 내부에서 동시에 초기균열이 발생되었다. 초기 균열 발생 후 실험이 지속되면 관 외부 측면에 균열이 발생하였으며, 최종적으로 가력부 관 내부에 서 발생된 초기균열이 외부까지 성장하며 가력부 콘 크리트의 파쇄로 이어지는 파괴양상이 나타났다. CIPP 라이너를 이용하여 보수된 콘크리트관도 CTRL 실험체와 동일한 파괴양상이 나타났으며, 실험 종료 까지 CIPP 라이너의 탈락은 관측되지 않았다.

    Fig. 9와 Table 4에 실험된 콘크리트관의 하중-변 위 관계를 나타내었다. CTRL은 평균 17.87kN에서 초기균열이 발생하는 것으로 나타나 KS F 4403 (2019) 기준(17.28kN)을 만족하였다. CIPP 라이너를 이용하여 보수된 콘크리트관인 P10∼P100의 초기균 열 하중은 각각 22.00kN, 20.36kN, 19.52kN, 21.36kN, 21.10kN으로 CTRL 대비 평균 16.8% 증가한 것으로 나타났다. 시점부에서 가장 가까운 실험체인 P10의 초기균열 하중은 22.00kN으로 가장 큰 것으로 나타 났으나, 실험결과를 종합하면 시점부와 떨어진 거리 및 초기균열 하중 사이에는 큰 상관성이 없는 것으 로 나타났다.

    CTRL은 초기균열이 발생된 후 실험이 지속됨에 따라 관 내부 와이어 메시 항복에 의한 연성거동을 보였다. CTRL의 최대 하중은 약 43.60kN인 것으로 나타났다. CIPP 라이너를 이용하여 보수된 콘크리트 관은 CTRL과 유사하게 초기균열이 발생한 후 와이 어 메시 항복에 의한 연성거동이 나타났다. P10∼ P100의 극한 하중은 각각 47.04kN, 46.85kN, 46.93kN, 47.02kN, 46.84kN으로 나타났다. 이는 CTRL 대비 평 균 7.7% 증가한 극한하중으로 CIPP 라이너를 이용하 여 콘크리트관을 보수 시 관의 초기균열 강도 및 극 한 강도가 개선되는 것으로 나타났다. 그러나 극한 하중도 초기균열 하중과 같이 P10에서 가장 큰 47.04kN이 나타났지만 시점부와 떨어진 거리 및 극 한하중 사이의 큰 상관성은 없는 것으로 나타났다. 이는 3.1절에서 전술한 것과 같이 실험체 제작시 증 기이송튜브를 이용하여 CIPP 내부 모든 구간에서 균 일한 경화온도를 확보할 수 있었기 때문으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구는 CIPP 라이너의 단⋅장기 휨특성 및 증기 이송튜브를 이용한 CIPP공법으로 제작된 콘크리트관 의 외압강도를 평가하기 위한 실험적 연구이며, 연 구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 실험체의 단기 휨거동 시험결과 CIPP의 휨강 도와 휨탄성계수는 ASTM D 790 (2010) 기준 에 비해 각각 197%, 154% 증가하여 우수한 단기 구조 성능을 보이는 것으로 나타났으며, 시점부로부터 떨어진 거리와 휨성능은 큰 상 관관계가 없는 것으로 나타났다.

    • 2) 실험체의 장기 휨거동 시험결과 5,000시간 경 과 후 CIPP 시편의 평균 처짐은 약 0.203mm 로 나타났으며, 실험 결과를 이용하여 1차원 회귀분석을 진행한 결과 CIPP의 50년 경과 후 휨탄성계수는 2.193GPa로 초기 휨탄성계수의 87.8% 수준으로 나타났다.

    • 3) CIPP공법을 이용하여 보수된 콘크리트관의 외 압강도 시험 결과 CIPP로 보수된 콘크리트관 의 초기균열 하중 및 극한 하중은 보수되지 않은 관 대비 16.8%, 7.7% 증가하였으며, CIPP 라이너를 이용하여 콘크리트관을 보수하 면 소정의 강도증진 효과를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

    • 4) 증기이송튜브를 이용한 CIPP공법으로 보수된 콘크리트관의 외압강도는 시점부로부터 떨어 진 거리와 큰 상관성이 없는 것으로 나타남에 따라 증기이송튜브를 이용하면 CIPP 라이너 내부 모든 구간에 균일한 경화온도를 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 충북대학교 국립대학육성사업(2020) 지원 을 받아 작성되었음.

    Figure

    KOSACS-12-1-18_F1.gif
    Conceptual Diagram of the CIPP Steam Transfer Tube System[Lee et al., 2020]
    KOSACS-12-1-18_F2.gif
    Specimen Fabrication Using CIPP Steam Transfer Tube System
    KOSACS-12-1-18_F3.gif
    Test Setup for Short-term Flexural Properties
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    Test Setup for Long-term Flexural Properties
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    Test setup for external pressure strength
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    Time-deflection Relationship of Long-term Test
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    Time-flexural Modulus Relationship for CIPP
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    Crack Patterns and Failure Modes of Specimens
    KOSACS-12-1-18_F9.gif
    Load–displacement Relationship of Specimens

    Table

    Test Variable of Short-term Flexural Test
    Test Variable of External Pressure Strength Test
    Result of short-term flexural test
    Result of Long-term Flexural Test
    Result of External Pressure Strength Test

    Reference

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