KR100244102B1 - 공동분쇄된 섬유 시멘트 - Google Patents

공동분쇄된 섬유 시멘트 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면 섬유 전구체와 시멘트 클링커를 연마 분쇄기에 넣고, 클링커가 미세한 분말이 될 때까지 혼합물을 분쇄함으로써, 수화 가능 시멘트 분말 중에 0.0001 내지 10 용적 %의 공동분쇄된 섬유의 균일한 분산물을 함유한 섬유-수화 가능 시멘트 조성물이 제조된다. 섬유는 강철, 내알칼리성 유리, 세라믹, 탄소 또는 유기 고분자일 수 있으며, 바람직하게는 강철, 폴리올레핀 또는 이들의 혼합물이다.

Description

[발명의 명칭]
공동분쇄된 섬유 시멘트
[발명의 분야]
본 발명은 섬유로 강화된 콘크리트, 모르타르 및 그라우트와 같은 시멘트 함유 조성물에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 우수한 섬유 강화 콘크리트, 모르타르 및 그라우트를 형성하는 공동분쇄된 섬유 및 시멘트 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
유기 섬유를 혼합물에 포함시킴으로써 콘크리트, 모르타르 및 그라우트의 물리적 성질이 개선되어 왔다. 다양한 유기 고분자 섬유가 모노필라멘트, 피브릴화 쉬트 재료 및 피브릴의 형태로 콘크리트 혼합물에 첨가되어 왔다. 이상적인 고분자는 화학적으로 불활성이고, 초기의 습윤 혼합물과 최종적으로 "경화"된 조성물에서 가수분해되는 관능기가 없는 것이다. 특히 폴리올레핀 및 강철 섬유가 탁월한 인장 변형 용량 및 안정성을 가지고 있고 이들이 첨가된 콘크리트 및 모르타르의 성질을 개선시키는 것으로 판명되었다.
수화 및 중합 반응 과정에서, 부분적으로는 경화 반응시 시멘트 성분의 수축으로 인해 섬유는 미세역학적으로 시멘트 함유 생성물에 결합하게 된다. 섬유는 이러한 조성물에 내충격성, 내파쇄성 및 내마모성, 가소성 수축 균열 억제, 개선된 균열후 특성 및 연장된 피로 수명을 제공한다. 그러나, 이들과 그밖의 개선된 특성을 얻으려면 섬유가 최초 혼합물 내에 균일하게 분산되는 것이 필수적이다.
본 발명 이전에는 시멘트 함유 조성물에 사용되는 섬유는 대량으로 포장된 피브릴화 또는 단일 필라멘트 섬유, 또는 피브릴로 판매되었다. 이러한 섬유는 전형적으로 시멘트, 모래, 골재, 기타 혼합물 및 물과 함께 혼합기에 가해졌다. 길이가 긴 섬유는 특히 고농도에서는 덩어리져 뭉쳐지는 경향이 있었고, 혼합기 및 조성물 성분들의 전단 작용에 의존하여 섬유를 분리하고 분산시켰다. 시멘트 함유 혼합물의 불투명성과 조직 때문에 혼합을 시각적으로 모니터링하는 것은 불가능하다. 그러나, 경화된 시멘트 함유 조성물을 검사해보면 통상적으로 섬유의 최적의 풀림(unbundling) 및 효율적인 균일한 분산이 달성되지 않는다는 것을 알 수 있다.
[발명의 요약 및 목적]
섬유 전구체와 시멘트 클링커를 연마 분쇄기에 넣고 클링커가 미세한 분말이 될 때까지 혼합물을 분쇄함으로써 수경성 시멘트 분말 중에 0.0001 내지 10 용적 %의 공동분쇄된 섬유의 균질한 분산물을 함유하는 수경성 혼합물이 제조된다. 섬유는 강철, 내알칼리성 유리, 탄소, 세라믹 또는 유기 고분자 섬유, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직한 섬유 전구체는 강철 섬유 및 20,000 데니어 이하의 직경과 1 내지 75mm의 길이를 갖는 압출 모노필라멘트 또는 피브릴화 쉬트 섬유의 형태인 폴리올레핀이다. 최적의 섬유는 강철, 폴리프로필렌, 및 이들의 혼합물이다.
본 발명의 목적은 개선된 섬유 표면 결합성, 인장 변형 용량, 균열후 거동, 강도, 충격 강도, 내피로성, 내화성, 강철과의 결합성, 내부식성 및 연성을 가지는 섬유 강화 수경성 생성물을 생성하는 수경성 시멘트 함유 혼합물을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 섬유 전구체를 시멘트 클링커와 함께 공동 분쇄함으로써 제조되는 섬유-시멘트 조성물의 형성으로 달성된다.
본 발명자는 섬유가 분쇄기에서 클링커와 함께 공동분쇄될 때 균일한 분산이 증대된다는 것을 발견하였다. 섬유의 공동 분쇄와 분산 과정에서 시멘트 입자들은 섬유의 표면에 매립되어 표면의 친수성을 증가시켜 준다. 물과 접촉시키면 섬유는 신속히 습윤되고 혼합 과정에서 분산된 상태로 남아있게 된다. 이로 인해 경화된 시멘트 함유 조성물에서 섬유의 덩어리나 뭉치가 제거된다. 결과적으로, 시멘트와 섬유가 특정한 체적비일 때 기계적 강도 및 균열 내성이 증가하고, 특정 섬유 또는 섬유 혼합물로 얻을 수 있는 최대 콘크리트 강도가 증가한다.
[발명의 상세한 설명]
포틀랜드 시멘트는 분쇄 석회, 철광석, 모래 및 점토의 혼합물을 고온으로 하소시켜 클링커를 형성하도록 함으로써 제조된다. 클링커를 냉각시키고 볼 밀과 같은 분쇄기에 적합한 크기를 갖는 균일한 입자로 분쇄한다. 그 다음 클링커 입자를 통상적으로 판매되고 소비자에게 익숙한 분말 형태인 미세한 분말로 분쇄한다. 분말을 다른 성분 및 물과 혼합하여 모르타르, 그라우트, 숏크리트 또는 콘크리트 등의 목적하는 제품을 형성시킨다. 콘크리트는 예를 들면 포틀랜드 시멘트,모래, 골재, 부가 혼합물 및 물의 혼합물을 수화시킴으로써 형성된다. 섬유 첨가제는 전형적으로 여타 첨가물을 혼합물에 투입할 때 동시에 가하며, 성분들이 혼합기 내에서 뒤섞여짐에 따라 분산된다. 섬유 첨가제는 경화 반응이 진행되는 동안 콘크리트의 수축으로 인한 균열의 성장 및 폭을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 그러나, 통상의 혼합 과정에서 섬유를 분산시키는 것이 어렵기 때문에 100 대 1보다 큰 섬유 종횡비는 기피된다. 그 밖에도, 종횡비가 100대 1 보다 작은 섬유의 경우일지라도, 이미 관찰되었으며 또한 불가피한 콘크리트 내 섬유 분포의 가변성으로 인해 섬유가 대부분의 장력 부하를 지탱해 주리라 기대할 수는 없다. 따라서, 구조강 및 강화봉으로 장력 부하를 지탱하도록 한다.
본 발명의 방법에서는 섬유 전구체를 클링커 입자와 함께 시멘트 분쇄기에 투입함으로써 더 개선된, 균일하게 분산된 섬유로 강화된 제품이 얻어진다. 섬유에 대한 클링커 입자와 분쇄 요소의 작용에 의해 섬유 전구체는 가늘어지고, 거칠어지며 마모된다. 성분들을 콘크리트 제조시에 첨가할 때 덩어리짐과 뭉침이 없이, 섬유의 신속한 습윤 및 균일한 분산이 얻어진다. 가늘어지고, 거칠어지며 미세하게 마모된 섬유는 수화 과정에서 시멘트와 더욱 강한 역학적 결합을 형성하여 섬유 강화가 의의를 갖는 모든 특성에 향상을 가져온다. 100 대 1 보다 큰 섬유 종횡비(길이를 직경으로 나눈 것)를 사용할 수 있으며, 섬유 분포의 균일성은 섬유가 장력 부하의 더 많은 부분을 지탱하도록 기대할 수 있는 수준까지 향상된다.
선행 기술의 분산법으로는 비교적 낮은 절대 용적비 또는 농도를 넘는 섬유 농도는 콘크리트의 물리적 성질을 손상시킨다. 본 발명의 방법으로 더욱 높은 절대 용적 또는 농도의 섬유를 배합하여 강도, 내균열성 및 기타 바람직한 성질의 향상을 가져올 수 있다. 더 낮은 절대 용적비에서도 바람직한 성질의 실질적인 향상과 섬유의 "섬유 강화 효율"이 증대된다.
본 발명을 제한하려는 것이 아니라 설명을 보다 명확히 하기 위하여, 이하에서 본 발명을 포틀랜드 시멘트 함유 조성물과 관련하여 설명하며, 이 방법과 조성물은 수경성 조성물을 분쇄하여 미세한 분말을 형성하도록 함으로써 제조되고, 분쇄 요소 및 광물 입자와 섬유의 분쇄 상호작용으로 개선된 공동분쇄 섬유가 얻어질 수 있는 어떤 시멘트 함유 조성물에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 섬유에는, 필수적인 내알칼리성, 강도 및 안정성을 갖춘 무기 또는 유기 고분자 어느 것이라도 포함된다. 본 명세서에서 사용하는 "내알칼리성"이라는 용어는 대부분의 포틀랜드 시멘트 환경에서의 내알칼리성을 의미하는 것으로 정의한다.
적절한 무기 섬유에는 강철, 내알칼리성 유리, 탄소(흑연) 및 세라믹 섬유가 포함된다. 강철 섬유가 바람직한 무기 섬유이다. 강철 섬유는 무거운 띠형 또는 와이어형, 또는 "스틸 올"과 같은 미세한 섬유 형태일 수 있다.
적절한 유기 섬유는 레이온, 나일론 및 기타 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 대크론 및 밀라(mylar)등의 폴리에스테르, 올론(orlon), 및 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀이다. 폴리올레핀이 바람직하며 이는 이들의 화학적 불활성 및 안정성, 변형가능한 표면 특성, 및 가늘어지는 과정에서의 거동 때문이다. 분쇄 작용 시 가늘어지는 과정에서 분자들이 정렬하게 되고, 섬유의 인장 변형 용량이 개선된다. 섬유 표면은 거칠어지고 피브릴라멘트(fibrilament)화되어 경화된 시멘트 함유 조성물 중에서 시멘트와의 역학적 결합 특성을 향상시킨다. 최적의 폴리올레핀 섬유는 폴리프로필렌 모노필라멘트 및 프브릴화 폴리프로필렌 필름이다.
섬유의 공동분쇄 혼합물 또한 본 발명의 영역에 포함된다. 최적의 혼합물은 폴리올레핀과 강철 섬유로 이루어지며, 콘크리트 내에서의 각각의 고유한 성질이 내균열성과 강도에 있어서 보완적인 개선을 제공한다.
공동분쇄 무기 섬유 전구체는 금속, 내알칼리성 유리, 합성 세라믹 또는 탄소 섬유 어느 것이라도 될 수 있다. 이런 재료들은 상업적으로 구입할 수 있으며 시멘트 함유 및 고분자 구조물을 강화하기 위해 널리 사용된다. 강철 섬유의 적당한 구입처 중 하나는 일리노이주 시카고의 노보콘 인터내쇼날, 인크(Novocon International,Inc.)이다.
공동분쇄 유기 섬유 전구체는 통상적인 폴리올레핀 모노필라멘트 및 예를 들어 미합중국 특허 제3,591,395호, 동 제4,297,409호 및 동 4,414,030호에서 콘크리트 부가혼합물에 사용되는 것으로 기재된 피브릴화 플라스틱 필름일 수 있다. 이들의 직경 또는 등가 직경은 음의 데니어에서부터 최대 20,000 데니어이며, 바람직하게는 1 내지 4000데니어이다.
본 명세서에서 사용한 "등가 직경"이라는 용어는 섬유의 단면적과 동등한 단면적을 가진 원의 직경으로 정의한다. 이 용어는 특히 필름을 신장시키거나 절단하여 제조되는 전구체 섬유의 상대적인 크기를 기술하는데 적용된다.
전구체 섬유의 길이는 1 내지 75 mm이며, 바람직하게는 5 내지 50 mm이다. 섬유상 성분은 0.0001 내지 10 용적 %, 바람직하게는 0.1 내지 5.0 용적 %의 섬유를 갖는 공동분쇄된 섬유-분쇄 시멘트 조성물을 생성하는 양으로 클링커에 첨가한다.
투입되는 섬유의 특정한 크기 및 양은 포틀랜드 시멘트가 제조되는 최종 생성물에 달려있다. 예를 들면, 그라우트 및 모르타르 용으로는 전구체 섬유 직경 또는 그 상당치가 바람직하게는 1 내지 1000 데니어이고, 전구체 섬유 길이가 바람직하게는 5 내지 15mm이며, 섬유 농도는 바람직하게는 0.1 내지 5 용적 %이다. 콘크리트 슬라브 용으로는 전구체 섬유 직경이 바람직하게는 1 내지 2000 데니어이고, 전구체 섬유 길이가 바람직하게는 5 내지 25mm이며, 섬유 농도는 바람직하게는 0.1 내지 2 용적 %이다. 콘크리트를 가지가 있는 빔 형태의 강철과 결합하여 고도의 응력을 받는 하중 지탱 구조물을 형성시키는 교량 및 기타 구조물 용으로는 전구체 섬유 직경이 바람직하게는 6 내지 5000 데니어이고, 전구체 섬유 길이가 바람직하게는 10 내지 50 mm 이며, 섬유 농도는 바람직하게는 0.1 내지 5 용적 %이다. 섬유-수경성 시멘트 함유 분말 혼합물을 포장하여 보관하고, 통상적인 섬유 강화 시멘트 함유 제품을 제조하는데 통상적으로 사용되는 것과 동일한 방식 및 동일한 비율로 여타 성분과 혼합하여 그라우트, 모르타르, 숏크리트 및 콘크리트를 형성시킨다. 공동분쇄된 섬유 강화 시멘트 함유 생성물은 섬유 표면 결합성, 인장 변형 용량, 균열 후 성행, 강도, 충격 강도, 내피로성, 내화성, 강철과의 결합성, 내부식성 및 연성을 개선시켰다. 이러한 목적은 섬유 전구체를 시멘트 클링커와 함께 공동 분쇄함에 의해 섬유-시멘트 혼합물을 형성시킴으로써 달성된다.

Claims (15)

  1. 분쇄된 생성물 중에서 공동분쇄된 섬유가 0.0001 내지 10 용적 %를 차지하기에 충분한 양의 섬유 전구체와 시멘트 클링커를 연마 분쇄기에 넣고, 클링커가 미세한 분말이 될 때까지 혼합물을 분쇄하는 것으로 이루어지는, 공동분쇄된 강화 섬유-수경성 시멘트 조성물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 섬유가 강철, 내알칼리성 유리, 세라믹, 탄소, 폴리올레핀 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 섬유가 강철로 된 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 섬유가 폴리올레핀으로 된 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 섬유가 강철과 폴리올레핀의 혼합물로 된 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 섬유 전구체가 직경 20,000 데니어 이하 및 길이 1 내지 75mm인 압출 모노필라멘트 또는 피브릴화되고, 신장 또는 비신장된 쉬트 섬유 형태의 폴리올레핀인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 섬유 전구체가 폴리프로필렌인 방법.
  8. 제1항의 방법에 의해 제조되는 섬유-수경성 시멘트 함유 조성물.
  9. 수경성 시멘트 분말 중에 0.0001 내지 10 용적 %의 공동분쇄된 섬유의 균일한 분산물을 함유하는 섬유-수경성 시멘트 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 섬유 전구체를 클링커와 함께 분쇄하여 섬유-수경성 시멘트 혼합물을 형성함으로써 형성된 것이고, 섬유 전구체는 강철, 내알칼리성 유리, 세라믹, 탄소, 폴리올레핀 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된 것인 섬유-수경성 시멘트 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 섬유가 강철인 섬유-수경성 시멘트 조성물.
  12. 제10항에 있어서, 섬유가 폴리올레핀인 섬유-수경성 시멘트 조성물.
  13. 제10항에 있어서, 섬유가 강철과 폴리프로필렌의 혼합물인 섬유-수경성 시멘트 조성물.
  14. 제10항에 있어서, 섬유 전구체가 직경 20,000 데니어 이하 및 길이 1 내지 75mm인 압출 모노필라멘트 또는 피브릴화되고, 신장 또는 비신장된 쉬트 섬유 형태의 폴리올레핀인 섬유-수경성 시멘트 조성물.
  15. 제14항에 있어서, 섬유가 폴리프로필렌인 섬유-수경성 시멘트 조성물.
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