KR100853920B1 - 저밀도 첨가제를 포함한 섬유시멘트 건축재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화산회, 중공세라믹 미소구의 저밀도 첨가제 또는 미소구와 화산회의 조합 또는 세라믹 셀룰로오스 섬유 강화 건축재료의 다른 저밀도 첨가제를 추가하는 조성물에 관계된다. 이러한 조성물은 증가된 수분팽창과, 보통 섬유시멘트 혼합에 대한 경량의 무기물 첨가와 관련된 동결-해동 감손없이 현재 섬유시멘트 제품과 비교해 유리하게 경량 또는 저밀도이다. 저밀도 첨가제는 또한 재료에 개선된 열 안정성을 준다.

Description

저밀도 첨가제를 포함한 섬유시멘트 건축재료 {FIBER CEMENT BUILDING MATERIALS WITH LOW DENSITY ADDITIVES}
본 발명은 시멘트 셀룰로오스(cementitious cellulose) 섬유강화 건축재료(fiber-reinforced building materials)에 저밀도 첨가제(low density additives, LDA)를 추가로 동일하거나 보다 특수하게 만드는 건축재료 및 방법에 관계된다.
방수건축시트(sheet)와 같은 섬유강화 시멘트(Fiber-reinforce cement, FRC)제품은 1895년부터 건축에 사용되어 왔다. 최근 그러한 제품을 사용한 강화섬유는 석면섬유(asbestos fibers)뿐만 아니라 (오스트레일리아 특허 제 515151호에 나타난)셀룰로오스 섬유(cellulose fibers), 금속섬유(metal fibers), 유리섬유(glass fibers)와 다른 천연 및 합성섬유도 포함한다. 일반적으로 그러한 건축시트(building sheets)의 밀도는 약 1.2-1.7 g/㎤부터이고, 보통 밀도에 있어서 변화는 제조에 사용된 섬유시멘트 슬러리(slurries)를 압축 및 탈수하고, 사용된 섬유의 양을 변화시킴으로서 생긴다. 이러한 밀도에서, 시멘트 기초의 매트릭스(matrix)는 공간을 거의 갖고 있지 않은데 그 결과 보통 시멘트 매트릭스의 우수한 내구성을 위해 필요하다고 생각되는 낮은 수분흡수율을 얻는다.
상기 기술된 섬유시멘트의 밀도는 제품이 같은 크기의 목재기반(timber based) 제품보다 더 무겁고 가동성이 줄어든다는 것을 의미한다. 가동성은 보드(board)가 사용되고 설치되는 것을 쉽게 한다. 따라서 섬유시멘트 건축제품들은 목재 또는 목재기반 제품들보다 자르고, 기계로 가공하고 못질하는 것이 더 어렵다. 이점에서, 천연 목재시트의 밀도는 일반적으로 건조 활엽수재(dry hardwoods)에 있어서 약 0.7-0.9 g/㎤이고 건조 침엽수재(dry softwoods)에 있어서 약 0.38-0.6 g/㎤이다. 따라서 목재와 유사한 밀도를 가진 밀도수정(density-modified) 섬유시멘트재료는 가용성을 개선하고, 제조될 제품을 더 가볍고, 못질하기도 쉬우며, 자르기도 용이하고, 기계가공을 더 용이하게 할 것으로 기대된다. 그렇지만, 이것은 만일 밀도수정 섬유시멘트가 같은 범위의 적용에 사용된다면 내구성, 불내성(fire resistant), 부패방지 및 섬유시멘트의 방수 성질을 보유하는 동안 이루어져야 한다.
선행기술은 경량 무기물 분말이 시멘트 또는 섬유강화 시멘트 재료에 밀도 변성제(modifiers)로서 첨가될 수 있는 방법을 묘사한다. FRC에 대한 저밀도 첨가제는 약 0.8 g/㎤(dir 50 lbs./cu.ft.) 또는 그 이하의 개방벌크밀도(loose bulk density)를 갖는 것으로 정의된다. 익숙한 대표적 저밀도 첨가제(LDA)로는 저벌크밀도 규산칼슘수화물(calcium silicate hydrates, CSH), 발포폴리스티렌구슬(expanded polystyrene beads, EPS), 발포질석(expanded vermiculite), 발포펄라이트(expanded perlite), 발포셰일(expanded shale) 및 발포점토(expanded clay)가 있다. 그러한 무기물 입자를 갖는 시멘트기반 재료의 밀 도수정은 본래 재료에 다공성(porosity)을 줌으로서 얻어진다. 보통 공극들(pore spaces)은 재료가 물에 침수되거나 긴 시간 비에 노출될 때 물로 가득 찬다. 이것은 이러한 재료들이 불안정한 습건식(wet to dry) 치수안정성(dimensional stability)(수분저항성, moisture resistance), 고포화질량(a higher saturated mass), 동결-해동 저항 부족을 일으키게 한다.
따라서 전형적인 밀도수정 제품에 대해 개선된 습건식 치수안정성으로 동일하게 제조하기 위해 경량 FRC 건축재료 및 방법이 필요하다. 다음으로, 경량 건축재료는 만일 밀도수정재료가 동일한 적용범위에 사용된다면 밀도변성제 없이 FRC 제품과 같이 유사한 습건식 치수안정성을 유지해야만 한다. 아울러 몇몇 적용에서도 재료가 또한 낮은 포화질량, 우수한 동결-해동 저항 및 높은 열 치수안정성을 갖는 것이 매우 선호된다. 최종적으로 목재 및 목재기반 제품의 범위에 가까운 낮은 밀도범위를 갖는 FRC 건축제품은 개선된 내구성으로 얻어질 수 있다.
두 개의 저밀도 첨가제는 전형적인 저밀도 첨가제보다 FRC 건축재료에 더 적합한 특성을 갖는 것으로 평가된다. 이러한 두 개의 저밀도 첨가제들은 화산회와 중공세라믹 미소구이다. 본 발명의 한 실시예는 FRC 건축재료로 화산회(VA)를 추가로 포함한다. 제 2 실시예는 FRC 건축재료로 중공세라믹 미소구(microspheres)를 추가로 포함한다. 제 3 실시예는 FRC 건축재료로 화산회와 미소구의 혼합 및/또는 다른 저밀도 첨가제를 포함한다. 미소구와 VA 및/또는 다른 저밀도 첨가제를 혼합한 제 3 실시예는 화산회의 도입만으로 제 1 실시예보다 보다 선호될 수 있다. 미소구를 추가한 제 2 실시예는 그것만으로 특정한 적용에 대해 고려된 특성에 달려있는, 상기 기술된 제 1 또는 제 3 실시예보다 더 선호된다.
현행 FRC 제품과 비교해, 화산회를 갖는 제 1 실시예의 한 가지 이점은 경제적인 가격에 저밀도와 개선된 가용성을 가진 제품을 제공하고, 뿐만 아니라 통상적인 저밀도 첨가제보다 개선된 치수안정성을 제공한다는 점이다.
제 2 실시예는 섬유시멘트 제품에 미소구를 추가로 포함한다. 현행 FRC 제품과 비교해, 추가 미소구의 이점은 수분팽창의 증가 및 FRC 혼합물에 추가적인 경량 무기물 재료와 관련된 동결-해동 감손 없이 제품의 개선된 가용성과 저밀도에 있다. 또한 미소구의 추가는 FRC 재료에 대한 열(thermal) 치수안정성을 제공한다.
제 3 실시예는 FRC 재료에서 VA 및/또는 다른 통상적인 저밀도 첨가제와 함께 추가된 미소구와 관계된다. 다른 저밀도 첨가제와 미소구를 혼합하는 것은 저밀도 FRC 제품이 미소구에 관한 다른 통상적인 LDA와 저밀도 VA 때문에 (단지 미소구와 비교할 때) 더 작은 무게 비율로 얻어질 수 있기 때문에 유리하다. 이것은 또한 섬유시멘트 제품이 가용성을 더욱 개선시키기 위해 저밀도 범위를 얻을 수 있게 하고, 미소구가 부작용(adverse effects)을 최소화 하는 동안 통상적인 저밀도 첨가제가 습건식 치수안정성 및 전체 내구성을 가져다준다.
이렇게 본 발명의 한 관점에서 보면, 건축재료는 섬유강화 시멘트 조성물과 조성물에 첨가된 저밀도 첨가제를 포함한다. 조성물에 저밀도 첨가제를 추가하는 것은 저밀도 첨가제가 없는 당량의(equivalent) 섬유강화 시멘트 조성물을 갖는 건 축재료와 비교해 건축재료의 밀도를 낮춰주고, 반면 동시에 저밀도 첨가제를 갖는 건축재료는 저밀도 첨가제가 없는 당량의 섬유강화 시멘트 조성물을 갖는 건축재료와 비교해 약 20% 보다 작은 증가율의 수분팽창률을 갖는다. 보다 선호적으로 조성물에 저밀도 첨가제를 추가하는 것은 저밀도 첨가제가 없는 당량의 섬유강화 시멘트 조성물을 갖는 건축재료와 비교해 건축재료의 밀도를 낮춰주고, 반면 동시에 저밀도 첨가제는 저밀도 첨가제가 없는 당량의 섬유강화 시멘트 조성물을 갖는 건축재료와 비교해 건축재료의 수분팽창을 유지하거나 줄여준다. 건축재료의 밀도는 약 1.2 g/㎤ 또는 그 이하가 선호된다.
본 발명의 다른 측면에서, 건축재료 조성물은 건축물을 만드는데 공급된다. 상기 조성물은 유압고착제(hydraulic binder), 골재(aggregate), 섬유 및 화산회로 구성된다. 한 실시예에서, 화산회는 화산회 없는 당량의 조성물로부터 얻어진 건축물과 비교해 약 10% 이상 최종 건축물의 가용성을 증진시키고 밀도를 낮춘다. 다른 실시예에서 화산회를 포함한 조성물은 최종 제품의 수분팽창에 대해 사소한 상위를 나타냄으로 상기 제품은 화산회 없는 당량의 조성물로 만들어진 건축물과 비교해 약 20% 이하로 수분팽창을 유지하거나 증가시킨다. 밀도수정 정도에 대해, 이러한 수분 작용의 증가는 의외로 낮다. 명목상 동일한 조성물 성분으로, 화산회 조성물에 대해 상이한 수분팽창이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 그러한 상이점들은 본래는 원료의 표면적에서의 파동(fluctuation) 때문이다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 저밀도 건축재료를 만드는 방법이 제공된다. 유압고착제, 골재, 화산회 및 물이 슬러리를 만들기 위해 혼합된다. 상기 슬러리 는 미가공 제품(green shaped article)으로 처리된다. 미가공 제품은 저밀도 건축재료를 만들기 위해 가공된다. 한 실시예에서, 상기 제품은 고압증기멸균(autoclaving)으로 가공된다. 또 다른 실시예에서, 형성된 저밀도 건축재료는 밀도가 약 1.2 g/㎤ 또는 그 이하이고, 수분팽창이 약 0.17% 또는 그 이하로 일어난다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 건축재료 조성물은 유압고착제, 골재, 섬유 및 중공세라믹 미소구로 구성된다. 최종 건축재료는 약 1.2 g/㎤ 또는 그 이하의 밀도를 갖는다. 한 실시예에서, 약 4.1중량%-15중량% 의 셀룰로오스 섬유가 조성물에 제공된다. 한 선호된 실시예에서, 미소구들은 약 15% 이상만큼 최종 건축물의 밀도를 낮추고, 보다 선호적으로 미소구가 없는 당량의 조성물로 만들어진 건축물과 비교해 약 30% 이상만큼 낮춘다. 또 다른 실시예에서, 미소구는 미소구가 없는 당량의 조성물로 만들어진 건축물과 비교해 최종 제품의 수분팽창을 감소시키는데, 선호적으로 약 5% 이상만큼, 보다 선호적으로 약 10% 이상만큼 감소시킨다. 한 선호된 실시예에서, 예를 들면 화산회 및/또는 저벌크 밀도 CSH와 같은 다른 추가 저밀도 첨가제를 갖는 미소구들의 조합이 조성물에 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 저밀도 건축재료를 만들고, 슬러리를 생성하기 위해 유압고착제, 골재, 섬유, 중공세라믹 미소구 및 물을 혼합하는 것으로 구성된 방법이 제공된다. 상기 슬러리는 미가공 제품으로 처리된다. 미가공 제품은 저밀도 건축재료를 만들기 위해 가공된다. 생성된 건축재료는 밀도가 약 1.2 g/㎤ 또는 그 이하이다. 한 실시예에서, 약 4중량% 이상의 섬유들이 슬러리를 만들기 위해 혼합된다. 또 다른 실시예에서, 상기 제품은 고압증기멸균(autoclaving)으로 가공된다.
도 1은 동결-해동 실험 후 중공세라믹 미세구가 있고 없는 핫스첵(Hatschek) 제조보드에 대한 MIP 기공경 분포(pore size distribution) 그래프.
도 2는 동결-해동 실험 후 중공세라믹 미세구가 있고 없는 핫스첵(Hatschek) 제조보드에 대한 BET 기공경 분포(pore size distribution) 그래프.
도 3은 147번의 동결-해동 주기 후 감손이 없는 것을 보여주는 10 중량% 중공세라믹 미세구와 핫스첵(Hatschek) 제조보드를 도시한 SEM 사진.
도 4는 저밀도 첨가제 첨가반응 사이에서 밀도와 강도의 관계를 도시한 그래프.
본 발명의 선호된 실시예는 적어도 두 개의 저밀도 첨가제 중 하나, 중공세라믹 미세구 및/또는 화산회를 혼합한 섬유강화 시멘트 건축재료를 묘사한다. 이러한 첨가제들은 여기에 묘사된 건축재료 유형(즉, 섬유강화 재료)뿐만 아니라, 또한 다른 건축재료로 사용될 수 있다고 인정된다. 아울러, 미세구 및/또는 다른 밀도 변성제를 갖는 화산회의 다양한 조합은 또한 밀도를 낮추고 건축재료의 전체적 성능을 향상시키는 것으로 관찰된다. 또한 가용성, 내구성 및 다른 특성들(하기에 논의된 것과 같은)을 개선할 뿐만 아니라 최종 제품의 수분팽창을 유지하거나 감소시키는 동안 저하된 밀도특성을 얻는 화산회 및 중공세라믹 미소구와 유사한 다른 저밀도 첨가제들은 본 발명의 범위 내에서 완성된다.
1. 제 1 실시예 - 화산회
제 1 실시예에서, 본 발명은 셀룰로오스 섬유강화 건축재료에 화산회를 첨가하는 것과 관계있다. 화산회는 또한 일반적으로 "공중부유 펄라이트(airborne perlite)", "경석(pumice)" 또는 "퍼미사이트(pumicsite)"로 불린다. 화산회는 통상적으로 화산이 폭발할 때 마그마로부터 얻어진 천연유리이다. 화산회는 약 30 중량%의 결정상광물(crystalline minerals)과 70 중량%의 비결정 화산회 유리로 구성된 물질을 생기게 하는 고온 마그마의 냉각에 의해 형성된 비교적 경량의 모래 퇴적물(sand sediment)이다. 그것은 통상적으로 약 400.4-1201.2 kg/m3의 벌크밀도를 갖는다. 보통 이러한 화산회는 조직(morphology)을 변화시키고 약 32-400 kg/m3부터의 통상적 벌크밀도 범위를 갖는 경량 물질을 얻기 위한 열의 이입으로 퍼진다. 발포 화산회는 약 10미크론(microns) 이하에서 약 425미크론이하의 광범위한 크기의 입자를 가질 수 있고, 중간 크기의 입자는 약 20에서 100미크론 사이 범위에 있다. 화학적 구성은 본래 무수규산(silica, SiO2), 알루미나(alumina, Al2O3), 포타슘옥사이드(potassium oxides, K2O)로 구성된다.
화산회 또는 발포화산회는 아리조나, 피닉스의 터플라이트 사(Tufflite Inc.); 캘리포니아, 프라이언트의 캘리포니아 인더스트리얼 미네랄스 사(California Industrial Minerals); 캘리포니아, 차트워스의 유에스 퍼미스 사(US Pumice); 아이다호, 아이다호 폭포의 칼버트 코포레이션(Calvert Corporation); 아이다호, 맬러드 시티의 헤스 퍼미스 프로덕츠 사(Hess Pumice products); 켄자스, 맨카도의 켄자스 미네랄스 사(Kansas Minerals Inc.); 켄자스, 노톤의 칼버스 코포레이션(Calvert Corporation); 뉴멕시코, 에스파뇰라의 코파 퍼미스 컴퍼니(copar Pumice Company); 뉴멕시코, 산타페의 씨.알.미네랄스 사(C.R. Minerals); 뉴멕시코, 알부어퀴르큐의 유틸리티 블록 사(Utility Block); 오리건, 벤드의 캐스케이드 퍼미스 사(Cascade Pumice)와 같은 제조업자들을 통해 이용가능하다.
본 발명의 제 1 실시예의 한 선호된 조성물은 유압고착제, 골재, 섬유, 화산회 및 첨가제들로 구성된다. 유압고착제는 제한되지는 않지만, 포틀랜드 시멘트(Portland cement)가 선호되며, 고알루미나질 시멘트(high alumina cement), 석회(lime), 고로슬래그미분말 시멘트(ground granulated blast furnace slag cement) 및 석고반죽(gypsum plasters) 또는 그것들의 혼합이 될 수도 있다. 골재는 제한되지는 않지만, 지반무수규산모래(ground silica sand)가 선호되며, 비결정 무수규산(amorphous silica), 규조토(diatomaceous earth), 왕겨재(rice hull ash), 고로 슬래그(blast furnace slag), 분말슬래그(granulated slag), 강슬래그(steel slag), 미네랄 산화물(mineral oxides), 미네랄 수산화물(mineral hydroxides), 점토, 마그나사이트(magnasite) 또는 백운암(dolomite), 고분자구슬(polymeric beads), 금속산화물(metal oxide) 및 수산화물, 또는 그것들의 혼합이 될 수도 있다. 섬유는 제한되지는 않지만, 셀룰로오스 목재펄프(wood pulp)가 선호되며, 세라믹섬유, 유리섬유, 미네랄목재, 강섬유, 그리고 폴리아미드(polyamides), 폴리에스테르(polyester), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 비스코스(viscose), 나일론(nylon), PVC. PVA, 레이온(rayon), 유리 세라믹(glass ceramic), 탄소 또는 그것들의 어떠한 혼합이 될 수도 있다. 본 첨가제는 제한되지는 않지만 무수규산증기(silica fume), 지열무수규산(geothermal silica), 난연제(fire retardant), 증점제(thickeners), 안료(pigments), 착색제(colorants), 가소제(plasticisers), 분산제(dispersants), 발포제(foaming agent), 면상침전제(flocculating agents), 방수제(water proofing agents), 유기밀도변성제(organic dinsity modifiers), 알루미늄분말(aluminum powder), 카올린(kaolin), 알루미나 3수화물(alumina trihydrate), 운모(mica), 메타카올린(metakaolin), 탄산칼슘(calcium carbonate), 규회석(wollastonite), 폴리머수지유상액(polymeric resin emulsions) 또는 그것들의 혼합을 포함할 수 있다.
화산회는 특유한 적용(다시 말해서, 외장용 마감재(siding), 지붕재(roofing), 외장재(trim), 천정재(soffit), 바닥 타일을 위한 벽받침 판재(backerboard) 등)에 대한 최적 특성을 얻기 위해 상이한 비율의 유압고착제, 골재, 화산회 및 첨가제를 가진 다양한 건축물에 사용될 수 있다. 화산회의 비율은 원하는 적용에 따라 다양해지는 것이 요구될 것이다. 한 선호된 구성은 약 5중량%-80중량%의 포틀랜드 시멘트(Portland cement), 약 0중량%-80중량%의 무수규산, 약 4.1중량%-15중량%의 셀룰로오스, 약 0중량%-10중량%의 첨가제 및 약 2중량%-50중량%의 화산회를 포함할 수 있다. 화산회의 통상적인 조성에 대한 특수한 일례는 다음과 같다:
포틀랜드 시멘트(접합제) 28중량%
무수규산(골재) 54중량%
셀룰로오스(섬유) 7중량%
금속 수산화물(첨가제) 4중량%
화산회(LDA) 7중량%
시멘트와 무수규산은 약 200에서 450 ㎡/kg의 미세도를 갖는 것이 선호된다. 시멘트와 무수규산 모두에 대한 미세도는 ASTM C204-96a에 따라 된다.
상기 재료는 당해업자에게 공지된 것처럼 수많은 종래과정에 의한 수성(waterborne) 혼합 또는 슬러리로부터의 미가공 제품으로 형성될 수 있는데 종래과정은 차후 압축 없이 다음과 같다:
ㆍ 핫스첵 시트 공정(Hatschek sheet process);
ㆍ 마짜 파이프 공정(Mazza pipe process);
ㆍ 마그나니 공정(Magnani process);
ㆍ 사출성형(injection molding);
ㆍ 압출가공(extrusion);
ㆍ 수적법(Hand lay-up);
ㆍ 성형(Molding);
ㆍ 주조(Casting);
ㆍ 압착여과(Filter pressing);
ㆍ 기계에 유입, 롤성형 등.
핫체크 공정을 사용한 최종 제품을 얻기 위해 이용된 공정 단계 및 변수들은 오스트레일리아 특허 제 515151호에 기술된다.
재료는 조정할 조성물을 안정시키기 위해 최대 80시간동안 미리 가공되는 것이 선호되며, 24시간 또는 그 이하가 가장 선호된다. 재료는 그 후 (약 28일간)공기 처리되거나 보다 선호적으로 3-30시간, 가장 선호적으로 24시간 또는 그 이하 동안 120-180℃의 포화증기 환경의 상승된 온도와 압력에서 고압증기 멸균된다. 가공을 위해 선택된 길이와 시간은 조성물, 제조공정, 그리고 제품의 형상에 달려있다.
테스트 결과들
밀도 및 가용성
섬유시멘트 재료에 추가된 화산회는 통상적 저밀도 첨가제와 관찰된 수분팽창을 감소시키는 동안 경제적인 가격에서 밀도를 낮추고 전체적인 가용성을 개선시킨다. 화산회를 첨가한 제품은 경량이며, 그러므로 다루거나 못질하기, 원하는 크기로 맞추기에 용이하다. 화산회를 포함한 조성물은 또한 (만일)보드가 변부(예를 들면 9.5 mm - 19 mm)에 근접해서 못질될 때, 변부균열(edge cracking) 또는 붕괴(crumbling)를 감소시킨다. 하기 표 1과 표 2는 FRC 조성물과 이러한 조성물들에 대한 테스트 결과를 도시하며, 화산회를 추가하는 것이 밀도를 낮추고 가용성을 개선시키는데 유리하다는 것을 보다 상세히 증명한다.
표 1 - 표 2 테스트 결과에 대한 조성
조성식별 포틀랜드 시멘트 무수규산 셀룰로오스 금속 수산화물 발포 화산회
유압고착제 골재 섬유 첨가제 LDA
B 28.7 60.3 7.0 4.0
K 28.7 52.8 7.0 4.0 7.5

표 2 - 화산회가 있거나 없을 때의 특성 비교
테스트 방법 조성물 K1 7.5중량% 화산회 조성물 B LDA 없는 대조표준
O.D. 밀도(g/㎤) 1.11 1.34
못 침투3(평형상태)2 재료에서 못의 길이 mm. 50 mm(2in.) - 못의 길이 표준편차 45.4 1.1 33.0 1.0
1 대조표준 골재의 7.5 중량%, 조성물 B는 조성물 K에 대한 7.5중량% 화산회에 의해 대체됨.
2 평형 상태 - 견본들은 습도 50±5%인 23±3℃ 제어된 대기에서 조건화 됨. 못 침투 테스트에 관해 하기에 정의 및 서술된 원문을 참조할 것.
3 못 침투 테스트에 관해 하기에 정의 및 서술된 원문을 참조할 것.
상기 표 2는 화산회가 있거나 없는, 254 mm x 254 mm의 필터가 압축된 모형보드(prototype board)의 테스트 결과들을 비교한다. 모형보드들은 균등질 슬러리를 만들기 위해 호바트믹서(Hobart Mixer)로 원하는 조성을 혼합함으로서 생긴다. 상기 슬러리는 그리고나서 단일시트(monolithic sheet)를 형성하기 위해 워배시 프레스(Wabash Press, 모델명 PC-75-4TM)로 일분동안 24132 kPa로 두 개의 강탈수판(dewatering plates) 사이에서 압축된다. 상기 슬러리는 강철프레임주형(steel frame mold)내에서 슬러리 혼합의 하부와 상부에 놓인 강선메쉬스크린(30-40 US 메쉬)으로 지지된다. 상기 단일시트는 그리고나서 최소 약 12시간동안 예비가공 되고 약 12시간동안 150℃의 포화증기환경에서 상승된 온도와 압력에서 고압증기멸균 된다.
표 2에서, 7.8 중량% 화산회를 갖는 조성물 K는 화산회가 없는 대조표준 조성물, 조성물 B인 등가 조성물과 비교할 때 1.34 g/㎤에서 1.11 g/㎤로 약 17%만큼 밀도를 낮춘다. 등가 조성물은 여기서 (예를 들면 화산회와 같은) 선호된 LDA가 같은 비율의 고착제, 골재 및/또는 첨가제에 의해 대체되는 것으로 정의되며 보다 선호적으로 골재와 같은 비율로 대체된다. 이러한 낮춰진 밀도는 또한 못질이 더 잘 되게 하거나, 보드에 못이 더 잘 들어가게 한다. 테스트는 33.0 mm에서 45.4 mm로 못 침투의 증가를 보여주는데 50 mm는 못의 길이를 나타내고 그러므로 얻을 수 있는 최대 못 침투이다. 못 침투 테스트는 안정된 못고정 압력(nailing pressure)을 보장하기 위해 파슬로드 임펄스(Paslode Impulse®)의 (양성 배치한(positive placement)) 코드 없는 조립 하드웨어 건(framing hardware gun)을 사용한 보드의 적층물을 못질하는 것으로 이루어진다. 적층물은 통상적으로 못(2in. 또는 50 mm)의 길이보다 더 길게 쌓인 6.35 mm × 12.7 mm 두께의 보드로 구성된다. 센코 6d 구리도금 클립헤드못(Senco 6d galvanized clipped head nails(part #/GC21AABN))이 사용되었다.
따라서 한 실시예에서, 약 1.3 g/㎤의 밀도를 갖는 통상적인 건축 시트와 비교할 때, 상기에 서술된 건축재료 조성물은 약 1.2 g/㎤ 이하의 밀도를 갖는 최종 제품을 만든다. 보다 선호적으로, 건축재료 조성물에 첨가되는 화산회는 화산회가 없는 당량의 조성물과 비교할 때 밀도에 약 10% 또는 그 이상의 감소, 또는 약 1.2 g/㎤ 또는 그 이하의 최종제품 밀도를 갖도록 조정되는 것이 선호된다. 또, 회산회의 증가 추가분이 건축물의 밀도를 또한 낮출 것으로 예측된다.
습건식 치수안정성
종래의 밀도 변성제를 가진 가공된 섬유시멘트 조성물은 LDA 없는 FRC 조성물과 비교해 무게증가를 기초로 한 비율로 수분팽창이 증가되며, 수분흡수도 증가된다. 선행기술을 능가하는 제 1 실시예의 한 가지 이점은 유사한 무게를 기초로 한 비율로 유도될 때 첨가된 화산회가 종래의 다른 저밀도 첨가제들보다 수분팽창이 적은 원하는 밀도와 가용성을 얻는다는 점이다. 습건식 치수안정성은 기후변화가 극심한 것을 가정하여 특히 외부적용에서, 설치된 제품의 품질 및 내구성을 위해 건축물에 요구된다. 우수한 치수안정성은 시트 또는 건축패널의 길이 또는 플랭크(plank) 사이에서 생길 수 있는 틈을 최소화한다. 우수한 치수안정성은 또한 치수변화패널 또는 플랭크 및 제품이 체결되는 지지골조(supporting framework) 사이에서 생성된 응력에 기인한 시트에 균열이 생길 가능성을 줄여준다.
표 3과 4는 하기에 이러한 조성물들에 대한 FRC 조성물과 테스트결과를 도시하며, 보다 상세히 당량의 무게를 기초로 추가된 통상적인 다른 저밀도 첨가제의 수분팽창을 최소화하는 동안 밀도를 낮추기 위해 첨가된 화산회의 이점들을 표현한 다.
표 3 - 표 4 테스트 결과에 대한 조성물
조성식별 포틀랜드 시멘트 무수규산 셀룰로오스 금속 수산화물 발포 화산회 발포 펄라이트
유압고착제 골재 섬유 첨가제 LDA LDA
B 28.7 60.3 7.0 4.0
K 28.7 52.8 7.0 4.0 7.5
L 28.7 55.3 7.0 4.0 5.0

표 4 - 화산회 및 펄라이트의 수분팽창1 비교
조성 종류 O.D.밀도 (g/㎤) 수분팽창 % 대조표준의 수분팽창 %
B2 LDA 없는 대조표준 1.33 0.18±0.02
K3 7.5중량% VA 1.11 0.17±0.02 -5.5
L 5중량% 펄라이트 1.22 0.22±0.02 22.2
1 수분팽창은 포화상태에서 오븐 건조상태까지 제품 길이의 변화임. % 수분팽창 변화의 방정식은:
Figure 112002030079623-pct00001
2 선호된 실시예의 이러한 서술을 통해 조성물 B는 대조표준으로 사용됨. 그러나 어떠한 표본도 혼합되지 않을 때 조성물 B가 모든 테스트에 사용되며 예상한 차이점이 임의의 표본에 대한 테스트 결과에 나타날 것임.
3 대조표준 골재의 7.5 중량%, 조성물 B는 조성물 K에 대한 7.5중량% 화산회에 의해 대체됨.
표 4는 상기에 7.5 중량% 화산회와 5.0 중량% 펄라이트(하볼라이트 사(Harborlite Corp.)의 하볼라이트 2000(Harborlite 2000)), 통상적인 저밀도 첨가제와 조성물들을 비교하는 0.25 m x 0.25 m의 필터가 압축된 모형보드의 테스트 결과들을 나타낸다. 5.0 중량% 펄라이트를 갖는 조성물 L은 대조표준으로부터 수분팽창에 22.2 %의 증가가 있고 반면, 7.5 중량% 화산회를 갖는 조성물 K는 실제로 대조표준으로부터 수분팽창에 약 5 % 이상의 감소를 나타낸다.
따라서 첨가된 화산회는 등가 또는 낮은 무게 비율 첨가반응에서 통상적인 밀도 변성제보다 더 우수한 치수안정성을 제공한다. 이것은 화산회가 종래의 저밀도 첨가제에 관해 화산회에 대한 등가 또는 고도 첨가반응과 함께 저밀도를 얻게 하고 더 우수한 가용성을 갖도록 허용한다. 보다 선호적으로, 첨가된 화산회는 화산회가 없는 당량의 조성물과 비교할 때 수분팽창에서 사소한 차이점을 보이도록 조정될 수 있다. 한 실시예에서, 화산회가 없는 당량의 조성물로 만들어진 건축물과 비교해 화산회는 약 20 %이하만큼 최종 제품의 수분팽창을 증가시킬 것이며, 보다 선호적으로 최종 제품의 수분팽창을 감소시킬 것이다. 한 선호된 실시예에서, 화산회를 갖는 조성물로 만들어진 건축물의 수분팽창은 약 0.17 % 또는 그 이하이다.
2. 제 2 실시예 - 중공세라믹 미소구
본 발명의 제 2 실시예는 시멘트 셀룰로오스 섬유강화 건축재료로 중공세라믹 미소구를 첨가하는 것을 포함한다. 중공세라믹 미소구를 갖는 이러한 제 2 실 시예는 화산회를 포함하는 제 1 실시예보다 선호되는데 그 이유는 FRC 재료에 미소구를 추가하는 것은 동결-해동 저항과 열 치수안정성을 포함해 다른 내구성 이점들과 결합된 수분 저항을 더 좋게 하기 때문이다. 제 2 실시예에 대한 선호된 실시예는 이러한 유형의 미소구 또는 건축재료들로 제한되지 않는 것으로 생각될 것이다. 따라서 다른 유형의 충전재(fillers)와 건축재료들도 또한 가능하다.
미소구들은 천연, 합성 또는 부산물(by-product)일 수 있다. 재료는 결정성일 수 있지만 보다 통상적으로 비결정성 또는 유리이다. 한 선호된 유형의 미소구들은 통상 공구로 알려진 중공세라믹 미소구이다. 공구는 구체(shpere)가 응집침전창치(clarifiers), 못(ponds) 또는 호수(lakes)로부터의 물 표면에 부유하는 부력(floatation)에 의해 플라이애시(fly ash)로부터 통상적으로 분리된 석탄회(coal ash) 부산물이다. 미소구는 예를 들어 익스텐도스피어스(Extendospheres®), 리사이클로스피어스(Recyclospheres®), 지오스피어스(Zeeospheres®)의 명칭으로 이용가능하며, 테네시, 채터누가의 PQ사(PQ Corporation); 미네소타, 세인트 폴의 질란 인더스트리사/3M(Zeelan Industries Inc./3M); 테네시, 오크리지의 스피어 서비스사(Shpher Service, Inc.); 워싱턴, 블레인의 어드밴스드 시멘트 테크놀로지스(Advanced Cement Technologies(A.C.T.))와 같은 제조업체로부터 얻을 수 있다.
미소구들은 약 80에서 120 미크론 범위의 중앙 입자크기를 갖는 약 12에서 300 사이 범위의 통상적 입자 크기를 갖는다. 이러한 크기들은 물론 표본들 사이에서 다양할 수 있다. 선호된 미소구는 통상적으로 약 62-65 중량% 무수규산(SiO2), 약 23-26 중량% 알루미나(Al2O3)와 약 3.0에서 4.0 중량% 산화철(Fe2O3)을 포함한다. 건축재료로 사용될 때, 미소구는 물로 즉시 가득 차지 않을 재료에 공극을 갖는데, 그것은 저하된 포화질량, 개선된 습건식 치수안정성 및 동결-해동 저항 때문에 재료에 이롭다.
제 2 실시예의 한 선호된 조성물은 유압고착제, 골재, 섬유, 중공세라믹 미소구 및 첨가제를 포함한다. 제 2 실시예에 대한 선호된 조성물의 다양한 성분들은 제 1 실시예에 각 성분들에 대해 전술된 표에 실린 어떠한 재료라도 포함할 수 있을 것이다. 재료는 또한 제 1 실시예에 서술되고 표에 실린 것처럼 수많은 종래의 공정 및 가공 조건에 의해 제조될 수 있다. 적용할 수 있다면, 원료, 공정, 단계 또는 조건의 선호도는 제 1 실시예의 선호도와 유사하다.
미소구들은 특유한 적용(다시 말해서, 외장용 마감재(siding), 지붕재(roofing), 외장재(trim), 천정재(soffit), 바닥 타일을 위한 벽받침 판재(backerboard) 등)에 대한 최적 특성을 얻기 위해 유압고착제, 골재, 미소구 및 첨가제의 상이한 특성들을 갖는 모든 다양한 건축물에 이용될 수 있다. 선호된 임의의 구성은 약 5 중량%-80 중량% 포틀랜드 시멘트, 약 0 중량%-80 중량% 무수규산, 약 4.1 중량%-15 중량% 셀룰로오스. 약 0 중량%-10 중량%의 첨가제 및 약 2 중량%-90 중량%의 미소구들을 포함할 수 있다. 미소구를 갖는 통상적인 조성물의 한 특정 예시는 다음과 같다:
포틀랜드 시멘트(고착제) 28.7 중량%
무수규산(골재) 50.3 중량%
셀룰로오스(섬유) 7 중량%
금속 수산화물(첨가제) 4 중량%
미소구(LDA) 10 중량%
미소구의 비율은 원하는 적용에 따라 다양해질 수 있을 것이다. 예를 들어, 미소구를 높은 비율(약 90 중량%이하)로 첨가하는 것은 일종의 불내성 비율을 요구하는 건축재료 및 시스템에 적합할 것이다. 미소구를 높은 비율로 첨가하면 것은 재료가 낮은 열수축률을 갖게 된다.
테스트 결과
밀도
미소구와 함께 밀도를 낮추는 것은 내구성(즉, 치수안정성)과 구조보전(structural integrity)에 관해 섬유시멘트 제품이 제공하는 이점들을 포함하지 않고 두꺼운 제품의 전체 가용성을 개선시킨다. 이러한 점들은 약 8분의 3 인치(>9.5 mm) 이상의 제품 두께에 대해 특히 유리하게 기여한다. 미소구를 포함한 제품들은 경량이고 따라서 다루기 용이하다. 둘째로, 미소구를 갖는 제품들은 원하는 크기로 못질하기도 쉬우며, 자르기도 용이하고, 기계가공을 더 용이하다. 또한 미소구 조성물들은 (만약)보드가 변부(예를 들어 3/8-5/8", 즉, 9.5-15.9 mm)에 근접해 못질된다면, 변부균열(edge cracking) 또는 붕괴(crumbling)를 감소시킨다
표 5와 표 6은 하기에 FRC 조성물에 대한 테스트 결과들과 조성물을 나타내고, 보다 상세히 밀도와 가용성을 높이기 위해 조성물에 첨가된 미소구의 이점들을 설명한다.
표 5 - 표 6 테스트 결과에 대한 조성물
조성 식별 포틀랜드 시멘트 무수규산 셀룰로오스 금속 수산화물 미소구
유압고착제 골재 섬유 첨가제 LDA
B 28.7 60.3 7.0 4.0
A 28.7 50.3 7.0 4.0 10.0

표 6 - 미소구가 있거나 없을 때의 특성 비교
테스트 방법 조성물 A1 10중량% 미소구 조성물 B LDA 없는 대조표준
밀도 (평형상태)2 (g/㎤) 1.16 1.39
못 침투3(평형상태) 재료에서 못의 길이 mm. 50 mm(2in.) = 못의 길이 표준편차 47.0 0.9 31.7 1.4
1 조성물 A에서의 10 중량% 미소구들은 조성물 B인 대조표준에서 골재의 10 중량%를 대체함.
2 평형상태 - 표본들은 23±3℃와 50±5% 의 습도로 제어된 대기에서 조건화됨.
표 6은 조성물 A와 B에 대한 0.91 m x 1.52 m 핫스첵 제조보드의 테스트 결과를 나타낸다. 10 중량% 미소구를 갖는 조성물 A는 미소구가 없는 당량의 조성물(조성물 B)과 비교할 때 1.39 g/㎤에서 1.16 g/㎤로 약 15 %만큼 밀도를 낮춘다. 더욱이, 보드에 더 쉽게 못질할 수 있도록 개선된다. 테스트는 31.7 mm에서 47.0 mm로 못침투의 증가를 보여주며, 얻을 수 있는 최대 못침투와 못의 길이는 50 mm이다.
종합적으로, 시험용 모형 및 제품의 테스트는 미소구가 10 중량% 추가될 때마다, 그리고 못질에 분명한 개선이 있을 때 밀도에 있어서 약 15 %의 감소를 나타낸다. 따라서 미소구를 추가하는 것은 약 15 % 이상만큼 FRC 건축재료의 밀도를 낮추는데 유리하며, 미소구가 없는 당량의 조성물과 비교해 보다 선호적으로 약 30 % 이상 유리하다. 본 발명자는 미소구의 추가로 재료의 밀도가 약 0.9 g/㎤(하기의 표 10 참조), 보다 선호적으로 약 0.5 g/㎤ 만큼 낮춰질 수 있으리라 예측한다.
습건식 치수안정성
상술한 바와 같이, 종래의 밀도 변성제를 갖는 가공 섬유시멘트 조성물들은 무게증가를 기초로 한 비율로 수분팽창이 증가되며, 수분흡수도 증가된다. 선행기술을 능가하는 제 1 실시예의 한 가지 이점은 추가된 밀도를 낮추기 위해 추가된 미소구가 습건식으로부터 수분팽창을 증가시키지 않는다는 점이다. 이것은 제 1 실시예에서 사전에 언급된 수많은 이유들로 유용하다.
표 7은 하기에 미소가가 있거나 없는 0.91 m x 1.52 m 핫스첵 제조보드의 테스트 결과를 나타낸다. 10 중량% 미소구를 갖는 조성물 A는 미소구가 없는 조성물 B의 수분팽창으로부터 수분팽창을 유지하거나, 보다 선호적으로 감소시킨다. 조성물 A와 B는 상기 표 5에 있다.
표 7 - 미소구가 있거나 없을 때 수분팽창 비교
테스트 방법 조성물 A1 10중량% 미소구 조성물 B LDA 없는 대조표준
밀도 (평형상태)2 (g/㎤) 1.16 1.39
수분팽창 % 변화 0.15±0.02 0.16±0.02
1 조성물 A에서 10 중량% 미소구들은 조성물 B인 대조표준에서 골재의 10 중량%를 대체함.
2 평형상태 - 표본들은 23±3℃와 50±5% 의 습도로 제어된 대기에서 조건화됨.
표 8-10은 하기에 수분팽창을 증가시키는 종래의 밀도 변성제와 미소구와 비교한 10"x 10" (0.25 m x 0.25 m)필터 압축 모형보드에 대한 테스트 결과 및 조성물들을 나타낸다. 종래의 밀도 변성제는 저벌크밀도 규산칼슘수화물(CSH)과 발포폴리스티렌, 발포질석(expanded vermiculite), 펄라이트, 셰일 또는 점토를 포함한다.
표 8 - 표 9와 표 10 테스트 결과들에 대한 조성물
조성 식별 포틀랜드 시멘트 무수규산 셀룰로오스 금속 수산화물 미소구 저벌크밀도 CSH 발포 펄라이트
유압고착제 골재 섬유 첨가제 LDA LDA LDA
B 28.7 60.3 7.0 4.0
C 35.2 52.8 8.0 4.0
D 26.8 40.2 8.0 25.0
E 26.8 40.2 8.0 25.0
F 28.7 55.3 7.0 4.0 5.0

표 9 데이터는 하기에 대조표준, 조성물 B의 수분팽창으로부터 수분팽창을 증가시키는 약 5 중량%의 부하에서 종래의 저밀도 첨가제, 저벌크밀도 CSH(셀라이트사의 실라조브, Silasorb from Celite Corp.)를 나타낸다.
표 9 - 저벌크밀도 CSH의 수분팽창
조성식별 종류 평형밀도1 (g/㎤) 수분팽창 %
B 대조표준 1.41 0.162±0.02
F2 5.0 중량% 저벌크밀도 CSH 1.27 0.188±0.02
1 평형상태 - 표본들은 23±3℃와 50±5% 의 습도로 제어된 대기에서 조건화됨.
2 조성물 F에서 5중량%의 저벌크밀도 CSH는 조성물 B인 대조표준에서 5중량%의 골재를 대체함.
표 10은 하기에 하나는 25 중량%의 미소구이며 다른 하나는 25 중량% 펄라이트(아즈텍 펄라이트사의 아즈텍 XX)인 두 조성물과 동일한 기초 조성을 비교한다. 펄라이트와 미소구 조성물 모두 1.3 g/㎤에서 약 0.9g/㎤로 대조군 조성물 C의 밀도를 낮추지만, 펄라이트 조성물에 관해서는 수분팽창을 증가시키며, 미소구 조성물에 관해서는 감소시킨다.
표 10 - 미세구 및 펄라이트의 수분팽창 비교
조성 종류 평형밀도1 (g/㎤) 수분팽창 %
C 대조표준 1.31 0.230±0.02
D 25중량% 미소구 0.90 0.202±0.02
E 25중량% 펄라이트 0.89 0.275±0.02
1 평형상태 - 표본들은 23±3℃와 50±5% 의 습도로 제어된 대기에서 조건화됨.
2 조성물 D와 E에서 미소구들은 조성물 C인 대조표준에서 골재와 유압고착제 모두를 대체함.
따라서 섬유시멘트 조성물에 미소구를 추가하는 것은 최종 제품의 수분팽창을 유지시키거나 감소시키는 효과를 가져다준다. 바람직하게는, 미소구의 첨가는 미소구가 없는 유사한 조성물과 비교할 때 약 5 % 만큼, 더욱 바람직하게는 10 % 또는 그 이상만큼 수분팽창을 감소시키도록 조정될 수 있다.
동결-해동 저항
동결-해동 저항은 동결 및 해동 주기들은 반복할 때 손상에 대한 재료의 저항을 말한다. 예를 들면, 콘크리트(concrete)는 서리(frost)에 의해, 특히 동결과 해동 주기가 반복될 때 손상을 입을 수 있다. 손상은 보통 표면에 박편(flaking)으로 시작해 깊은 균열을 통해 점차적으로 내부로 확장되어 발생한다. 동결과 연관된 손상은 일반적으로 기공에 충분한 양의 물이 있지 않으면 생기지 않으며, 낮은 물-시멘트 비(water-to-cement ratio)와 저투과성(low permeability)의 농축 콘크리트에서 최소화된다.
고밀도 콘크리트와 유사한 동결-해동 손상은 고밀도 섬유시멘트에서 최소화된다. 선호된 실시예에서, FRC 조성물에 추가된 미세구는 조성물에 첨가된 밀도 변성제가 동결-해동 저항을 감소시키는 선행 기술과 달리, 동결-해동 저항을 유지 시키는 저밀도 가공 제품을 생산한다.
도 1과 도 2는 MIP(mercury intrusion porosimetry)와 BET(Brunauer, Emmett and Teller)법을 사용한 0.91 m x 1.52 m 핫스첵 제조보드의 기공경 분포(pore size distribution) 그래프를 나타낸다. 126 주기 이후의 미소구가 없는 조성물 B보다 147 동결-해동 주기 이후의 10 중량% 미소구가 있는 조성물 A에 대한 기공경 분포 에 변화가 더 적다. 이것은 통상적 동결-해동 손상의 구조적 변화에 대한 미소구 조성물의 저항을 설명한다. 동결-해동 손상에 대한 미소구 조성물의 저항을 더욱 뒷받침하기 위해, 도 3은 다른 목재 시멘트 혼합물이 통상적으로 이러한 단계에서 감손을 갖는데 반해, 147 동결-해동 주기 이후의 아무런 감손의 조짐이 없음을 보여주는 10 중량% 미소구를 갖는 핫스첵 제조보드(0.91 m x 1.52 m)의 SEM(scanning electron microscope) 사진을 나타낸다.
도 3의 동결-해동 테스트는 "Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing"이라는 제목의 ASTM(American Standard Test Method) C666A에 따라 진행되었다. 이러한 테스트 방법은 A 또는 B의 두 가지 상이한 절차를 갖는다. 절차 A가 계속되는데, 급속냉각은 공기 중에서, 급속 해동은 물에서 하는 것(절차 B)에 반해, 의도된 표본들은 급속 냉각과 해동이 모두 물에 침수되었다. 표본들은 주기적으로 해동-동결 주기로 이동되며 표본 및 전체 구조보전(structural integrity)에 걸쳐 균열, 수분팽창, 해면화(sponginess)/습윤화(wetting)와 같은 감손이 시각적으로 검사된다. 감손의 정도가 표본이 함께 유지되고 건축물처럼 기능을 하지 않을 정도일 때 표본들이 동결-해동으로부터 진행 된다.
고온 치수안정성
건축재료의 열수축을 감소시키는 것은 응력과 변형이 건축 구성성분에 발생하기 않게 한다. 이러한 개선된 열 치수안정성은 건물화재에서 건물 구성요소가 균열, 붕괴(falling apart)와 급속한 화재의 번짐이 없이 화재에 대한 방어물(shield)을 유지하게 한다.
표 11과 표 12는 하기에 FRC 조성물과 10"x 10" (0.25 m x 0.25 m)의 필터가 압축된 모형보드에 대한 테스트 결과를 나타내며, 보다 상세히 고온 치수안정성을 개선하기 위해 조성물에 추가된 미세구의 이점들을 설명한다.
표 11 - 표 12 테스트 결과에 대한 조성물
조성식별 포틀랜드 시멘트 무수규산 셀룰로오스 금속 수산화물 미소구 저벌크밀도 CSH
유압고착제 골재 섬유 첨가제 LDA LDA
A 28.7 50.3 7.0 4.0 10.0
B 28.7 60.3 7.0 4.0
F 28.7 55.3 7.0 4.0 5.0
G 28.7 50.3 7.0 4.0 10.0
H 28.7 40.3 7.0 4.0 20.00

표 12 - 미소구 및 저벌크밀도 CSH의 열수축 비교
조성 종류 평형 밀도2 (g/㎤) 열수축1(%)
B 대조표준 1.41 3.07
F3 5.0중량% 저벌크밀도 CSH 1.21 7.27
G3 10.0중량% 저벌크밀도 CSH 1.15 8.09
A3 10.0중량% 미소구 1.15 4.41
H3 20.0중량% 미소구 1.01 4.21
1 열수축 테스트의 종류는 하기 원문을 참조할 것.
2 평형상태 - 표본들은 23±3℃와 50±5% 의 습도로 제어된 대기에서 조건화됨.
3 조성물 F, G, A 및 H에서 LDA 비율은 조성물 B인 대조표준에서 골재와 동일한 비율을 대체함.
낮은 부하 레벨(예를 들면 약 10-20 중량%)에서, 통상적 무기물 밀도 미소구들이 섬유시멘트 조성물에 이입될 때, 발생하는 고온 열수축을 최소화한다. 표 12는 10 중량%의 저벌크밀도 CSH(셀라이트사의 실라조브)를 갖는 조성물 G와 대비하여 10 중량%의 미소구들을 갖는 조성물 A에 대해 얻어진 열수축 백분율 결과를 나타낸다. 대조표준(조성물 B)과 비교해, 두 조성물들은 밀도를 약 1.4에서 1.15 g/㎤로 감소시키지만, 저벌크밀도 CSH를 갖는 조성물은 미소구를 갖는 조성물처럼 거의 두 배의 열수축이 있다. 또한 20.0 중량%의 미소구와 약 1.0 g/㎤의 밀도를 갖는 조성물 H는 5.0 중량% 저벌크밀도 CSH(셀라이트사의 실라조브)와 약 1.2 g/㎤의 고밀도를 갖는 조성물 F보다 40 % 이상 열수축이 적게 된다.
고온 열수축은 열기계 분석기(Thermomechanical Analyzer, TMA)를 사용해 결정된다. 표본들은 최대 12 mm의 두께를 25 mm 10등분으로 잘린다. 포화 표본들의 온도는 20℃/분에서 950℃의 비율로 기울어지며 표본 크기는 대량팽창 탐침(macroexpansion probe)으로 측정된다. 열수축은 25℃에서 950℃로의 전체 크기 변화에서 일어나고, 전체 최초길이 비율로 기록된다.
섬유시멘트 조성물에 미소구를 사용하는 다른 이점은 미소구의 추가가 증가하는 만큼 열수축이 감소한다는 점이다. 종래의 밀도 변성제를 갖는 열수축이 추가된 무게 비율에 따라 직접적으로 비율화 되는 반면, 미소구를 갖는 열수축은 추가된 무게 비율에 역비례한다. 따라서 고비율로 첨가된 미소구(약 90 중량%이하)를 갖는 조성물은 저비율로 추가된(약 20 중량%이하) 조성물보다 낮은 열수축을 갖는다.
표 13은 하기에 고비율로 추가된 미소구를 갖는 조성물들을 규정하고, 표 14는 고온 열수축 결과들을 규정한다. 70 중량%와 90 중량%의 미소구 첨가를 갖는 조성물 I와 J는 각각 약 2.7 %와 1.1 %의 열수축 결과들을 제시한다. 조성물 I와 J의 열수축은 약 10 x 10 x 40 mm 길이로 표본들을 자르고, 오븐 건조시키며, 머플 전기로(muffle furnace)로 1000℃에서 한 시간 동안 굽고, 오븐 건조 상태에서 냉각시킴으로서 결정된다. 열수축 백분율은 오븐건조에서부터 1000℃ 까지 길이의 전체적인 차이점을 측정하고, 최초 오븐건조 길이에 의해 눈금을 그음으로서 결정된다.
표 13 - 표 14 결과들에 대한 조성물
조성 식별 포틀랜드 시멘트 무수규산 셀룰로오스 미소구
유압고착제 골재 섬유 LDA
I 26.2 2.9 0.9 70.0
J 8.7 1.0 0.3 90.0

표 14 - 고비율 첨가한 미소구 조성물의 열수축
조성 식별 열수축 %
I 2.7
J 1.1

따라서 20 중량% 미소구가 섬유시멘트 조성물에 사용된 한 실시예에서, 미소구없는 조성물로 만들어진 당량의 제품과 비교해서 최종 제품의 열수축은 약 50 % 이하만큼 증가된다. 상기 서술된 것처럼, 미소구의 증가한 백분율과 함께, 미소구가 없는 제품과 비교해 미소구를 갖는 최종 제품이 낮은 열수축을 보이는 지점까지 열수축 백분율은 감소되며, 보다 선호적으로 약 10 %에서 약 70 %로 감소한다. 보다 상세히, 미소구를 갖는 제품의 열수축은 약 4 % 이하가 선호된다.
3. 제 3 실시예 - 미소구와 다른 첨가제들
본 발명의 제 3 실시예는 시멘트 셀룰로오스 섬유강화 건축재료에 화산회 및/또는 다른 저밀도 첨가제와 함께 중공세라믹 미소구를 첨가하는 것과 관계된다. 화산회와 중공세라믹 미소구에 관한 서술들은 각각 제 1 실시예와 제 2 실시예의 상세한 서술에서 찾아볼 수 있다. 미소구와 저밀도 첨가제의 혼합을 갖는 제 3 실시예는 제품이 개선된 수분 저항과 내구성을 갖는 낮은 범위의 밀도를 얻을 수 있는 FRC가 주어진 VA에 대한 제 1 실시예보다 더 선호될 수 있다. 그러나 독립적으로 추가된 미소구를 갖는 제 2 실시예는 독립적으로 추가된 미소구에 의해 제공된 최상의 내구성 때문에 이러한 제 3 실시예에 비해 선호될 수 있다. 제 3 실시예에 대한 제 2 실시예의 선호도는 특별한 적용에서 상대적으로 중요한 내구성에 달려있다.
제 1 실시예와 제 2 실시예와 유사한, 제 3 실시예의 선호된 조성물은 유압고착제, 골재, 섬유, 중공세라믹 미소구, 조밀도 첨가제 및 다른 첨가제들로 구성 된다. 제 3 실시예의 다양한 성분들은 제 1 실시예에서 각 성분들에 대해 전술된 표에 실린 어떠한 재료들을 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 제 3 실시예는 또한 제 1 실시예에서 표에 실리고 서술된 것처럼 많은 종래의 처리과정 및 가공 조건들에 의해 제조될 수 있다. 만약 적용할 수 있다면, 원료, 처리과정, 단계 또는 조건들에 대한 선호도는 제 1 실시예의 선호도와 유사하다.
미소구와 VA 및/또는 저밀도 첨가제의 혼합물은 특유한 적용(다시 말해서, 외장용 마감재(siding), 지붕재(roofing), 외장재(trim), 천정재(soffit), 바닥 타일을 위한 벽받침 판재(backerboard) 등)에 대한 최적 특성을 얻기 위해 상이한 비율의 유압고착제, 골재, 저밀도 첨가재와 다른 첨가제를 가진 다양한 건축물에 사용될 수 있다. 제 3 실시예의 한 선호된 구성은 약 5-80 중량%의 포틀랜드 시멘트, 약 0 중량%-80 중량%의 무수규산, 약 4.1 중량%-15 중량%의 셀룰로오스, 약 0 중량%-10 중량%의 첨가제와 약 2 중량%-60 중량%의 미소구 및 다른 통상적인 LDA를 포함할 수 있다. 미소구와 통상적 저밀도 첨가제를 혼합한 통상적인 조성물의 한 특수한 일례는 다음과 같다:
포틀랜드 시멘트(고착제) 28.7 중량%
무수규산(골재) 50.3 중량%
셀룰로오스(섬유) 7 중량%
금속 수산화물(첨가제) 4 중량%
미소구(LDA) 10 중량%
화산회(LDA) 5 중량%
미소구와 VA를 포함한 다른 LDA의 비율은 원하는 적용에 따라 다양해질 수 있는 것으로 생각될 것이다.
테스트 결과들
내구성과 저밀도
미소구와 VA 또는 저벌크밀도 규산칼슘수화물(calcium silicate hydrates, CSH), 발포폴리스티렌구슬(expanded polystyrene beads, EPS), 점토, 질석(vermiculite), 펄라이트(perlite), 셰일(shale)과 같은 다른 통상적인 저밀도 변성제를 혼합하는데 대한 몇몇 이점들이 있다. 한 가지 이점은 미소구들과 비교해, 저밀도의 VA와 다른 통상적인 LDA가 주어진 전체무게비율의 추가분(단지 미소구만)보다 낮은, 등가 또는 저밀도가 얻어질 수 있다는 점이다. 저비율 혼합물은 보다 경제적이며, 미소구들은 통상적인 무기물 밀도 변성제의 첨가와 관련된 수분팽창을 최소화한다. 미소구와 다른 통상적인 저밀도 첨가제 혼합의 다른 이점은 FRC 제품이 저밀도 범위를 얻을 수 있으며 취급을 위해 충분한 제품 강도를 지속시킬 수 있다는 점이다. 따라서 미소구와 다른 LDA 조합의 높은 부하 레벨(무게를 기초로 한 비율)은 통상적인 저밀도 첨가제가 치수안정성과 전반적인 내구성에 갖고 있는 부작용을 최소화 하면서 증가될 수 있다.
그러나 여기 기술된 모든 실시예들에 저밀도 첨가제를 추가하는 것은 시멘트 기반의 조성물에서 밀도를 낮추는 유일한 방법은 아니다. 섬유 또는 저밀도 첨가제 없는 시멘트와 골재로 구성된 조성물들은 통상적으로 약 1.8-2.1 g/㎤ 범위의 밀도를 갖는다. 시멘트 조성물에 섬유를 첨가하는 것은 섬유가 또한 강도 및 못질에 적합한 제품을 공급하는 점 외에도 밀도를 낮추기 때문에 유익하다. 약 4 중량% 이상의 섬유를 포함한 섬유시멘트 조성물의 밀도는 통상적으로 약 1.2에서 1.4 g/㎤ 범위이다. 약 4 중량% 또는 그 이하의 섬유를 갖는 FRC 조성물들은 설비를 위한 강도와 연성(ductility)을 갖지 못하는 것으로 알려져 왔다. 이러한 FRC 제품들은 종종 매우 잘 부서져서 설치되는 동안 못질이 균열 또는 파열(blowouts)을 발생시킨다. 선택적으로, 약 15 중량% 이상의 섬유 첨가제들은 몇몇 적용에서 바람직하지 않을 수도 있는데 그것은 FRC 조성물에서 섬유가 수분팽창, 증가된 투과율(permeability), 전반적인 내구성에 대한 절충(compromises)에 기여하기 때문이다.
따라서 섬유에 대한 적절한 균형(balance)은 FRC 제품에 유리하게 결정되어야만 하는데 그것은 특정한 제품의 두께와 형태에 종속되기 때문이다. 한 실시예에서, 섬유 비율은 약 4.1 중량%에서 15 중량%가 선호된다. 저밀도 첨가제들은 추가된 섬유에서 밀도를 추가로 감소시키기 위해 FRC 조성물에 첨가된다. 그러나 일반적으로, LDA를 높은 비율로 추가시킬수록 FRC 제품의 강도가 낮아진다. 그러므로 LDA의 첨가는 제한되는데 그것은 FRC 제품이 취급 및 설치에 충분한 최소한의 강도를 유지하는 것이 선호되어야 하기 때문이다. 최대한의 LDA 첨가는 LDA, 특수 LDA의 부하 수준, 특정 FRC 제품의 형태와 같은 다수의 요인들에 따라 다르다. 요구되는 최소한의 강도도 또한 FRC 제품의 형태 및 두께에 달려있다. 도 4는 10"x 10"(0.25 m x 0.25 m)의 필터가 압축된 모형보드의 밀도와 강도에 대한 중량% 미소구 추가분에 대한 통상적인 관계를 나타낸다.
표 15-17은 하기에 FRC 조성물과 10"x 10"(0.25 m x 0.25 m)의 필터가 압축된 모형보드의 테스트 결과들을 도시하며, 보다 상세히, 저밀도 범위를 얻고 내구성을 개선시키기 위해 다른 저밀도 첨가제들을 갖는 미소구들을 혼합하는 이점들을 설명한다.
표 15 - 표 16과 표 17에 대한 조성물
조성식별 포틀랜드 시멘트 무수규산 셀룰로오스 금속 수산화물 미소구 저벌크밀도 CSH
유압고착제 골재 섬유 첨가제 LDA LDA
B 28.7 60.3 7.0 4.0
G 28.7 50.3 7.0 4.0 10.0
M 28.0 49.0 7.0 4.0 12.0
N 28.4 49.6 7.0 4.0 6.0 5.0
O 28.7 51.3 7.0 4.0 6.0 3.0

표 16은 12 중량%의 미소구를 갖는 조성물 M의 밀도와 9 중량%의 미소구 및 저벌크밀도 CSH의 혼합을 갖는 조성물 O, 그리고 저밀도 첨가제가 없는 대조표준을 비교한다. 조성물 O에서 사용된 저벌크밀도 CSH는 토보모라이트 형태(tobermorite form)에서 실질적으로 CSH인 저벌크밀도 재료를 생기게 하는 무수규산, 석회 및 물을 포함한 공정을 이용한 제임스 하디(James Hardie)에 의해 생산된다. 또한 세부사항들은 1998년 4월 9일에 제출된 미국 특허신청 번호 제 09/058,444호에 기술되어 있으며, 이에 의해 전체가 참조에 의해 구체화된다. 대조표준에 관해, 조성물 M과 O에 대한 밀도에서의 감소는 분명히 상이하나, 혼합물(조성물 O)을 갖는 저밀도 첨가제의 전체 첨가는 단지 미소구만을 갖는 조성물 M보다 3 중량% 낮다. 조성물 M과 O에 대해서 유압고착제와 골재의 중량%의 미묘한 상이점들은 밀도특성에 영향을 미치지 않는다.
표 16 - 밀도 비교
조성식별 종류 O.D.밀도 (g/㎤)
B 대조표준-無LDA 1.31
M1 12중량% 미소구 1.09
O1 6중량% 미소구 3중량% 저벌크밀도 CSH 1.11
1 조성물 M과 O에서 LDA의 비율은 조성물 B, LDA가 없는 대조표준에서 동일한 비율의 골재를 대체함.
표 17은 하기에 다양한 저밀도 첨가제와 저밀도 첨가제 없는 대조표준의 추가에 대해서만 주로 상위함을 포함하는 네 가지 조성물을 갖는 10"x 10"(0.25 m x 0.25 m)의 필터가 압축된 모형보드의 테스트 결과들을 나타낸다. 결과들은 12 중량%의 미소구를 갖는 조성물 M이 1.35 g/㎤에서 1.16g/㎤로 대조표준의 값으로부터 밀도를 감소시키지만 11 중량%의 추가 미소구/저벌크밀도 CSH(셀라이트사의 실라조브) 혼합물을 갖는 조성물 N이 또한 1.10 g/㎤로 밀도를 낮춘다는 것을 보여준다. 또한 11 중량%의 미소구/저벌크밀도 CSH 혼합물을 갖는 조성물 N과 저밀도 첨가제 없는 대조구에 대한 수분팽창은 0.167과 0.163 %에서 비교적 크게 상이하지 않다. 비교적, 10 중량%의 저벌크밀도 CSH를 갖는 조성물 G는 조성물 N의 11 중량% 혼합물로서 대체로 동일한 밀도를 제공하지만, 0.197 %의 현저한 고 수분팽창을 갖는다. 조성물들에서 유압고착제와 골재의 미묘한 중량% 상이점들은 밀도 또는 수분팽창 특성에 영향을 미치지 않는다.
표 17 - 수분팽창 비교
조성식별 종류 O.D.밀도 (g/㎤) 수분팽창 %
B LDA 없는 대조표준 1.35 0.163±0.02
M 12 중량% 미소구 1.16 0.156±0.02
B 6 중량% 미소구 5 중량% 저벌크밀도 CSH 1.10 0.167±0.02
G 10 중량% 저벌크밀도 CSH 1.12 0.197±0.02
1 조성물 M, N과 G에서 LDA의 비율은 조성물 B, LDA가 없는 대조표준에서 골재를 대체함.
대개 본 발명의 선호된 실시예들, 보다 상세히, 화산회 첨가제를 포함한 섬유강화 건축재료, 중공세라믹 미소구 또는 미소구들의 혼합, 화산회 및/또는 다른 첨가제들은 선행기술을 넘어선 몇몇 이점들을 갖고 있다. 이러한 재료들은 종래의 섬유시멘트 건축재료들과 비교해 저밀도이며, 이러한 점은 두꺼운 제품(예를 들면 9.5 mm에서 25.4 mm)의 제작을 가볍게 하며 그 결과로 처리, 절삭, 못질 및 설치를 용이하게 한다.
재료들은 또한 개선된 습건식 치수안정성을 가지며 건축재료의 내구성은 건축 패널들이 과도하게 수축되거나 균열되지 않을 정도로 개선된다. 또한 습도 또는 습윤한 계절에서 건조한 계절로 변화가 있은 후에 패널 또는 플랭크 사이에서 과도한 틈(gap)이 발생하지 않는다.
적어도 조성물과 중공세라믹 미소구를 혼합한 건축물에 관해서, 재료의 동결-해동 저항은 대부분의 무기물 밀도수정된 섬유시멘트 재료와는 달리 저밀도에 서 유지된다. 이점이 빈번한 동결과 해동 조건을 겪는 기후에서 이러한 재료에 우수한 내구성을 제공한다.
미소구를 혼합한 이러한 재료들은 통상적인 저밀도 첨가제들에 비해 개선된 열 치수안정성 때문에 개선된 불내성을 갖는다. 따라서 재료가 균열, 붕괴와 급속한 화재의 번짐이 없이 화재에 대한 방어물을 유지할 정도의 건축재료로서 건물화재에 안정적이다.
선호된 실시예들은 건축 패널(내부 및 외부), 타일 벽받침 판재(벽재 및 바닥재), 외장용 마감재, 지붕재, 외장재, 지붕재, 울타리 및 널재(decking)에만 제한되지 않고, 많은 건축물에 적용될 수 있다. 도시되고 서술된 상기 실시예들은 단지 본 발명의 임의적 실시예만을 제공한다. 당해업자는 본 발명의 참뜻과 범위를 벗어나지 않고 여기 제시된 실시예들에 다양한 변화와 수정을 가할 수 있다.

Claims (68)

  1. 다음을 포함하는, 건축재료를 형성하는데 사용되는 시멘트 건축재료 조성물;
    유압고착제;
    골재;
    조성물 무게의 4 중량% 초과 15중량% 이하의 셀룰로오스 섬유; 및
    화산회, 중공 세라믹 미소구, 규산칼슘 수화물 및 이들의 조합에서 선택되며, 시멘트 건축재료 조성물의 밀도를 0 초과 1.2 g/㎤ 이하로 낮추고 시멘트 건축재료 조성물의 수분팽창을 0 초과 0.17 % 이하 레벨로 유지하기 위해 선택되는, 저밀도 첨가제.
  2. 제 1항에 있어서, 건축재료의 밀도가 0.5에서 1.2 g/㎤인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 건축재료의 밀도가 0.9에서 1.1 g/㎤인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 저밀도 첨가제의 중앙입자크기가 20 내지 120 ㎛ 임을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 저밀도 첨가제가 화산회인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  6. 제 5항에 있어서, 2에서 50 중량%의 화산회를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  7. 제 5항에 있어서, 화산회가 발포화산회인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  8. 제 7항에 있어서, 발포화산회가 32-400 kg/m3의 저벌크밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  9. 제 7항에 있어서, 발포화산회가 20에서 100미크론 범위의 중앙입자크기를 갖는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  10. 제 1항에 있어서, 저밀도 첨가제가 중공세라믹 미소구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  11. 제 10항에 있어서, 2 중량% 이상 12 중량% 미만의 중공세라믹 미소구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  12. 제 10항에 있어서, 5 중량% 이상 12 중량% 미만의 미소구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  13. 제 10항에 있어서, 미소구가 공구(cenospheres)인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  14. 제 10항에 있어서, 저밀도 첨가제가 중공세라믹 미소구 외에도 제 2 저밀도 첨가제를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  15. 제 14항에 있어서, 제 2 저밀도 첨가제가 화산회인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  16. 제 14항에 있어서, 제 2 저밀도 첨가제가 규산칼슘수화물인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  17. 제 16항에 있어서, 제 2 저밀도 첨가제가 0 중량% 초과 30 중량%이하의 규산칼슘수화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  18. 제 1항에 있어서, 4.1 중량% 내지 15 중량%의 셀룰로오스 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  19. 제 1항에 있어서, 유압고착제가 포틀랜드 시멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  20. 제 19항에 있어서, 5 중량%에서 80 중량%의 포틀랜드 시멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  21. 제 1항에 있어서, 골재가 무수규산 골재(silica aggregate)인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  22. 제 1항에 있어서, 골재가 조성물의 0 중량% 초과 80 중량%이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
  23. 제 1항에 있어서, 건축재료가 벽받침판재(backerboard)인 것을 특징으로 하는 시멘트 건축재료 조성물.
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