KR101914963B1 - 명목상 투여량-반응 프로파일을 기본으로 하여 콘크리트 레올로지를 조절하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물 및 수화 수준, 혼합 성분, 온도, 습도, 골재 성분 및 기타와 같은 변수의 룩업 테이블에 입력이나 상담을 필요로 하기보다는 하중 크기 및 먼저 선택된 표적 레올로지 값만을 필요로 하는 콘크리트 레올로지를 조절하는 방법에 관한 것이다. 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 투여량은 명목상 투여량 반응("NDR") 곡선 또는 프로파일을 참조하여 산출된 명목상 투여량의 퍼센트를 기본으로 하여 산출된다. 상기 NDR 프로파일은 레올로지 값(예컨대, 슬럼프, 슬럼프 유동, 일드 스트레스)과 레올로지 값을 1 단위(예컨대 2에서 3 인치로 슬럼프 변화) 변화시키는데 필요한 레올로지 변형제(들) 투여량 사이의 상관 관계를 기본으로 하므로, 예시적 방법은 상기 NDR과 상기 시스템에 의해 측정된 편차를 기본으로한 보정 투여량을 적용할 수 있다.
Description
본 출원은 그 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함된, 2010년 6월 23일 출원된 미국 특허출원 번호 12/821,451호를 우선권 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 콘크리트의 제조, 더욱 특히 명목상 투여량 반응 프로파일(nominal dosage response profile)을 참조하여 산출된 레올로지 변형제(rheology modifying agent)의 증분 투여량을 통하여 레디-믹스(ready-mix) 트럭 또는 정지상 혼합기(stationary mixer) 중의 콘크리트의 레올로지 특성을 조절하는 방법에 관한 것이다.
수압을 측정하는 것에 의해 드럼에 인가된 토르크를 모니터링하는 것과 같이 혼합 드럼을 회전시키는데 필요한 에너지를 모니터링하기 위한 센서를 사용하는 것에 의해 레디-믹스 수송 트럭에서 콘크리트의 "슬럼프(slump)" 또는 유동특성을 조절하는 것이 알려져 있다(참조: 예컨대, 미국 특허 4,008,093호, 동 제5,713,663호).
혼합 드럼 회전을 모니터링하기 위해서는 예를 들어 유압 드라이브에 커플링된 유압 센서 및/또는 회전 속도 센서가 이용될 수 있다. 콘크리트 슬럼프의 모니터링은 콘크리트 믹스를 함유하는 혼합 트럭 상의 유압 센서 및/또는 전기 센서로부터 얻은 출력값을 측량해서 이들을 표준 슬럼프 콘 시험(standard slump cone test)을 이용하여 얻어진 슬럼프 값(slump value)과 상호비교하는 것을 포함한다. 표준 슬럼프 콘 시험에서, 새로운 콘크리트를 함유하는 12-인치 면처리된 콘(truncated cone)을 제거하여 콘크리트가 강하하게 하여 콘크리트의 수직 강하 높이를 측정한다(예컨대 ASTM C143-05). 공지된 슬럼프 값을 갖는 콘크리트를 드럼 혼합기에 부가하여 센서로로부터 출력으로 얻은 유압값 또는 전기값을 메모리 위치에 저장한 다음 컴퓨터 처리유닛(CPU)에 의해 상호관련시킨다.
콘크리트를 소비자에게 전달하는 동안, 콘크리트는 수화, 증발 및 기타 인자의 결과로서 시간 경과에 따라 굳으며, 센서들은 혼합 드럼을 회전하는데 필요한 유압 또는 전기 에너지값 증가로서 이것을 검출한다. 온-보드(on-board) CPU는 센서 또는 센서들로부터 얻은 검출된 에너지값을 비교하고 또 이것을 메모리에 저장된 값과 비교한다. 센서와 CPU가 콘크리트가 굳기 시작하고 있음을 검출하면, CPU는 측량 또는 펌핑 장치 활성화를 유발하여 물 또는 기타 액체(예컨대, 화학적 분산제)를 콘크리트에 주입하여 소망하는 값으로 슬럼프를 회복하게 할 수 있다.
물 또는 화학 혼화제(chemical admixture)를 콘크리트에 효과적인 방식으로 부가하는, 또는 다시 말해, 표적 레올로지 값을 달성하는데 필요한 정확한 양의 혼화제를 부가하면서도 투여 실패 또는 긴 시행착오를 피하는 능력을 얻는 것이 오랫동안 요망되고 있다. 아주 복잡한 센서 및 CPU가 사용될 수 있기 때문에, 정확하고 효과적인 방법이 반드시 얻어질 것이라는 가정이 있었다. 그러나, 종래 기술의 시멘트 혼합 시스템은 이들의 혁신적인 복잡한 하드웨어에도 불구하고, 이들이 제어할 혼합물에서 변동을 겪기 쉽다.
잰드베르그 등에게 허여된 US 5,713,663호는 슬럼프 판독치는 인-라인 CPU에 정보를 입력하는 것에 의해 레디-믹스 트럭에서 모니터링될 수 있고 또 상기 정보는 뱃치 물의 양, 미립자 물질 성분의 양, 모래 수분 함량, 시간, "명목상" 슬럼프 및 기타 인자를 포함한다고 개시하였다(참조: 칼럼 8, 3-14행). 그러나, 잰드베르그 등은 이들 인자의 어떤 것이 포함되는지 또는 이들이 어떻게 측량되는지에 대해 구체적으로 설명하지 않았다. 상기 특허는 이러한 정보가 메모리에 저장될 수 있어서 CPU가 입력된 정보로부터 소망하는 슬럼프에 도달하는데 필요한 소망하는 액체 성분을 산출할 수 있다고 개시한다. 또한 소망하는 액체 성분은 "예비-산출"될 수 있고 또 다른 정보와 함께 CPU에 로딩될 수 있다고 설명하였다(컬럼 8, 15-22행). 상기 특허는 또한 상기 메모리가 "가능한 믹스 범위"에 관련된 "룩업 테이블(look-up table)"을 저장하고 있어 "특정 믹스 유형과 특정 슬럼프 값 및 혼합 성분의 특정 양의 경우, 상기 시스템은 센서에 의한 측정된 값을 믹스에 대한 공지 값에 대해 비교하여 부가될 액체 성분을 수동으로 또는 자동으로 조절하도록 한다"(컬럼 8, 29-36행)고 언급하고 있다.
콘크리트 믹스가 전달되기보다는 되돌아가는 것을 필요로 하는 "액체 성분의 과도한 공급없이 혼합을 최대화"할 수 있는 것이 발명의 목적이라고 되풀이하고 있음에도 불구하고, 잰드베르그 등은 어떤 인자가 "룩업" 테이블에 포함되는지에 대해 특정하지 않았다. 이들은 또한 투여될 액체 성분의 투여량을 산출하는 정확한 방법에 대해서도 언급하지 않았다.
유사하게, 하이네스 등에게 허여된 미국특허 6,042,258호 및 6,042,259호(MBT Holding/BASF)는 철야로, 동일 날에(전달되는) 또는 오랜 여정의 작동을 위해 콘크리트를 안정화하기 위한 혼화제 분배 시스템을 개시하였다. 이들 모드 각각에서, 혼화제 투여량은 컴퓨터 접근가능한 메모리 내에 위치한 "내부 차트"를 기본으로 하여 산출하였다(참조: 예컨대, 미국특허 6,042,258호 컬럼 9, 4-30행; 컬럼 9, 42-52행; 컬럼 10, 7-20행; 및 또한 128, 138 및 148에서의 도 2A). 그러나, 이러한 내부 차트 또는 테이블에 포함시키는데 필요한 "변수" 또는 조건의 수는 더 광범위한 것으로 보인다. 이들 변수는 혼합기 중의 콘크리트의 양, 그의 온도, 콘크리트 중의 시멘트의 유형, 콘크리트가 전달 트럭에서 수송되는 시간의 양, 필요한 물의 양, 및 다른 인자를 포함한다. 뱃치맨(batchman) 또는 운전자는 컴퓨터에 입력하기 위해 선택한 데이터에 따라서 자신의 특이적인 차트 또는 룩업 테이블을 생성할 수 있고, 또 소프트웨어 제공자는 운전자 또는 뱃치맨이 "데이터 차트 또는 룩업 테이블에서 고려되지 않은 인자에 대한 투여량 값을 보정하도록" 수정을 가할 수 있음도 제시되었다(참조: 예컨대 US 6,042,258호, 컬럼 9-10행; 참조: US 6,042,259호 컬럼 9-10). 또한, 혼화제를 부가하는 목적이 슬럼프 또는 다른 레올로지 값을 조절하기 보다는 시멘트 수화를 조절하기 위한 것음이 강조되어야 한다.
소스타릭 등에 의한 미국 특허 공개 2009/0037026호(RS Solutions LLC)는 물 또는 화학첨가제를 사용하는 레디-믹스 수송 차량에서 콘크리트를 조절하기 위한 시스템을 개시하였다. 이 시스템은 다양한 변수: 예컨대 온도, 압력, 회전(속도, 에너지), 및 슬럼프 산출을 위한 경사/가속(tilt/acceleration) 검출과 같은 다양한 변수를 검출하기 위한 센서를 포함한다(참조: 예컨대, 도 4C; 단락 0071-0072). 예를 들어, 상기 시스템은 하중(load) 온도뿐만 아니라 혼합 드럼의 표면(skin) 온도를 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 "가속/감속/경사"를 측정하기 위한 센서도 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 습도 및 기압(barometric pressure)과 같은 진동 및 환경적 변수를 측정하기 위한 센서도 포함한다.(참조: 단락 0132). 또한, 상기 시스템은 상기 시스템에 의해 사용된 센서의 측정된 출력값을 기초로 하여 물 또는 다른 혼화제를 자동적으로 부가할 것이다.
시멘트를 건설 작업장으로 전달하는 동안 시멘트의 다양한 특징을 측정하기 위해 이용되는 증가된 개수의 센서에 의해 제시되는 바와 같이, 증가일로에 있는 개수의 변수를 측정하기 위한 기술적 복잡성 증가에도 불구하고, 본 발명자들은 종래 기술의 현재 상태가 어떤 변수가 고려되어야 하고 또 룩업 테이블에 포함되어야 하는지 또는 어떤 변수가 혼화제 투여량을 결정하는데 가장 중요한지에 대한 명확한 지침을 제공하지는 않는다고 보고 있다.
콘크리트에 제공할 화학 혼화제의 정확하고 효과적인 투여량을 정하는 것은, 레올로지에 대한 부가된 화학 혼화제의 효과가 레올로지에 대한 물의 효과에 비하여 콘크리트 성분의 비율(예컨대 물 대 시멘트 비율), 특징(예컨대 시멘트 분말도), 및 조건(예컨대 온도) 및 하중 이력(노화(에이징), 온도 프로파일, 등)에 의해 훨씬 더 현저하게 변경되는 사실로 인하여 다소 여려운 것으로 보인다. 이들 인자는 하루, 일주, 일개월 등과 같은 시간 경과에 따라 뱃치화된 상이한 하중의 콘크리트의 경과에 따라 변경되는 경향이 있다. 예를 들어, 콘크리트 온도는 주위 온도가 증가하는 낮 동안 각 뱃치에 대해서도 증가할 것이다. 상이한 시멘트 전달은 화학 및 분말도에서 변화할 것이다.
슬럼프를 단지 조절하기 보다는, 콘크리트의 다른 유동 특성을 조절하는 것이 바람직할 것이다. 레올로지는 물질의 유동과 변형에 관한 과학을 다룬다. 콘크리트의 레올로지는 다른 인자 중에서도 슬럼프, 슬럼프 유동(slump flow), 일드 스트레스(yield stress), 플라스틱 점도, 겉보기 점도, 요변성(thixotropy) 또는 유동 테이블 시험(flow table test) 측면에서 정의될 수 있다. 따라서 본 발명의 목적은 하나 이상의 콘크리트 레올로지 변수를 조절하기 위한 화학 혼화제의 적합한 투여량을 선택하는 것이다.
상술한 측면에서, 본 발명자들은 혼합 드럼 및 다른 혼합 장치에서 콘크리트 레올로지 특성을 조절하기 위한 신규 방법이 필요하고, 현재 실시되는 방법에 비하여 더욱 효과적이고 사용하기 편리한 방법이 필요하다고 믿고 있다.
발명의 요약
콘크리트 믹스에서 투여량 정확성을 달성하고 과투여를 피하려는 종래 기술의 방법의 증가하는 기술적 복잡성과 단점을 극복함에 있어서, 본 발명은 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제 조합의 투여량이 명목 투여량 반응("NDR") 프로파일을 이용하여 산출되며, 놀랍게도 변수의 룩업 테이블에 시간 소모적 편성을 필요로 하지 않아서 각 뱃치 제조 및 전달 개시시에 다수의 변수의 입력을 필요로 하지 않는 방법을 제공한다.
투여량 반응 곡선은 레올로지 변형제의 효과에 의해 변형되는 콘크리트의 레올로지, 강도 또는 일부 다른 특징에 대한 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제 조합물(물, 혼화제 또는 그의 조합)의 투여량과 관련된다. 투여량 반응 곡선은 명료성과 편의성을 위해, 또 CPU 프로그래밍의 용이성을 위해 다수의 형태 중의 하나로 대표될 수 있다. 예를 들어, 슬럼프를 변형하는 화학 혼화제에 대한 투여량 반응 곡선은 콘크리트의 슬럼프를 위해 투여된 투여량 함수로서 화학 혼화제의 투여량(예를 들어, 1인치 슬럼프 변화시키는데 필요한 혼화제 투여량)으로 표시될 수 있다. 다르게는, 1개 증분 단위로 슬럼프를 변화시키는데 필요한 화학 혼화제 투여량 변화로서 나타낼 수 있다.
특정 세트 조건하에서 소정 세트의 물질에 대한 투여량 반응 곡선을 확립하는 것이 일반적이며, 이는 콘크리트 제조하는 동안 적합한 투여량 선택을 위해 나중에 이용될 수 있다. 이 곡선은 이후 명목상 투여량 반응("NDR") 곡선이라 칭할 것이다. 상기 투여량 반응 곡선은 다수의 변수(물질 특성, 온도 등)의 함수이기 때문에, 모든 관련 변수를 고려한 투여량 반응 곡선을 작성하고, 룩업 테이블 등을 이용하여 CPU를 프로그램하며, 모든 관련 변수를 측정하고, 또 소망하는 반응을 달성하기 위한 레올로지 변형제(예컨대 화학 혼화제)의 정확한 투여량을 선택하는 것은 터무니없이 복잡할 것이다. 본 발명의 목적은 이들 변수를 명확하게 고려할 필요없이 변화되는 외부 변수를 만족하도록 명목상 투여량 반응 곡선을 효과적으로 또 정확하게 업데이트하는 수단을 제공하는 것이다. 따라서, 명목상 투여량 반응 곡선이 생성된 다음 적응형 제어 방법(adaptive control methodology)에 의해 조절된다.
본 발명은 상이한 변수(예컨대, 온도, 혼합 설계, 물 수준, 수화 수준, 습도, 상이한 트럭)를 갖는 콘크리트 믹스가 진폭에서 다양한 "투여량 반응" 프로파일을 나타내지만, 이들의 투여량 반응 곡선이 교차하지 않는 점에서 유사한 특징을 갖는다는 놀라운 발견으로부터 생긴 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 "투여량 반응" 개념은 투여량의 함수로서 레올로지(슬럼프, 슬럼프 유동, 또는 일드(yield) 스트레스)에 대한 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 효과를 의미하고 지칭한다.
이러한 예상치 못한 투여량 반응 특징은 도 1에 도시되어 있고, 폴리카복실레이트 시멘트 분산제 혼화제와 같은 레올로지 변형제가 부가되는 상이한 콘크리트 믹스는 비슷한 투여량 반응 곡선을 나타내고, 슬럼프는 슬럼프를 1단위(2에서 3인치 슬럼프로, 또 3에서 4 인치 슬럼프, 등과 같이) 변경하는데 필요한 투여량(콘크리트 입방 야드 당 혼화제의 온스)의 함수로서 나타낸다. 명목상 투여량 반응("NDR") 프로파일의 계산은 기본적으로 도 2에 도시되며, 적어도 2개의 프로파일 곡선(편의상 "최대 투여량" 및 "최소 투여량"으로 표시함)이 1개의 NDR 프로파일을 제공하는 것으로 보인다.
투여량 반응 곡선(도 1)의 비-교차성 특징의 중요성은 본 발명자들로 하여금, 적어도 2개의 곡선이 바람직하고(예컨대, 도 2) 또 복수의 곡선(예컨대 도 1)을 사용하는 것이 정확성 측면에서 더욱 바람직하긴 하지만, 오직 1개 데이터 세트로부터 얻은 1개 곡선을 기본으로 한 NDR 프로파일을 사용하는 것을 통하여 콘크리트 레올로지를 조절할 수 있다는 현실적 자각을 초래하며, 상기 NDR 프로파일 오직 1개의 변수 -즉, 실제 혼화제 성능 및 명목상 투여량 반응 곡선에 의해 예상된 값의 비율을 측량하는 것에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 적응형 제어 방법은 실제 혼화제 성능을 기본으로 한 명목상 투여량 반응 곡선을 업데이트하는 것을 달성하였다. 혼화제의 각 투여량은 동일 하중의 콘크리트에 이전 부가량의 혼화제로부터 스케일링 인자(scaling factor)에 의해 조절된 명목상 투여량 반응 곡선을 이용하여 선택된다. 따라서, 선택된 투여량은 이들 변수에 대한 명확성을 측정하고 조절할 필요없이 콘크리트 하중과 관련된 실제 조건으로 조정된다. 이러한 경우에서, 하나의 하중에서 혼화제의 제2 투여량 및 이후의 각 투여량은 제1 투여량에 비하여 현저하게 더 정확할 것이다. 이는 콘크리트 하중에서 혼화제의 이전 성능이 고려되지 않는 긴 시행착오 과정을 제거한다.
이전의 하중으로부터 얻은 혼화제 성능 데이터를 기본으로 한 명목상 투여량 반응 곡선은 더욱 조절할 수 있을 것이다.
종래 기술 방법은 콘크리트 믹스의 실험적 특징이 물 또는 화학 혼화제의 사용에 의해 보상될 수 있음을 제시하였으나, 지금까지 이러한 보상이 어떻게 되는 것인지에 대해서는 시사되거나 또는 예시된 바 없다. 본 발명의 놀라운 관점은 콘크리트 믹스의 레올로지가 컴퓨터 프로세서 유닛(CPU)에 콘크리트의 양(하중 크기) 및 표적 레올로지 값(예컨대, 슬럼프, 슬럼프 유동, 또는 일드 스트레스) 만을 입력하고, 또 실제의 레올로지를 NDR과 비교하며, 실제 레올로지를 표적 레올로지로 변경하는데 필요한(이론적으로) 화학 혼화제의 명목상 투여량 퍼센트를 부가하고, 레올로지에서 생긴 변화를 측정하며 또 이를 퍼센트 명목상 투여량을 사용하여 이론적으로 얻은 NDR 값과 비교한 다음 제1의 퍼센트 부가의 결과로서 측정된 편차를 고려한 투여량을 부가하는 것에 의해 레올로지를 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명은 온도, 혼합 설계, 습도, 및 기타 인자와 같은 다수 변수를 고려할 필요없이 방법에 혼입될 "학습" 단계를 고려한다.
따라서, 시멘트질 조성물을 함유하는 혼합기를 동작하는데 필요한 에너지를 측정하여 명목상 레올로지 값과 관련시키고 또 레올로지 변형제를 시멘트질 조성물에 부가하여 그의 레올로지를 변형하는, 혼합기에서 수화성 시멘트질 조성물의 레올로지를 제어하는 본 발명의 예시적 방법은 다음을 포함한다:
(a) 컴퓨터 프로세서 유닛("CPU")에 표적 레올로지 값("TRV": Target Rheologoy Value) 및 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을 함유하거나 또는 함유하려 하는 수화성 시멘트질 조성물에 대한 하중 크기를 입력하고; 및
(b) 혼합기 내에 함유된 수화성 시멘트질 조성물의 현재 레올로지 값("CRV": Current Rheology Value)을 얻고;
(c) 단계(b)에서 얻어진 현재의 레올로지 값을 CPU-접근가능한 메모리에 저장된 명목상 투여량 반응("NDR": Nominal Dosage Response) 프로파일에 대하여 CPU를 이용하여 비교하며, 이때 상기 NDR은 적어도 하나의 데이터 세트를 기본으로 하며, 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 다양한 투여량, 및 레올로지 값(슬럼프, 슬럼프 유동, 또는 일드 스트레스)에 대한 이들의 관련 효과는 검색가능하게(retrievably) 저장되며, 또
얻어진 CRV를 단계 "(a)"에서 규정된 TRV로 변경하는데 필요한 상기 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 명목상 투여량을 결정하며;
(d) 얻어진 CRV를 단계 "(a)"에서 규정된 TRV로 변경하는데 필요한 단계(c)에서 결정된 명목상 투여량을 기본으로 하여 5% 내지 99%로 선택되거나 또는 예비선택된 상기 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 퍼센트를 혼합기 중의 수화성 시멘트질 조성물에 투여하고;
(e) 단계(d)에서 선택되거나 또는 예비선택된 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 명목상 투여량의 퍼센트를 부가하여 상기 수화성 시멘트질 조성물과 균일하게 혼합한 후 수화성 시멘트질 조성물의 후속 CRV를 얻고;
단계(d)에서 선택되거나 또는 예비선택된 투여량을 단계(b) 내지 단계(e)로부터 레올로지값에서 동일 변화에 대한 NDR 프로파일에 따른 투여량과 비교하며, 또 NDR 프로파일로부터의 투여량을 조절하기 위하여 스케일링 인자("SF")를 결정하며, 이때 SF는 NDR 프로파일로 표시되는 레올로지값에서 동일 변화를 달성하기 위한 명목상 투여량으로 나뉘어진 단계(d)로부터 얻은 실제 투여량으로서 정의되며;또
(f) 상기 수화성 시멘트질 조성물에 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을, 단계(e)에서 측정된 현재의 CRV를 단계(a)에서 특정된 TRV로 전환하는 것으로 표시된 NDR 프로파일로부터 얻은 투여량과 곱해진 SF 면에서 산출된 양으로 혼합하는 것을 포함한다.
슬럼프와 같은 표적 레올로지 값이 상술한 단계의 완료시에 달성되지 않으면(온도 및 습도 변화와 같은 다수의 인자에 기인할 수 있음), 공정 단계(e) 및 (f)를 필요에 따라 반복할 수 있다. 또한, 콘크리트 레올로지는 시간 경과에 따라 변한다. 레올로지값이 특정 양 만큼 감소할 때 마다, 레올로지 변형제(예컨대 화학 혼화제)를 부가하여 레올로지 값을 회복한다. 레올로지 값을 조절하기 위하여 단계(e) 내지 (f)가 반복될 수 있다.
본 발명의 바람직한 방법에서, NDR 프로파일은 적어도 2개의 투여량 반응 곡선 값의 평균을 기초로 하여 산출하며(참조: 예컨대, 도 2), 또, 더욱 바람직하게는, 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을 시험하는 것으로부터 얻은 복수의 투여량 반응 곡선 값의 평균을 기초로 하여 산출한다(참조: 예컨대, 도 3).
다른 예시적 실시양태에서, 상기 시스템 CPU는 학습모드를 상정하도록 프로그래밍될 수 있으며, 그에 의해 뱃치 이력이 NDR 프로파일에 혼입된 다음 CPU-접근가능한 메모리에 저장되며, 및/또는 상기 스케일링 인자는 다시 정의되어 투여량이 더욱 정확하게 될 수 있다. 다시 말해, 콘크리트 믹스 수송 작업 동안 투여된 레올로지 변형제의 투여량에 의한 레올로지값 변화는 명목상 투여량 반응(NDR) 곡선 또는 스케일링 인자에 혼입되고, 그에 의해 상기 NDR 곡선 또는 스케일링 인자(SF)가 변형되며; 또 후속 콘크리트 믹스 수송 작업 또는 작업들에서 레올로지 값 변화는 상기 변형된 NDR 곡선 또는 변형된 SF를 기본으로 하여 실시된다.
예시적 레올로지 변형제는 물, 혼화제(예컨대, 폴리카복실레이트 감수제, 나프탈렌 설포네이트 포름알데히드 축합물질 감수제, 멜라민 설포네이트 포름알데히드 축합물질 감수제, 리그노설포네이트 감수제, 또는 웰란 검 또는 셀룰로오스 유도체와 같은 히드로콜로이드 점도 변성 혼화제), 또는 그의 혼합물을 포함한다. 콘크리트 분야에서 초가소제(또는 소위 고범위 감수제)로서 흔히 사용되는 폴리카복실레이트 시멘트 분산제와 같은 혼화제가 바람직하다. 명목상 투여량 반응(NDR) 프로파일을 생성하기 위하여 이전에 시험되었던 것과 동일한 레올로지-변형제 또는 레올로지 변형제의 조합이 사용되는 한, 콘크리트 믹스 설계, 물 또는 시멘트의 양 또는 물/시멘트 비율, 골재 선택 또는 조성물, 수화 정도와 같은 다른 변수는 CPU에 반드시 입력될 필요는 없고 또 임의적이다. 점도 변성 혼화제는 주로 콘크리트의 점도에 영향을 주는 반면에, 다른 특성에 대해서는 비교적 영향이 적다.
본 발명의 다른 이점과 특징은 이후에 기재될 수 있다.
본 발명의 다른 이점과 특징은 바람직한 실시양태의 하기한 상세한 설명을 첨부한 도면과 함께 조합하면 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 다양한 콘크리트 믹스의 복수의 투여량 반응 곡선(프로파일)의 그래프를 도시하고, 특정 레올로지 변형제(예컨대, 폴리카복실레이트 감수제와 같은 혼화제)의 효과는 수평축을 따라 나타낸 바와 같이, 콘크리트의 슬럼프가 레올로지 변형제의 투여량에 대하여 측정될 때 측정되며, 입방 야드당 온스로 측정된 그의 양은 수직축을 따라 도시된 바와 같이 1개 단위당 콘크리트의 슬럼프가 감소되는 것이 요구된다;
도 2는 특정 레올로지 변형제의 적어도 2개의 투여량 반응 곡선(표시를 위해 최소 및 최대로 표시됨)을 이용하여 평균 투여량 반응 프로파일을 산출하는 다른 그래프를 도시하며, 콘크리트 믹스 레올로지에 대하여 자동 제어를 위한 본 발명의 예시적 방법에 사용된 명목상 투여량 반응 프로파일로서 작용할 수 있다; 또
도 3는 본 발명의 예시적 방법이 사용될 때 실제 슬럼프 변화에 대하여 이론적 (또는 명목상) 슬럼프 변화가 플러팅된 그래프를 도시한다.
도 1은 다양한 콘크리트 믹스의 복수의 투여량 반응 곡선(프로파일)의 그래프를 도시하고, 특정 레올로지 변형제(예컨대, 폴리카복실레이트 감수제와 같은 혼화제)의 효과는 수평축을 따라 나타낸 바와 같이, 콘크리트의 슬럼프가 레올로지 변형제의 투여량에 대하여 측정될 때 측정되며, 입방 야드당 온스로 측정된 그의 양은 수직축을 따라 도시된 바와 같이 1개 단위당 콘크리트의 슬럼프가 감소되는 것이 요구된다;
도 2는 특정 레올로지 변형제의 적어도 2개의 투여량 반응 곡선(표시를 위해 최소 및 최대로 표시됨)을 이용하여 평균 투여량 반응 프로파일을 산출하는 다른 그래프를 도시하며, 콘크리트 믹스 레올로지에 대하여 자동 제어를 위한 본 발명의 예시적 방법에 사용된 명목상 투여량 반응 프로파일로서 작용할 수 있다; 또
도 3는 본 발명의 예시적 방법이 사용될 때 실제 슬럼프 변화에 대하여 이론적 (또는 명목상) 슬럼프 변화가 플러팅된 그래프를 도시한다.
바람직한 실시양태의 상세한 설명
본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "시멘트질"은 물과 혼합되면 결합제로 작용하여 세골재(예컨대, 모래), 조골재(예컨대, 파쇄된 돌 또는 자갈), 또는 그의 혼합물을 함께 지지하는 포틀랜드 시멘트 및/또는 포틀랜드 시멘트 대체물을 포함하는 물질을 지칭한다.
"수화성" 또는 수경성으로 간주되는 시멘트질 물질은 물과의 화학적 상호작용에 의해 고화되는 것이다.
이러한 시멘트질 물질은 포틀랜드 시멘트와 함께 조합되거나 또는 수화성 특성의 심각한 감소없이 포틀랜드 시멘트의 일부를 치환하거나 또는 대체하기 위하여 사용될 수 있는, 플라이 애쉬, 과립화된 고로광재, 석회석, 또는 천연 포졸란을 더 포함할 수 있다. "모르타르"는 모래와 같은 세골재를 갖는 시멘트 또는 시멘트질 혼합물을 지칭하는 반면에, "콘크리트"는 더욱 정밀하게는 파쇄된 돌 또는 자갈과 같은 조골재를 또한 함유하는 모르타르를 지칭한다.
용어 "시멘트질 물질"의 사용은 용어 "콘크리트"와 상호교환가능하게 이용될 수 있으며, 이는 콘크리트가 회전가능한 혼합 드럼을 갖는 레디-믹스 트럭에 의해 가장 흔히 제공되기 때문이다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "콘크리트"는 시멘트 또는 시멘트 대체물(예컨대, 포졸란) 또는 모르타르 만을 함유하는 물질을 전달하기 위해 본 발명이 사용될 수 있다는 사실을 배제하는 것은 아니다.
콘크리트 믹스와 같은 수화성 시멘트질 물질은 전형적으로 하나 이상의 레올로지 변형제를 함유하며, 이는 물 단독 또는 "초가소제"로 불리는 감수제 또는 고범위(hihg range) 감수제와 같은 혼화제, 점도 변형제, 부식 억제제, 수축 감소성 혼화제, 경화 촉진제, 경화지연제, 공기연행제(air entrainer), 공기감소제(air detrainer), 안료, 착색제, 플라스틱 수축 제어 또는 구조 강화용 섬유 등을 포함할 수 있다.
표현 "레올로지 변형제"는 따라서 물, 화학 혼화제, 또는 그의 혼합물을 포함하고 의미하는 것으로 이해될 것이다. 많은 경우에서, 화학 혼화제 제제는 예를 들어 분산제 및 물을 포함할 것이다. 레올로지 변형제는 하나 이상의 시멘트 분산제(예컨대, 폴리카복실레이트 감수제), 공기감소제 또는 공기감소제의 조합, 및 기타 혼화제를 포함할 수 있다.
발명의 배경에서 언급한 바와 같이, 혼합 드럼을 회전하기 위한 에너지를 측정하기 위한 유압식 및/또는 전기 센서, 회전 속도를 측정하기 위한 속도 센서, 대기 온도뿐만 아니라 믹스 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서, 및 분산장치뿐만 아니라 센서로부터의 신호를 모니터링하고 또 분산장치를 동작시키기 위한 컴퓨터 프로세서 유닛(CPU)과 같은 슬럼프 제어 모니터링 및 제어 장치를 갖는 콘크리트 전달 혼합 트럭은 공업분야에 비교적 잘 공지되어 있다. 예를 들어, 무선통신시스템과 연관되어 사용될 수 있는 슬럼프 제어 시스템은 미국 특허 5,713,663호; 미국 특허 6,484,079호; 미국 특허 출원번호 09/845,660호(공개번호 2002/0015354A1호); 미국 특허 출원번호 10/599,130호(공개번호 2007/0185636A1호); 미국 특허 출원번호 11/764,832호(공개번호 2008/0316856호); 미국 특허 출원번호 11/834,002호(공개번호 2009/0037026호); 및 WO 2009/126138호에 개시되어 있다. 콘크리트 믹스의 다양한 물리적 특성을 모니터링하기 위한 센서와 조합하여 무선통신을 이용하는 모니터링 및 제어하기 위한 예시적 추가의 시스템은 Coffee에게 허여된 미국 특허 6,611,755호에 시사되어 있다. 이들 가르침과 배경기술분야에 개시된 앞에서 논의된 특허참고문헌들의 이들 가르침과 특허 참고문헌들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명에 사용하기 위해 고려되는 예시적 혼합 드럼은 상술한 바와 같이 레디-믹스 운송 트럭 상에 또는 혼합 공장에서 볼 수 있는 정지 혼합기 상에 회전을 위해 흔히 장착되는 것일 수 있다. 이러한 혼합 드럼은 적어도 하나의 혼합 블레이드가 내부 표면에 부착되는 내부 표면을 가질 수 있어, 혼합 드럼과 함께 회전하여 믹스 내에 함유된 골재를 비롯하여 콘크리트 믹스를 혼합하는 작용을 한다.
본 발명의 다수의 예시적 실시양태는 본 명세서에 개시된 본 발명의 측면에서 명백한 바와 같이 약간의 변형을 가한 상업적으로 이용가능한 자동화 콘크리트 믹스 모니터링 장치를 이용하여 실시될 수 있음을 알 것이다. 이러한 믹스 모니터링 장치는 그레이스 콘스트럭션 프로덕츠(매사추세츠의 캠브리지 소재)로부터 상품명 VERIFI® 로 입수할 수 있고 또 알에스 솔루션스 엘엘씨(미국 오하이오 웨스트 체스터 소재)로부터 입수할 수 있다.
상기 발명의 요약에 기재한 바와 같이, 혼합기 중에서 수화성 시멘트질 조성물의 레올로지를 제어하기 위한 본 발명의 예시적 방법은, 시멘트질 조성물을 함유하는 상기 혼합기를 동작하는데 필요한 에너지를 측정하여 명목상 레올로지 값과 관련시키고 또 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을 시멘트질 조성물에 부가하여 그의 레올로지를 변형하며, 다음 단계를 포함한다:
(a) 컴퓨터 프로세서 유닛("CPU")에 표적 레올로지 값("TRV") 및 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을 함유하거나 또는 함유하려 하는 수화성 시멘트질 조성물에 대한 하중 크기를 입력하고; 및
(b) 혼합기 내에 함유된 수화성 시멘트질 조성물의 현재 레올로지 값("CRV")을 얻고;
(c) 단계(b)에서 얻어진 현재의 레올로지 값을 CPU-접근가능한 메모리에 저장된 명목상 투여량 반응("NDR") 프로파일에 대하여 CPU를 이용하여 비교하며, 이때 상기 NDR은 적어도 하나의 데이터 세트를 기본으로 하며, 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 다양한 투여량, 및 레올로지 값(슬럼프, 슬럼프 유동, 또는 일드 스트레스)에 대한 이들의 관련 효과는 검색가능하게(retrievably) 저장되며, 또 얻어진 CRV를 단계 "(a)"에서 규정된 TRV로 변경하는데 필요한 상기 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 명목상 투여량을 결정하며;
(d) 얻어진 CRV를 단계 "(a)"에서 규정된 TRV로 변경하는데 필요한 단계(c)에서 결정된 명목상 투여량을 기본으로 하여 5% 내지 99%로 선택되거나 또는 예비선택된 상기 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 퍼센트를 혼합기 중의 수화성 시멘트질 조성물에 투여하고;
(e) 단계(d)에서 선택되거나 또는 예비선택된 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 명목상 투여량의 퍼센트를 부가하여 상기 수화성 시멘트질 조성물과 균일하게 혼합한 후 수화성 시멘트질 조성물의 후속 CRV를 얻고;
단계(d)에서 선택되거나 또는 예비선택된 투여량을 단계(b) 내지 단계(e)로부터 레올로지값에서 동일 변화에 대한 NDR 프로파일에 따른 투여량과 비교하며; 또 NDR 프로파일로부터의 투여량을 조절하기 위하여 스케일링 인자("SF")를 결정하며, 이때 SF는 NDR 프로파일로 표시되는 레올로지값에서 동일 변화를 달성하기 위한 명목상 투여량으로 나뉘어진 단계(d)로부터 얻은 실제 투여량으로서 정의되며;또
(f) 상기 수화성 시멘트질 조성물에 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을, 단계(e)에서 측정된 현재의 CRV를 단계(a)에서 특정된 TRV로 전환하는 것으로 표시된 NDR 프로파일로부터 얻은 투여량과 곱해진 SF 면에서 산출된 양으로 혼합하는 것을 포함한다.
단계(a)에 기재된 바와 같이, 상기 예시적 방법의 제1 단계는 2개의 정보만을 컴퓨터 프로세서 유닛("CPU")에 입력하는 것을 필요로 한다: 표적 레올로지 값("TRV") 및 혼합기에 제공될 소정 수화성 시멘트질 조성물에 대한 하중 크기. 이들 2개 데이터 포인트의 입력은 레디-믹스 공장에서 뱃치 마스터에 의해 실시될 수 있거나, 트럭 운전자에 의해, 또는 건축 현장의 감독에 의해 실시될 수 있다. 실제로, 이러한 입력은 콘크리트 전달을 책임지는 사람에 의해 실시될 수 있으며 또 임의적인 온도, 습도, 및 기타 인자와 같은 다른 변수 입력을 필요로 하지 않는다.
표적 레올로지 값(TRV)은 단위 값으로 측정되는 임의 레올로지 인자: 슬럼프(길이 단위로 통상 측정, 예컨대 인치); 슬럼프 유동(길이, 예컨대, 인치); 일드 스트레스(스트레스 측면에서 흔히 측정, 예컨대 인치제곱당 파운드 또는 파스칼); 점도(파스칼.초); 유동(길이); 및 요변성(파스칼/초)일 수 있다. 하중 크기는 모든 성분을 포함한 뱃치 콘크리트의 전체 중량 또는 부피(예컨대 입방 야드)의 측면에서 CPU에 입력될 수 있다. TRV가 슬럼프 측면에서 정의되면, 슬럼프에 대한 측정은 이하의 표준에 따라서 실시될 수 있다: ASTM C 143-05, AASHTO T 119, 또는 EN 12350-2. TRV가 슬럼프 유동 측면에서 정의되면, 상기 측정은 ASTM C1611-05에 따라 실시될 수 있다. TRV가 유동 테이블 시험 측면에서 정의되면, 상기 측정은 DIN EN 12350-5에 따라서 실시될 수 있다.
단계(a)에서 언급한 상기 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합은 단계(c)에서 언급된 명목상 투여량 반응("NDR") 프로파일을 제공하는 데이터 세트 또는 세트들을 생성하기 위해 사용된 콘크리트 중에서뿐만 아니라 조절되는, 즉 하중 크기가 단계(a)의 CPU에 입력되고 그의 현재의 레올로지 값(CRV)이 단계(b)에서 얻어지는 콘크리트에 존재하는 물, 혼화제(들), 또는 그의 혼합물을 의미하고 지칭한다. 검량을 위해(즉, NDR 프로파일을 생성하기 위하여) 콘크리트에 대한 투여용으로서 NDR 프로파일에 대한 동일하거나 또는 유사한 레올로지 변형제(들)을 사용하는 것이 중요하다.
본 발명의 방법에 사용하기에 적합한 바람직한 "화학 혼화제"는 콘크리트 산업에서 일반적으로 사용되는 감수제 및 초가소제를 포함한다. 이들 중 바람직한 것은 (폴리)카복시산 및/또는 염 기 및 (폴리)옥시알킬렌 기(이후 "폴리카복실레이트 중합체"라 지칭함)를 함유하는 시멘트-분산성 중합체이다.
따라서, 예를 들어, 단계 (a)에서 이용된 표현인 상기 "레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합"은, 콘크리트의 레올로지에 영향을 가질 수 있는 공기연행제 또는 기타 혼화제와 함께 사용될 수 있는 하나 이상의 폴리카복실레이트 중합체와 같은, 하나 이상의 활성 성분을 지칭할 수 있다. 하나 이상의 활성 성분의 농도는 매우 중요하다. 혼화제(들) 제제로부터 특정 활성 성분을 부가하거나 또는 생략하면 다른 명목상 투여량 반응(NDR) 프로파일을 확립하여 사용할 필요가 있다. 상기 분산성 중합체는 레올로지에 영향을 주는 것으로 보이며 또 동일 중합체가 NDR 프로파일에 사용되는 것이 바람직하게 하는 "활성 성분"으로 이해될 것이다; 이러한 동일 논리는 양 및/또는 성질에 의해 이들이 레올로지에 대한 심오한 영향을 준다면 공기 연행 및/또는 공기 감소 성분과 같은 다른 성분에 대해서도 적용된다.
본 발명의 이점 중의 하나는 자가-보정(self-correcting)이기 때문에, 시멘트-분산성 중합체가 상이하고 또 다른 활성성분이 성질 및 양에서 상이하더라도 높은 정확성을 달성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법을 이용할 때, 동일 레올로지 변형제 또는 동일 레올로지 변형제의 조합을 사용하여 개시하고 또 이들의 농도에서 차이를 보상하는 것이 바람직하다.
예시적 방법의 단계(b)에서, 이 두번째 단계는 상기 시스템이 혼합기 내에 함유된 수화성 시멘트질 조성물의 현재 레올로지 값("CRV")을 결정하는 것을 필요로 한다. 이것은 나중 단계에 대한 참조 점수를 제공하기 때문에 CPU-접근가능한 메모리에 저장된다.
예시적 방법의 단계(c)에서, 상기 CPU는 단계(b)에서 얻어진 현재 레올로지 값(CRV)을 CPU-접근가능한 메모리에 저장된 명목상 투여량 반응("NDR") 프로파일과 비교한다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 NDR 프로파일은 적어도 하나의 데이터 세트를 기본으로 하며, 특정 레올로지 변형제 또는 변형제들의 다양한 투여량의 레올로지(예컨대, 슬럼프, 슬럼프 유동, 일드 스트레스, 등)에 대한 효과를 측정한다. 본 발명의 방법은 레올로지 변형제의 레올로지에 대한 효과가 상관관계가 있는 1개의 데이터 세트와 작동할 수 있지만, 적어도 2개의 데이터 세트를 사용하여 생성된 NDR 프로파일을 사용하는 것이 바람직하고, 또 복수의 데이터 세트를 사용하여 생성된 NDR 프로파일을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
예를 들어, 도 2는 2개의 투여량 반응 곡선(최소값 및 최대값으로 표시됨)을 예시하며, 그에 의해 콘크리트 조성물의 슬럼프(인치)를 1개 단위만큼 슬럼프를 변경(예컨대, 2인치를 3인치로 변경하는 것과 같이 슬럼프를 1인치 변경)하는데 필요한 특정 특정 레올로지 변형제(슬럼프-변형 콘크리트 혼화제)의 양에 대하여 플로팅한다. 상기 명목상 투여량 반응 프로파일(또는 곡선)은 상기 2개의 투여량 반응 곡선(최소값 및 최대값)의 평균으로 취한다.
더욱 바람직한 예로서, 도 1은 그 평균이 수송 작업 동안 참조값으로 이용될 수 있는 명목상 투여량 반응("NDR") 프로파일을 제공하는 복수의 투여량 반응 곡선을 도시한다.
단계(d)에서, 상기 CPU는 단계(b)에서 측정된 바와 같은 현재 레올로지 값(CRV)을 단계(a)에서 입력된 표적 레올로지 값(TRV)으로 변경하기 위하여 NDR 프로파일에 의해 측정되는 레올로지 변형제(들)의 이상적인 양의 선택되거나 또는 예비선택된 퍼센트를 이용하여 혼합기 중의 수화성 시멘트질 조성물에 투여하도록 프로그래밍된다. 상기 퍼센트는 이상적(또는 명목상) 양의 50% 내지 95%일 수 있고, 또 더욱 바람직하게는 약 50%-90%일 수 있고; 또 가장 바람직하게는 50%-80%일 수 있다. 일반적으로, 확증이 얻어질 때까지는 최초 투여량에 대해 이들 범위 중의 더 낮은 퍼센트가 바람직하다.
단계(e)에서, 상기 CPU는 단계(d)에서 투여된 특정 레올로지 변형제(예컨대, 화학 혼화제)의 명목상 투여량의 퍼센트가 부가되어 또 수화성 시멘트질 조성물과 균일하게 혼합된 후 상기 수화성 시멘트질 조성물의 후속되는 현재 레올로지 값(CRV)을 얻도록 프로그래밍될 것이다. 상기 CPU는 단계(d)에서 선택되거나 또는 예비선택된 퍼센트 투여량의 상기 레올로지 값에 대한 명목상(또는 이론적) 효과를, 후속 현재 레올로지값(후속 CRV)과 비교한 다음 스케일링 인자("SF")를 결정하며 그에 의해 NDR 프로파일로부터 투여량을 조절하며, 이때 SF는 NDR 프로파일에 의해 나타낸 동일 레올로지 변경을 달성하기 위한 명목상 투여량으로 나뉘어진 단계(d)로부터 얻은 실제 투여량으로 정의된다.
단계(f)에서, 상기 CPU는 상기 수화성 시멘트질 조성물에 레올로지 변형제의 후속 투여량을 혼합하도록 프로그래밍된다. 후속 투여량은 단계(e)에서 산출된 스케일링 인자(SF)를, 단계(e)에서 측정된 현재 레올로지 값(CRV)를 단계(a)에서 명시된 표적 레올로지 값(TRV)으로 변경하기 위해 명목상 투여량 반응(NDR) 프로파일에 따른 이론적으로 필요한 양과 곱하여서 산출할 수 있다.
단계 (e) 및 (f)는 현재 레올로지 값(CRV)이 표적 레올로지 값(TRV)보다 소정 값만큼 적거나 또는 클 때마다 반복될 수 있다. 이는 CRV와 TRV 사이의 차이가 소정 양을 초과할 때 상기 단계를 반복하도록 CPU를 프로그래밍하는 것에 의해 자동적으로 실시될 수 있다. CRV와 TRV 사이의 차이가 소정 양 미만이면, 상기 CPU는 동작자에게 콘크리트 믹스가 배출되어 부어질 준비가 되어 있다는 표시를 하는 알람(경고)을 유도하도록 프로그래밍될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 특정 레올로지 변형제(들)에 대한 투여량 반응 곡선의 적어도 2개 세트의 평균으로부터 유도된, 또, 더욱 바람직하게는, 도 1에 도시된 바와 같이 특정 혼화제(들)에 대한 복수의 투여량 반응 곡선의 평균으로부터 유도된 명목상 투여량 반응(NDR) 프로파일의 사용을 포함한다. 도 1의 투여량 반응 곡선은 특히 곡선 진폭을 변경시키는 것에 의해, 콘크리트 믹스 설계, 온도, 수화 정도, 물/시멘트 비율, 및 골재량과 같은 다양한 변수가 뱃치에서 뱃치로 약간(또는 더 많이) 변경될 수 있다는 것을 제시한다. 또한, 다양한 투여량 반응 곡선이 교차하지 않는다는 사실은 본 발명자들로 하여금 이들 다른 다양한 변수는, 이들 투여량 반응 곡선의 평균이 1개 값에서 다음 값(예컨대 2 인치의 슬럼프에서 5 인치까지)으로 상기 레올로지 값(예컨대 슬럼프)을 변경하는데 필요한 레올로지 변형제(들)의 양을 산출하는 측면에서 비슷한 특징을 갖기 때문에 명목 투여량 반응(NDR) 프로파일을 확립하기 위하여 일정하게 유지될 필요는 없다는 것을 인식하게 한다.
따라서, 본 발명의 예시적 방법은 적어도 하나의 불균일 변수를 갖는 복수의 데이터 세트의 사용을 포함하는 명목상 투여량 반응(NDR) 프로파일을 포함한다. 이 변수는 예를 들어, 콘크리트 믹스 설계, 반응 온도, 시멘트 수화 정도, 물/시멘트 비율, 및 골재량 또는 시멘트/골재 비율일 수 있다. 이들은 NDR 프로파일(참조: 예컨대, 도 1)을 구성하는 데이터 세트에서 뱃치에서 뱃치에 따라 다변할 수 있다.
따라서, 본 발명의 예시적 방법은 상이한 콘크리트 믹스 설계, 콘크리트 믹스 성분 공급원, 온도, 수화, 물/시멘트 비율, 상이한 골재량 또는 비율, 및 콘크리트 믹스 설계와 같은 적어도 2개의 불균일 변수, 및 2 이상의 불균일 변수를 갖는 데이터 세트로부터 유도된 명목상 투여량 반응(NDR) 프로파일의 사용을 포함한다. NDR 프로파일을 설정하고 또 현재 레올로지 값을 얻기 위하여 사용되는 특정 레올로지 변형제(들)(예컨대, 물 및/또는 콘크리트 혼화제 또는 혼화제의 조합)가 동일하거나 또는 실질적으로 유사하기만 하면, 투여량 반응 곡선의 기울기 특성은 1개 레올로지값 단위에서 다음 값까지 유사하다. 실제로, 2개의 레올로지 변형제는 조성에서 다양할 수 있지만 성능 면에서 유사하고, 양쪽에 대해 동일한 NDR 프로파일을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적 실시양태에서, 레올로지 변경을 모니터링하는 방법은 그 고유한 스케일링 인자(SF), 명목상 투여량 반응 프로파일, 또는 양쪽 모두를 갖는 1 이상 유형의 레올로지 변형제(또는 화학 혼화제)의 사용을 포함한다. 예를 들어, 고범위 감수제와 점도 변성 혼화제; 정상 범위의 감수제와 고범위 감수제; 감수제와 경화 촉진제, 경화지연제, 또는 그의 조합; 고범위 감수제와 요변성 변형 혼화제; 등과 같은 혼화제의 조합에 대한 NDR 프로파일을 확립할 수 있다.
더욱 다른 예시적 실시양태에서, 본 발명의 방법은 하나 이상의 레올로지 표적이 특정될 수 있고 또 동일 콘크리트 믹스 수송 작업 내에서 만족될 수 있도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 수송하는 동안(뱃치에서 부터 또는 공장 작업에서부터 작업 현장으로) 및 배치하는 동안(믹스가 부어질 작업 현장에 트럭이 도착한 후) 슬럼프 표적과 같은 다수의 레올로지 표적을 사용할 수 있다. 다른 예로서, 콘크리트 믹스가 동일 수송 작업/공정 내에서 얻어져야 하고 또 동시에 슬럼프 유동 및 플라스틱 점도와 같은 2개의 레올로지 표적을 정의할 수 있다. 즉, 1개의 레올로지 변형제 또는 슬럼프 유동(제거된 슬럼프 콘으로부터 콘크리트가 퍼지게 하는 것을 특징으로 하는)을 변경하는 물질의 조합(예컨대 혼화제 팩케이지)을 갖고 또 다른 레올로지 변형제 또는 플라스틱 점도(전단 속도로 나눠진 전단 스트레스를 특징으로 하는)를 변경하기 위한 물질의 조합을 가질 수 있다.
다른 예시적 실시양태에서, 상기 스케일링 인자는 소정 하중 또는 혼합 설계에서 모든 투여량 반응의 중량 평균으로서 산출된다. 즉, 다양한 스케일링 인자가 유도되는 일련의 수송 작업에서, 현재 수송 작업에 사용된 상기 스케일링 인자는 컴퓨팅된 모든 스케일링 인자의 평균을 기본으로 할 수 있지만, 주로 가장 최근의 수송 작업으로부터 얻은 데이터를 기본으로 할 수 있다.
본 발명은 제한된 수의 실시양태를 이용하여 본 명세서에 기재되어 있지만, 특별히 기재하지 않는 한 이들 특정 실시양태는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며 본 명세서에 특허청구된 바와 같다. 기재된 실시양태로부터 변형과 변이가 존재한다. 더욱 자세하게는, 하기 실시예는 특허청구된 본 발명의 실시양태의 특정 예시로 제공된다. 본 발명은 실시예에 기재된 특정 상세한 내용에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 실시예 및 명세서의 다른 부분에서 모든 부 및 퍼센트는 특별히 다르게 나타내지 않는 한 중량 기준이다.
또한, 명세서 또는 특허청구범위에 개시된 다수의 숫자, 예컨대 특정 특성 세트, 측정 단위, 조건, 물리적 상태 또는 퍼센트는 참조에 의해 본 명세서에 분명히 문자대로 포함되는 것이거나 또는 아니면, 이러한 범위에 속하는 임의 숫자, 예컨대 임의 범위 내의 서브세트도 포함한다. 예를 들어, 하한, RL 및 상한, RU를 갖는 숫자 범위가 기재되면, 범위내에 드는 임의 수 R이 특이적으로 개시된다. 특히, 범위 내에 드는 하기 숫자 R이 특이적으로 기재된다:
R = RL + k*(RU -RL), 이때, k는 1% 내지 100% 범위에서 1% 씩 증가하는 변수이고, 예컨대, k는 1%, 2%, 3%, 4%, 5%. ... 50%, 51 %, 52%, . . . 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 또는 100%이다. 또한, 상기 산출된 바와 같은 2개 값 R로 표시되는 임의 숫자 범위는 또한 특이적으로 개시된다.
실시예
1
임의 화학 혼화제 부가없이 실험실 혼합기 내에서 콘크리트 혼합물을 제조하였다. 샘플을 제거하여 이들을 슬럼프 콘(slump cone)에서 ASTM C143-05에 따라서 슬럼프를 측정하였다. 이 시험을 완료하면, 제1 혼합물을 제거하였다. 그 직후, 동일 콘크리트 믹스 설계를 갖는 다른 콘크리트 혼합물을 동일 실험실 혼합기내에서 혼합하였지만, 이번에는 화학 혼화제(폴리카복실레이트 감수제)를 부가하였고 또 슬럼프는 동일 표준 콘 시험을 이용하여 측정하였다. 이 시험을 완료하면, 상기 혼합물을 제거하였다. 동일 콘크리트 믹스 설계 및 동일 믹스 인자(예컨대, 온도, 시멘트 유형, 공기의 양 및 물, 물/시멘트 비율, 등)의 다른 연속적인 복수의 콘크리트 혼합물을 실험실 혼합기내에서 제조하였지만, 폴리카복실레이트 중합체 감수제의 투여량에서만 달리하였다. 감수제의 혼화제 투여량을 제외하고는, 모든 다른 변수는 일정하게 유지되었다. 각 연속적인 혼합물은 슬럼프 콘 시험 후 제거하였다.
상기 콘크리트 믹스에 대한 데이터는 도 1에 도시된 1개 플로팅된 선으로서 도시한다.
믹스 인자들 중의 하나만을 달리하고 다른 모든 믹스 인자는 일정하게 유지하는 외에는 상기 공정을 반복하였다. 다양한 믹스 인자는 다음을 포함한다: 물질의 온도, 시멘트의 양 및 유형, 세골재의 유형, 조골재의 유형, 콘크리트 중의 공기의 양, 물의 양, 및 물 대 시멘트 비율.
다양한 믹스 인자를 갖는 이들 콘크리트 믹스에 대한 데이터는 또한 도 1에 도시된 다양한 선으로서 플로팅되어 있다.
놀랍게도, 본 발명자들은 도 1에 도시된 바와 같은 투여량 반응 곡선이 교차하지 않는다는 것을 발견하였다. 따라서 본 발명자들은 콘크리트 믹스의 슬럼프는 모든 이러한 투여량 반응 곡선의 특징을 참조하여 조절될 수 있다는 것과 이러한 곡선 또는 복수의 곡선의 특징은 실시간 제조 작업 동안 명목상 또는 참조 투여량 반응 곡선으로서 작용할 수 있다는 것을 발견하였다.
도 2는 "최소", "최대", 및 평균 투여량 반응 곡선을 나타내는 도 1을 단순히 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 평균 투여량 반응 곡선은 실시간 작업 제조 작업 동안 명목상 투여량 반응 곡선으로서 작용할 수 있다.
실시예
2
본 발명의 예시적 방법은 알에스 솔루션 엘엘씨(오하이오 소재)사에 의해 상품명 VERIFI로 상업적으로 입수가능한 자동화된 모니터링 및 투여 시스템을 갖는 콘크리트 믹스 트럭을 이용하여 현장에서 시험하였다. 이 모니터링 시스템은 수압 및 믹스 드럼 속도를 기본으로 하여 슬럼프를 측정할 수 있었다. 이 시스템은 액체 형태의 화학 혼화제를 펜더(fender) 상에 장착된 소형 화학제 저장 탱크로부터 믹스 드럼에 주입할 수 있었다.(발명의 배경 부분에 기재된, 소스타릭 등에 의한 미국 특허 공개 2009/0037026호 참조).
수개월에 걸쳐서 다양한 콘크리트 믹스를 콘크리트 믹스 트럭에서 제조하였다. 시험하기 전에, 실시예 1에 상기 기재된 공정과 유사하게 명목상 투여량 반응 프로파일을 얻었고, 또 이것을 참조 또는 "명목상" 참조 투여량("NDR") 프로파일로서 이용하였다.
상이한 콘크리트 믹스 수송 작업에 대해 본 발명의 예시적 방법을 이용하여 다수의 시험을 실시하였고, 이때 NDR은 믹스 드럼에서 제조된 각 연속적인 콘크리트 믹스 샘플에 대한 자동화된 모니터링 및 투여 시스템의 컴퓨터 프로세서 유닛에 의해 사용되었다. 다음 수주간에 걸쳐 드럼에서 생성된 믹스는 온도, 원료 물질, 혼합물 비율(예컨대, 물/시멘트 비율, 물/골재 비율, 세골재/조골재 비율, 등)의 측면에서 자연적 변이를 경험하였다.
감수성 혼화제(폴리카복시산-기제)의 양은 상술한 요약 부분에 기재된 본 발명의 방법에 따라서 투여하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 방법의 이용은 콘크리트 믹스에서 슬럼프 변화를 초래하였고, 이는 명목상 투여량 반응(NDR) 곡선을 참조용으로 사용하였을 때 예상된 변화와 매우 근사하였다. 참조: 상기 발명의 요약 부분에서 방법 단계 (a) 내지 (f). NDR 곡선이 최초로 적용될 때, 상기 슬럼프 변화를 이용하여 스케일링 인자(SF)를 생기게 하며, 이는 혼화제의 다음 부가시에 이용되었다. 도 3은 이론적 슬럼프 변화값과 근사하게 매칭되는 실제 측정된 슬럼프 변화값(점으로 나타냄)을 도시한다.
본 발명의 원리, 바람직한 실시양태 및 작동 모드는 상술한 명세서에 기재되었다. 그러나, 본 명세서에서 보호받고자 하는 발명은 개시된 특정 형태에 제한되는 것이 아니며, 제한적이라기보다는 예시적인 것으로 간주된다. 당업자는 본 발명의 정신에서 벗어나지 않고 변이와 변화를 가할 수 있다.
Claims (18)
- 시멘트질 조성물을 함유하는 혼합기를 동작하는데 필요한 에너지를 측정하여 명목상 레올로지 값과 관련시키고 또 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을 시멘트질 조성물에 부가하여 그의 레올로지를 변형하는, 혼합기에서 수화성 시멘트질 조성물의 레올로지를 제어하는 방법으로서,
(a) 컴퓨터 프로세서 유닛("CPU")에 표적 레올로지 값("TRV") 및 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을 함유하거나 또는 함유하려 하는 수화성 시멘트질 조성물에 대한 하중 크기를 입력하고; 및
(b) 혼합기 내에 함유된 수화성 시멘트질 조성물의 현재 레올로지 값("CRV")을 얻고;
(c) 단계(b)에서 얻어진 현재의 레올로지 값을 CPU-접근가능한 메모리에 저장된 명목상 투여량 반응("NDR") 프로파일에 대하여 CPU를 이용하여 비교하며, 이때 상기 NDR은 적어도 하나의 데이터 세트를 기본으로 하며, 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 다양한 투여량 및 레올로지 값(슬럼프, 슬럼프 유동, 또는 일드 스트레스)에 대한 이들의 관련 효과는 검색가능하게(retrievably) 저장되며, 또 얻어진 현재의 레올로지 값을 단계 "(a)"에서 규정된 TRV로 변경하는데 필요한 상기 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 명목상 투여량을 결정하며;
(d) 얻어진 현재의 레올로지 값을 단계 "(a)"에서 규정된 TRV로 변경하는데 필요한 단계(c)에서 결정된 명목상 투여량을 기본으로 하여 5% 내지 99%로 선택되거나 또는 예비선택된 상기 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 퍼센트를 혼합기 중의 수화성 시멘트질 조성물에 투여하고;
(e) 단계(d)에서 선택되거나 또는 예비선택된 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합의 명목상 투여량의 퍼센트를 부가하여 상기 수화성 시멘트질 조성물과 균일하게 혼합한 후 수화성 시멘트질 조성물의 후속 CRV를 얻고;
단계(d)에서 선택되거나 또는 예비선택된 투여량을 단계(b) 내지 단계(e)로부터 레올로지값에서 동일 변화에 대한 NDR 프로파일에 따른 투여량과 비교하며; 또 NDR 프로파일로부터의 투여량을 조절하기 위하여 스케일링 인자("SF")를 결정하며, 이때 SF는 NDR 프로파일로 표시되는 레올로지값에서 동일 변화를 달성하기 위한 명목상 투여량으로 나뉘어진 단계(d)로부터 얻은 실제 투여량으로서 정의되며;또
(f) 상기 수화성 시멘트질 조성물에 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합을, 단계(e)에서 측정된 후속 CRV를 단계(a)에서 특정된 TRV로 전환하는 것으로 표시된 NDR 프로파일로부터 얻은 투여량과 곱해진 SF 면에서 산출된 양으로 혼합하는 것을 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 현재의 레올로지 값이 소정 양만큼 TRV 미만이거나 이상일 때마다 단계 (e) 및 (f)를 반복하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계(c)에 기재된 상기 NDR 프로파일은 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합에 대한 투여량 반응 곡선의 적어도 2개 세트의 평균으로서 유도되는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계(c)에 기재된 상기 NDR 프로파일은 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합에 대한 복수의 투여량 반응 곡선의 평균으로서 유도되는 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 NDR 프로파일에서, 적어도 2개의 투여량 반응 곡선이 콘크리트 믹스 설계, 콘크리트 믹스 성분 공급원, 온도, 수화 정도, 물/시멘트 비율, 및 골재량으로부터 선택된 적어도 하나의 불균일 변수를 함유하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 NDR 프로파일에서, 적어도 2개의 투여량 반응 곡선이 콘크리트 믹스 설계, 콘크리트 믹스 성분 공급원, 온도, 수화 정도, 물/시멘트 비율, 및 골재량으로부터 선택된 적어도 2개의 불균일 변수를 함유하는 방법.
- 제4항에 있어서, 특정 레올로지 변형제 또는 레올로지 변형제의 조합이 물, 적어도 하나의 시멘트 분산제, 또는 그의 혼합물을 포함하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레올로지 변형제가 시멘트 분산제인 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 시멘트 분산제가 리그노설포네이트, 나프탈렌 설포네이트, 멜라민 설포네이트, 폴리카복실레이트, 또는 그의 혼합물인 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 시멘트 분산제가 폴리카복실레이트 중합체인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합기는 레디-믹스 수송 차량 상에 장착된 회전성 혼합 드럼인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 레올로지 값이 표준 12-인치 슬럼프 콘의 슬럼프와 관련되는 슬럼프인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 레올로지 값이 슬럼프 유동(slump flow)인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 레올로지 값이 일드 스트레스(yield stress)인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 레올로지 값이 요변성인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 레올로지 값이 플라스틱 점도인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 레올로지 값이 유동 테이블 스프레드(flow table spread)인 방법.
- 제1항에 있어서, 콘크리트 믹스 수송 작업 동안 투여된 투여량에 의한 레올로지 값 변화는 상기 명목상 투여량 반응(NDR) 곡선 또는 스케일링 인자에 혼입되고, 그에 의해 상기 NDR 곡선 또는 스케일링 인자(SF)가 변형되며; 또 동일 또는 후속 콘크리트 믹스 수송 작업에서 후속 레올로지 값 변화는 상기 변형된 NDR 곡선 또는 상기 변형된 SF를 기본으로 하여 실시되는 방법.
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