KR102321527B1 - 복합 구조 재료 및 이를 위한 골재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매트릭스 내의 골재로부터 형성된 복합 구조 재료에 관한 것으로, 골재는 입자 재료이고 각 입자는 중앙 허브로부터 바깥쪽으로 연장되는 적어도 3개의 반경 방향 다리를 포함한다.

Description

복합 구조 재료 및 이를 위한 골재{COMPOSITE STRUCTURAL MATERIAL AND AGGREGATE THEREFOR}
본 발명은 시멘트 상(cementitious phase)과 같은 매트릭스 내에 골재 상(aggregate phase)을 포함하는 형태의 복합 구조 재료, 및 개선된 복합 구조 재료를 형성할 수 있는 새로운 구성의 골재에 관한 것이다.
매트릭스 단독(골재 없음)보다 큰 강도를 갖는 복합 구조 재료를 제공하기 위해 골재를 이용한 복합 구조 재료가 알려져 있다. 콘크리트는 이러한 복합 구조 재료의 전형적인 예이다.
강도, 밀도, 또는 화학적 및 열적 저항 특성을 다르게 하여 완성물이 그 용도에 맞추어질 수 있도록, 주성분의 비율을 다르게 하여 형성되는 이용 가능한 많은 형태의 콘크리트가 있다. 통상적으로, 콘크리트는 물과 함께 그리고 흔히 모래와 같은 미세 입자 재료와 함께, 매트릭스를 형성하는 시멘트 바인더, 및 자갈, (석회암 또는 화강암과 같은) 쇄석, 분쇄 슬래그 또는 재활용 유리와 같은 굵은 입자 재료 형태의 골재를 포함한다. 통상적으로, 골재는 구형이고 밀도가 상당히 높다.
일반적으로 단순히 "시멘트"라 불리는 시멘트 바인더는 흔히 포틀랜드 시멘트이지만, 플라이 애시 및 슬래그 시멘트와 같은 다른 시멘트 재료도 골재용 바인더로서 역할을 할 수 있다.
물이 바인더 및 골재의 건조 복합 재료와 혼합된 후, 반-액상을 형성함으로써 작업자가 (통상적으로 이를 거푸집(form) 또는 몰드 등에 주입하여) 모양을 만들 수 있다. 또한, 화학적 첨가제가 다른 특성을 얻도록 첨가될 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 콘크리트가 경화되는 속도를 높이거나 줄일 수 있고, 다른 유용한 특성을 부여할 수 있다. 콘크리트는 이후 수화라 불리는 화학 공정을 통해 고화 및 경화되는데, 물이 시멘트와 반응하고 다른 성분과 함께 결합하여 튼튼한 돌과 같은 복합 구조 재료를 형성한다.
콘크리트는 상대적으로 높은 압축 강도를 갖지만, 인장 강도는 낮다. 이러한 이유 때문에, 콘크리트는 장력이 강한 재료(흔히 스틸)로 통상 보강된다. 또한, 콘크리트의 탄성은 낮은 응력 수준에서는 상대적으로 일정하지만, 높은 응력 수준에서는 감소하기 시작하여 매트릭스 균열이 통상적으로 발생한다. 콘크리트는 매우 낮은 열 팽창 계수를 갖고 숙성됨에 따라 수축되는 경향이 있다. 따라서, 모든 콘크리트 구조는 수축 및 장력으로 인해 어느 정도까지는 금이 가는 경향이 있다.
콘크리트 성분의 다른 믹스는 일반적으로 psi 또는 MPa로 측정된 강도를 다르게 하고, 다른 강도의 콘크리트는 다른 용도로 사용된다. 예를 들어, 콘크리트가 경량이어야 할 경우에, 매우 낮은 강도(15 MPa 이하)의 콘크리트가 사용될 수 있다. 경량 콘크리트는 공기, 폼, 또는 경량 골재를 첨가함으로써 통상 얻어지는데, 이때 통상적인 부작용으로 강도가 감소한다. 대부분의 통상 용도의 경우, 20 MPa 내지 30 MPa의 콘크리트가 사용된다. 그러나, 35 MPa의 콘크리트는 더 비싸지만 더 내구성이 있어서 쉽게 상업적으로 이용 가능하고, 통상 대규모 토목 프로젝트에 사용된다.
35 MPa 이상의 강도는 특정 건물 요소에 사용된다. 예를 들어, 고층 콘크리트 건물의 저층 기둥은 80 MPa 이상의 콘크리트를 사용함으로써 기둥의 크기를 작게 할 수 있다. 교량은 70 MPa 콘크리트의 긴 빔을 사용함으로써 요구되는 경간의 수를 줄일 수 있다. 가끔, 다른 구조적 요건으로 인해 더 높은 강도의 콘크리트가 필요할 수 있다. 예를 들어, 구조가 매우 단단해야 할 경우, 매우 고강도의, 심지어 사용 하중을 견디는데 요구되는 것보다 훨씬 강한 콘크리트가 사용될 수 있다. 이러한 이유로 130 MPa 정도로 높은 강도가 상업적으로 사용되었다.
콘크리트의 강도는 경화물에서의 공극의 존재에 의해 불리하고 현저하게 영향을 받기 때문에, 콘크리트 믹스의 경화 중에 가능한 최대의 밀도를 얻는 것이 중요하다. 이는 콘크리트 믹스가 충분한 "작업성(workability)"을 갖도록 요구함으로써 이상적으로 적정량의 작업(진동)만을 수행하여 거의 최대의 압밀화(full compaction)를 이루도록 한다. 콘크리트에서 공극의 존재는 밀도를 감소시켜 강도를 많이 감소시키는데, 예를 들어 5%의 공극은 강도를 30% 정도까지 많이 낮출 수 있다. 또한, 콘크리트 믹스가 용이하게 배치, 성형, 및 압밀화된다는 측면에서, 노동 비용, 완성물 품질, 및 특정 형태의 생성물을 얻는 능력은 콘크리트 믹스의 작업성에 의해 모두 영향을 받는다.
따라서, 단순히 "습도(wetness)"의 측정치로서 흔히 평가되는, 예비-경화된 콘크리트 혼합물의 작업성은 실제로, 바람직하지 않은 블리딩(bleeding) 또는 재료분리(segregation) 없이, 최대 압밀화 및 모든 공극 제거를 가능하게 하기 위해 콘크리트의 다양한 성분 사이의 마찰력을 극복하는데 필요한 내부 일의 함수이다.
콘크리트 믹스의 작업성을 수치로 측정하는 공지된 기술은 "슬럼프 테스트(slump test)"인데, 이 시험은 통상적으로 콘크리트 믹스의 흐름 용이성과 관련하여 새롭게 만든 콘크리트 믹스의 반죽질기(consistency)를 확인하도록 수행된다. 슬럼프 테스트는 중력의 작용 하에 압밀화된 역원추형 콘크리트("슬럼프 콘(slump cone)" 또는 "아브람스 콘(Abrams cone)"으로 불림)의 거동을 보는 것이다.
콘을 단단한 비-흡수성 표면에 배치하고 새로운 콘크리트를 3단으로 충진하는데, 각 단마다 표준 치수의 막대를 이용하여 다진다. 콘크리트 콘을 건드리지 않도록, 콘을 수직방향으로 위로 조심스럽게 들어올리면, 이후 콘크리트가 내려앉는다. 이 침하를 "슬럼프"라고 부르며, 슬럼프가 <100　mm이면 최근접 5 mm로 측정되고, 슬럼프가 >100　mm이면 최근접 10　mm로 측정된다.
슬럼프된 콘크리트는 다양한 형상을 취하는데, 슬럼프된 콘크리트의 프로파일에 따라, 슬럼프는 "트루 슬럼프(true slump)", "시어 슬럼프(shear slump)" 또는 "콜랩스 슬럼프(collapse slump)"로 불린다. 시어 또는 콜랩스 슬럼프가 결과이면, 새로운 샘플을 취해 테스트를 반복한다. 콜랩스 슬럼프는 믹스가 너무 젖었다는 표시이다. 트루 슬럼프만이 테스트에 사용 가능하다. 0 내지 25 mm 범위의 슬럼프를 갖는 매우 건조한 믹스는 도로 건설에 사용되는 경향이 있고, 낮은 작업성을 갖는 믹스이다. 10 내지 40 mm 범위의 슬럼프를 갖는 믹스는 저보강 기초용으로 사용되는 경향이 있고, 중간 작업성을 갖는 믹스이다. 50 내지 100 mm 범위의 슬럼프를 갖는 믹스는 진동을 가한 통상적인 철근 콘크리트에 유용하고, 높은 작업성을 갖는 콘크리트 믹스로 간주된다.
통상적으로, 콘크리트 믹스에서 골재의 부피 증가는 작업성을 낮추고, 종래 관점에서는 매끄럽고 둥근 골재의 사용은 작업성을 증가시킨다(반면에 각지고 거친 골재가 사용될 경우 작업성은 감소한다). 골재의 크기가 클수록, 이를 매끄럽게 하는데 물이 덜 필요한데, 이는 추가의 물이 작업성을 위해 이용 가능함을 의미한다. 이 측면에서, 다공성 골재는 비-다공성 골재와 비교하여 동일한 수준의 작업성을 얻는데 더 많은 물을 필요로 한다.
오랫동안 인식되어 왔듯이, (플라스틱 폐 재료와 같은) 폐 재료를 재활용하려는 사회의 바람을 돕기 위해, (자갈 및 쇄석과 같은) 천연 자원의 남용을 방지하기 위해, 그리고 더 가볍고 강하며 사용이 용이한 콘크리트를 제공하기 위해, 콘크리트의 골재로서 재활용 재료를 이용하는 것이 유리할 것이다.
J.S. Sweeney의 미국 특허 제5,209,968호는 비록 구조의 코어 요소가 골재로서 섬유 부직포 웹을 이용한 외부 복합 재료층을 포함하지만, 시멘트 바인더와 함께 결합한 경량 과립 스크랩 또는 폐 플라스틱 골재로 형성된 복합 구조 재료의 예이다. 코어 요소의 플라스틱 골재는 콘크리트에 사용되는 통상적인 자갈 골재의 형상과 유사한, 일반적으로 구형의 발포 폴리스티렌 비드로부터 형성된다고 기재되어 있다.
R.L. Nicholls의 미국 특허 제4,778,718호는 전체적으로 균일하게 분포된 플라스틱 직물 형태의 플라스틱 골재로 보강된 시멘트 매트릭스를 갖는 복합 구조 재료의 또 다른 예이다.
본 발명의 목적은 통상적인 복합 구조 재료보다 가벼우면서 바람직한 작업성 및 강도를 나타내는 복합 구조 재료를 형성할 수 있는 새로운 형태의 골재를 제공하는 것이다.
본 발명은 매트릭스 내의 골재로부터 형성된 복합 구조 재료를 제공하는데, 골재는 입자 재료이고 각 입자는 중앙 허브(central hub)로부터 바깥쪽으로 연장되는 적어도 3개의 반경 방향 다리(radial leg)를 포함한다.
본 발명은 또한 복합 구조 재료용으로 적합한 골재를 제공하는데, 골재는 입자 재료이고 각 입자는 중앙 허브로부터 바깥쪽으로 연장되는 적어도 3개의 반경 방향 다리를 포함한다.
각 골재 입자의 중앙 허브는 이상적으로 구형, 원통형 또는 육면체 형상을 갖고, 이들 형상과 유사한 형상일 수 있으며, 이 경우 일반적으로 구형, 일반적으로 원통형 및 일반적으로 육면체 형상이라고 언급될 것이다.
일 형태에서, 중앙 허브는 일반적으로 구형이며, 1 mm 내지 20 mm 범위, 바람직하게는 2 mm 내지 15 mm 범위, 더욱 바람직하게는 3 mm 내지 12 mm 범위, 더욱 바람직하게는 5 mm 내지 10 mm 범위의 직경을 갖는다. 그러나, 중앙 허브는 20 mm보다 클 수 있다. 예를 들어, 댐 벽과 같은 매우 큰 구조에 필요한 것처럼, 매우 큰 부피의 복합 구조 재료가 사용되는 경우에, 중앙 허브의 직경은 20 cm까지(또는 그 이상) 될 수 있다.
또 다른 형태에서, 중앙 허브는 일반적으로 육면체 형상이며, 1 mm 내지 20 mm 범위, 바람직하게는 2 mm 내지 15 mm 범위, 더욱 바람직하게는 3 mm 내지 12 mm 범위, 더욱 바람직하게는 5 mm 내지 10 mm 범위의 폭을 갖는다. 그러나, 이 형태의 중앙 허브도 상술한 이유로 20 mm보다 클 수 있다.
각 골재 입자는 3개의 다리, 4개의 다리, 5개의 다리, 6개의 다리, 7개의 다리, 8개의 다리, 9개의 다리 또는 10개의 다리를 갖는다. 바람직한 형태에서, 입자는 6개의 다리를 갖는다.
바람직한 형태에서, 다리는 중앙 허브로부터 바깥쪽으로 연장되는데, 데카르트 기하학 및 각 축이 다른 두 축과 수직인 3개의 좌표 축을 갖는 3차원 공간의 표시에 대해, 3차원으로 연장된다. 또한, 다리는 바람직하게는 중앙 허브로부터 바깥쪽으로 반경 방향에서 대칭적으로 연장되거나, 적어도 일부의 다리는 반경 방향에서 대칭적으로 배치된다. 다리는 동일한 크기 및 형상을 가질 수 있고, 하나 이상의 다리는 다른 다리와 다른 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다.
이상적으로, 골재 입자의 다리는 원통형, 원뿔형 또는 원뿔대형(frusto-conical)이며, 원뿔형 및 원뿔대형의 경우 중앙 허브로부터 멀어질수록 직경이 감소하거나 증가하지만, 바람직하게는 중앙 허브로부터 멀어질수록 직경이 감소한다. 이것을 염두에 두면, 바람직한 형태는 일부 다리가 원통형이고 일부 다리는 중앙 허브로부터 멀어질수록 직경이 감소하는 원뿔대형일 것이다. 예를 들어, 6개의 다리를 포함하는 바람직한 형태에서, 2개의 다리는 원통형일 수 있고 4개의 다리는 원뿔대형일 수 있거나, 2개의 다리는 원뿔대형일 수 있고 다른 4개의 다리는 원뿔대형이지만 더 큰 테이퍼를 가질 수 있다.
다리의 자유단은 평면 또는 (볼록 또는 오목 표면과 같은) 곡면, 또는 이들의 조합일 수 있다. 대안적으로, 자유단은 원뿔대형 팁을 포함하거나, 전구형(bulbous) 구형 팁과 같은 구형 팁을 포함할 수 있으며, 구형 팁의 직경은 팁 및 다리 사이의 연결점에서 다리의 직경보다 크다.
다리 길이의 경우, 모든 다리가 동일한 길이를 갖는 것이 바람직하다. 다리 길이의 바람직한 범위는 1 mm 내지 20 mm 범위, 바람직하게는 2 mm 내지 15 mm 범위, 더욱 바람직하게는 3 mm 내지 14 mm 범위, 더욱 바람직하게는 6 mm 내지 12 mm 범위이다. 그러나, 다리는 20 mm보다 길 수 있고, 상술한 큰 부피 용도에서는 20 cm까지의 길이를 가질 수 있다.
바람직한 형태에서, 골자 입자의 각 다리의 길이는 중앙 허브의 직경/폭과 동일하거나 그보다 크다.
다리는 직경 또는 폭을 갖는다. 다리가 원통형, 원뿔형 또는 원뿔대형일 경우, 치수는 직경으로 간주되지만, 원뿔형 및 원뿔대형의 경우 직경은 중앙 허브로부터 변한다(감소 또는 증가한다). 바람직한 형태에서, 골재 입자의 각 다리는 중앙 허브와의 최근접 위치에서 중앙 허브의 직경/폭과 동일하거나 그보다 작은 직경/폭을 갖는다. 작을 경우, 중앙 허브는 다리 사이에 위치하는 노출 표면 부위를 가질 것이며, 이 표면 부위는 복합 구조 재료의 매트릭스와 골재의 물리적 상호작용(캡슐화)을 돕기 위해 옴폭 들어가거나(dimpled) 아니면 (오목부와 같은) 표면 윤곽을 포함하도록 구성될 수 있다.
그러나, 중앙 허브의 직경/폭은 적어도 허브와 다리가 연결되는 곳에서 각 다리의 직경/폭과 동일할 수 있고, 이 형태의 경우 중앙 허브는 노출 표면 부위를 갖지 않는다. 이 형태에서는, 골재 입자를 볼 때 중앙 허브가 쉽게 식별되지 않을 수 있다.
골재 입자는 바람직하게는 적합한 플라스틱 재료로 구성되는데, 이는 재활용 플라스틱 재료이거나 아닐 수 있다. 예를 들어, 폴리스티렌, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 고밀도 플라스틱 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 유사하게, 골재는 다른 플라스틱 재료로 만들어진 플라스틱을 포함할 수 있는데, 예를 들어 일부 입자는 HDPE로 구성되고 일부 입자는 PVC로 구성될 수 있다. 대안적으로, 골재는 플라이 애시와 같은 성형 또는 주형 가능한 비-플라스틱 재료로부터 형성되거나, 성형 또는 주형 가능한 비-플라스틱 재료를 첨가한 플라스틱 재료로부터 형성될 수 있다.
골재 입자는 중공 또는 적어도 부분적으로 중공일 수 있거나, 속이 꽉 찰 수 있다. 속이 꽉 찬(solid) 골재 입자가 바람직하다.
복합 구조 재료의 매트릭스는 주로 포틀랜드 시멘트와 같은 시멘트 바인더이거나, 강력 개질 시멘트(energetically modified cement) 또는 시멘트 블렌드, 또는 시멘트의 다른 적합하고 바람직한 형태일 수 있다. 또한, 매트릭스는 고분자 수지, 진흙, 역청, 금속 또는 세라믹일 수 있다. 매트릭스는 상술한 바와 같이 모래와 같은 미세 골재 및 물을 포함할 수 있다.
처음에 혼합될 때, 시멘트 및 물은 맞물린 결정의 뒤얽힌 사슬의 겔을 빠르게 형성하고, 겔의 성분은 계속 반응한다. 처음에 겔은 유체라서 작업성을 개선하고 재료 배치를 도우나, 콘크리트가 굳어감에 따라 결정 사슬은 단단한 구조로 연결되어 겔의 유동성을 저해하고 골재 입자를 그 자리에 고정한다. 경화 중에, 시멘트는 수화 과정에서 잔여의 물과 계속 반응한다. 이 경화 과정이 종료되면, 생성물은 원하는 물리적 및 화학적 특성을 갖는다.
상술한 바와 같이, 작업성은 콘크리트의 품질 저하 없이 원하는 작업(진동)으로 적절하게 거푸집/몰드를 채우는 새로운 콘크리트 믹스의 능력이다. 작업성은 수분 함량, 골재(형상 및 부피), 시멘트성 성분 및 재령(age)(수화 정도)에 의존하며, 화학적 첨가제를 첨가함으로써 변경될 수 있다. 수분 함량을 증가시키거나 화학적 첨가제를 첨가하는 것은 콘크리트 작업성을 증가시킨다. 과잉의 물은 블리딩(표면수) 및/또는 (콘크리트 및 골재가 분리되기 시작할 때) 골재의 분리를 증가시켜 콘크리트의 품질을 저하시킬 수 있다. 골재 입자 중에서 바람직하지 않은 그래데이션(gradation)(크기 분포)을 갖는 종래 골재를 사용할 경우, 매우 낮은 슬럼프를 갖는 바람직하지 않은 믹스를 초래하는데, 이는 적정량의 물을 첨가해도 쉽게 작업 가능해질 수 없다.
본 발명의 골재 입자를 복합 구조 재료에 사용할 경우, 복합 구조 재료의 기계적 특성을 저해하지 않는 것으로 밝혀졌다. 또한, 골재 입자 형상의 예상 역할에 대한 종래 관점과 달리, 본 발명의 골재 입자를 사용할 경우, 복합 구조 재료를 덜 작업 가능하게 하지 않는 것으로 밝혀졌고, 복합 구조 재료의 내구성 저하를 초래하지도 않는다.
반대로, 본 발명에 따른 골재 입자의 형상은 가벼워질 수 있으면서(골재의 경량으로 인한 이점), 필요한 강도 및 작업성을 갖는 복합 구조 재료의 형성을 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다. 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 다리의 방향성 및 서로 얽힌(inter-digitating)(또는 거의 그런) 상태에 접근하려는 골재 입자의 경향은 골재 입자 사이의 매트릭스 내에서 기계적 상호작용을 개선함으로써, 상대적으로 경량이면서 만족스러운 강도 및 작업성을 얻게 하는 것 같다.
다리의 방향성은 또한 경화물을 통한 균열 전파를 최소화하는데 도움을 주고, 또한 마주칠 경우 균열을 완전히 막거나 그 방향을 돌리게 하며, 종래 골재를 포함하는 동일한 콘크리트 믹스에 비해 증가한 파괴 인성을 나타내는 완성물을 얻게 하는 것으로 믿어진다.
또한, 골재 입자는 종래의 구형(또는 거의 구형) 골재 입자와 비교할 경우 "벌크(bulk)"를 덜 갖는데, 이는 콘크리트 믹스를 작업할 경우 매트릭스를 통한 움직임에 저항성을 덜 가짐을 의미한다. 압밀화 중에, 콘크리트 중 골재가 믹스의 벌크로 그리고 표면으로부터 떨어져 이동하는 것을 작업자가 보장하려고 할 경우, 본 발명에 따른 골재 입자의 낮은 "벌크"(더 적게 노출된, 연속적인 표면적)는 본 발명에 따른 골재 입자가 표면으로부터 쉽게 떨어져서 믹스로 이동하게 하는 것으로 밝혀졌다. 다시 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 이것은 본 발명에 따른 콘크리트의 필요 강도 및 작업성이 달성될 수 있도록 돕는 것으로 믿어진다.
바람직한 형태에서, 본 발명의 복합 구조 재료는 약 0.1% 내지 25% v/v, 또는 약 0.5% 내지 20% v/v, 또는 약 1.0% 내지 15% v/v의 골재를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 골재의 양은 약 2.0% 내지 7.5% v/v, 더욱 바람직하게는 약 2.5% 내지 5.0% v/v의 범위이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1형태에 따른 골재 입자를 위에서 본 사시도이다.
도 2는 도 1의 형태를 밑에서 본 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2형태에 따른 골재 입자를 위에서 본 사시도이다.
도 4는 도 3에 따른 형태의 측면도이다.
도 1 및 2에 예시된 바와 같이, 제1형태에 따른 입자(10)는 본 발명에 따른 복합 구조 재료용으로 적합한 골재를 형성할 수 있다. 입자(10)는 중앙 허브(18)로부터 바깥쪽으로 연장되는 6개의 반경 방향 다리(12)를 포함하지만, 상술한 바와 같이 3개 이상의 다리만 있으면 된다.
이 형태에서 중앙 허브(18)는 일반적으로 원통형으로 구성되며, 6개 중 4개의 다리(12a, 12b, 12c, 12d)는 2차원(데카르트 기하학의 x 및 y 좌표로 볼 수 있음)에서 허브(18)의 측벽으로부터 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장되고, 측벽에 대해 대칭적으로 배치된다. 나머지 2개의 다리(12e, 12f)는 제3차원(데카르트 기하학의 z 좌표로 볼 수 있음)에서 허브(18)의 말단 벽으로부터 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장된다. 따라서 6개의 다리는 함께 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장되어 3차원 입자(10)를 형성한다.
이 형태의 다리(12)는 허브(18)로부터 멀어질수록 직경이 감소하는 원뿔형이다. 다리의 자유단은 (다리(12d)에 도면 부호로 예시한 바와 같이) 평탄면(16)으로 끝나는 원뿔대형 팁(14)을 갖는다.
도 3 및 4에 예시된 바와 같이, 제2형태에 따른 입자(20)는 본 발명에 따른 복합 구조 재료용으로 적합한 골재를 또한 형성할 수 있다. 이 형태의 입자(20)는 중앙 허브(24)로부터 모두 바깥쪽으로 연장되는 6개의 반경 방향 다리(22)를 포함한다.
이 형태에서 중앙 허브(24)는 일반적으로 구형으로 구성되며, 6개의 다리(22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)는 허브(24)로부터 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장되고 허브(24)에 대해 대칭적으로 배치되어 3차원 입자(20)를 형성한다.
제2형태의 다리(22)는 모두 허브(24)로부터 멀어질수록 직경이 감소하는 원뿔형 부위(25)를 갖는다. 4개의 다리의 자유단은 (다리(22a)에 도면 부호로 예시한 바와 같이) 전구형 구형 팁(26)을 갖고, 반면에 나머지 2개의 다리(22e, 22f)의 자유단은 평탄면(27)으로 끝난다.
입자(20)의 각 다리(22)의 길이는 중앙 허브(24)의 직경보다 크다. 제1예에서, 제2형태의 중앙 허브(24)는 10 mm의 직경을 갖고, 모든 다리(22)는 허브(24)로부터 팁(26) 끝 또는 평탄면(27)까지 측정한 12 mm의 길이를 가지며, 입자(20)의 전체 폭은 34 mm이다. 이 제1예에서, 전구형 구형 팁(26)은 5.2 mm의 직경을 갖고, 평탄면(27)은 4 mm의 직경을 갖는다.
더 작은 제2예에서, 제2형태의 중앙 허브(24)는 5 mm의 직경을 갖고, 모든 다리(22)는 허브(24)로부터 팁(26) 끝 또는 평탄면(27)까지 측정한 6 mm의 길이를 가지며, 더 작은 입자(20)의 전체 폭은 17 mm이다. 이 제2예에서, 전구형 구형 팁(26)은 2.6 mm의 직경을 갖고, 평탄면(27)은 2 mm의 직경을 갖는다.
제2형태의 두 예에서, 다리(22)의 원뿔형 부위(25)의 직경은 중앙 허브(24)로부터 멀어질수록 감소한다. 각 다리(22)는 중앙 허브(24)와의 최근접 위치에서 중앙 허브(24)의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 따라서, 중앙 허브(24)는 다리(22) 사이에 위치한 노출 표면 부위(28)를 갖고, 이 표면 부위(28)는 오목부(30)를 포함한다.
본 발명에 따른 복합 구조 재료는 골재로서 다수의 제2형태의 입자(20)를 이용하되 큰 (제1) 예의 입자를 이용하여 형성하였다. 각 입자(20)는 1.39 g의 중량 및 1.63 ㎤의 부피를 가졌다.
제1실시예에서, 시멘트, 골재, 모래 및 물로 구성된 원료를 14:1:31.76의 혼합 비율(중량), 0.564의 물 대 시멘트 비율로 혼합하여 1 세제곱미터의 콘크리트를 만들었다. 구체적으로, 이 실시예에서 시멘트 350 kg, 골재 25 kg 및 모래 794 kg을 이용하였다. 콘크리트에서 골재의 부피 비율은 약 2.93%이었다.
제2실시예에서, 시멘트, 골재, 모래 및 물로 구성된 원료를 14:1:29.92의 혼합 비율(중량), 0.503의 물 대 시멘트 비율로 혼합하여 1 세제곱미터의 콘크리트를 만들었다. 구체적으로, 이 실시예에서 시멘트 350 kg, 골재 25 kg 및 모래 748 kg을 이용하였다. 콘크리트에서 골재의 부피 비율은 약 2.93%이었다.
두 실시예에서, 시멘트는 포틀랜드 시멘트 클링커(clinker) 및 석고로부터 형성된 Adelaide Brighton Cement Limited의 범용(GP) 시멘트이었고, 골재는 도 3 및 4에 예시된 다수의 입자(20)이되 큰 예의 입자이었다.
혼합 공정은 균일한 혼합물을 형성하여 믹스 전체에 걸쳐 골재의 일정한 분포를 보장하였다. 제1실시예의 콘크리트의 밀도는 2,151 kg/㎥이었고, 제2실시예의 콘크리트의 밀도는 2,129 kg/㎥이었으며, 보통 콘크리트의 통상적인 밀도가 2,300 내지 2,400 kg/㎥인 것을 고려하면, 실시예의 콘크리트는 보통 콘크리트보다 약 10% 가벼웠다.
콘크리트의 압축 강도 및 휨 강도와 같은 콘크리트의 기계적 특성을 평가하기 위해, 두 실시예에 대한 콘크리트 시험편을 원통형 몰드(직경 100 mm 및 높이 200 mm) 및 사각 빔(폭 105 mm 및 길이 355 mm)으로 제조하고 약 1일 동안 공기 건조하였다. 이후, 샘플을 몰드에서 꺼내고 27일 동안 경화시켜 요구된 재령이 되도록 하였다.
샘플 실린더의 압축 강도는 제1실시예의 경우 28.0 MPa 그리고 제2실시예의 경우 29.5 MPa이었다. 샘플 빔의 휨 강도(파괴 계수)는 제1실시예의 경우 4.6 MPa 그리고 제2실시예의 경우 4.7 MPa이었다.
제1실시예의 믹스에 대해 슬럼프 테스트를 수행한 결과 슬럼프는 100 mm이었고, 제2실시예의 믹스에 대해 슬럼프 테스트를 수행한 결과 슬럼프는 70 mm이었다.
두 실시예의 복합 구조 재료(최종 콘크리트 생성물)는 돌 및 자갈과 같은 종래 골재 재료의 통상적인 형상과 유사한 일반적으로 구형을 갖는 플라스틱 골재로 만들어진 콘크리트에서 흔히 입증된 압축 및 휨 강도의 동일한 손실을 나타내지 않았다. 또한, 압축 및 휨 강도 시험 후 샘플 실린더 및 빔을 시각적으로 관찰한 결과, 종래 골재를 이용한 종래 콘크리트와 비교하여 균열 전개가 감소하였다.
또한, 골재 분포를 나타내도록 샘플 실린더를 수평으로 절단한 후, 재료분리가 거의 없었고 골재 입자 주변에 큰 공극이 없었다. 또한, 적정 수준의 진동이 경화 전에 콘크리트 믹스에 골재를 가라앉게 하여 표면으로부터 멀리 골재를 이동시키는데 충분하였다. 슬럼프 70 mm 및 100 mm의 작업성은 보통 철근 콘크리트를 형성하는 용도에서 좋은 결과로 간주되었다.
이 분야의 당업자는 구체적으로 기술된 것 이외에 변형 및 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 이러한 모든 변형 및 변경을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명은 본 명세서에서 언급되거나 기재된 모든 단계, 특징, 조성 및 화합물을 개별적으로 또는 집합적으로, 그리고 2개 이상의 단계 또는 특징의 조합을 포함한다.

Claims (40)

  1. 시멘트 바인더, 강력 개질 시멘트, 또는 시멘트 블렌드의 매트릭스 내의 골재로부터 형성된 복합 구조 재료로서, 골재는 입자 재료이고, 각 입자는 중앙 허브로부터 반경 방향으로 대칭적으로 바깥쪽으로 연장되어 3차원 골재 입자를 형성하는 적어도 3개의 반경 방향 다리를 포함하며, 다리는 중앙 허브와의 최근접 위치에서 중앙 허브의 직경 또는 폭보다 작은 직경을 갖고, 중앙 허브는 구형, 원통형, 또는 육면체형을 가지며, 중앙 허브는 다리 사이에 위치한 노출 표면 부위를 갖고, 표면 부위는 표면 윤곽을 포함하며, 복합 구조 재료는 2.0% 내지 7.5% v/v의 골재의 양을 포함하는 복합 구조 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    2.5% 내지 5.0% v/v의 골재의 양을 포함하는 복합 구조 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 다리는 다른 다리와 상이한 크기 및/또는 형상으로 구성되는 복합 구조 재료.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    다리는 원통형, 원뿔형 또는 원뿔대형이고, 원뿔형 및 원뿔대형의 경우 중앙 허브로부터 멀어질수록 직경이 감소하는 복합 구조 재료.
  5. 제4항에 있어서,
    일부 다리는 원통형으로 구성되고, 일부 다리는 원뿔대형으로 구성되는 복합 구조 재료.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    다리의 자유단은 평탄면, 곡면, 또는 전구형 구형 팁을 갖는 복합 구조 재료.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    표면 윤곽은 오목부인 복합 구조 재료.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    골재 입자는 폴리스티렌, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 또는 고밀도 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 플라스틱 재료로 구성되거나, 성형 가능한 또는 주형 가능한 비-플라스틱 재료로 구성되거나, 또는 이들 재료의 혼합물로 구성되는 복합 구조 재료.
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