KR20010034589A - 섬유로 강화된 빌딩 재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라, 무기 결합제 및 합성 섬유로 이루어진 신규한 섬유로 강화된 빌딩 배합물이 제공된다. 본 발명의 배합물에 사용되는 섬유성 물질은 교반하에 점진적인 피브릴화를 진행할 수 있다. 그 결과, 앞서 가능하였던 것 보다 더 높은 섬유 부가율로 인해 더 강한 인성의 빌딩 재료가 제공된다. 또한, 포틀랜드 시멘트 기재 조성물 및 피브릴화 합성 섬유를 함유하는 배합물이 고려된다. 이외에, 포틀랜드 시멘트 기재 조성물을 포함하는, 섬유로 강화된 빌딩 재료를 제조하는 방법과 그로부터 제조된 제품이 제공된다.
Description
콘크리트는 인간이 만든 모든 재료 중에서 가장 많이 생산된다. 콘크리트는 다른 건축 재료에 비교하여 저비용, 원료 재료의 일반적인 이용성, 적응성, 및 상이한 환경 조건하에서의 유용성을 포함하여 많은 이점을 갖고 있다. 따라서, 콘크리트는 아마도 예견할 수 있는 미래까지 주거 건축 재료로 계속될 것이다. 불행히도, 무근 콘크리트는 또한 매우 낮은 인장 강도 및 응력 능력을 갖는 취성의 재료로, 일반적으로 강화시킨 후에 건축 재료로서 광범위하게 사용될 수 있다.
저 인장 강도 재료를 강화하기 위한 또 다른 재료를 사용한다는 생각은 오래된 개념이다. 예를 들면, 점토 벽돌의 특성을 향상시키기 위하여 짚 및 마모직이 수 천년 동안 사용되었다 [Bentur, A., Mindess, S., "Fiber Reinforced Cementitious Composites," (Elsevier Applied Science, 1990)]. 더욱 최근에 와서, 생성된 복합체의 성능 특성을 강화하기 위하여 넓은 범위의 가공 재료 (세라믹, 플라스틱, 시멘트 및 석고 제품을 포함하여)에 섬유가 도입된다 [American Concrete Institute ACI 544.1R-96, "Fiber Reinforced Concrete," 1996]. 콘크리트로 섬유의 도입은 매트릭스 강도, 섬유 유형, 섬유 계수, 섬유 장경비, 섬유 강도, 섬유 표면 결합 특성, 섬유 함량, 섬유 배향, 응집물 크기 효과 등을 포함하는 많는 요인에 따라 미묘한 내지 실질적인 범위에서의 후-탄성 특성의 변화를 초래한다. 강화된 특성에는 인장 강도, 압축 강도, 탄성 계수, 균열 내성, 균열 방지, 내구성, 피로 수명, 충격 및 마모에 대한 내성, 수축, 팽창, 고온 특성 및 내화성 등이 포함된다.
보강근과 달리 섬유 강화가 국지적인 균열의 방지에 있어서 종래의 강화에 비하여 더욱 효과적인 것으로 알려져 있지만, 대부분의 경우에서 콘크리트의 지지력에 있어서 어떠한 증가도 제공하지 못한다. 종래의 보강근은 전략적으로 구조물에 위치하여 인장 응력을 부여하지만 섬유는 콘크리트 구조물에 불규칙하게 분포된다. 따라서, 섬유는 종래의 강화에 대한 대체물로서의 고안에 사용되지 않는다. 현재 ACI 위원회 318에 의하여 제기되지는 않았지만, 섬유는 종종 구조물 응용품에 종래의 강화와 함께 사용된다 [American Concrete Instituse, ACI 318 Building Code Requirements for Reinforced Concrete, 1995].
결점을 극복하기 위하여 콘크리트에 강철 섬유를 가하는 방법은 금세기 초에 처음으로 도입되었다. 1920년 및 1935년 사이에, 강철 섬유로 강화된 콘크리트 (SFRC)에 관한 여러 특허가 허여되었다 (참조, 예를 들면 클레인라겔 (Kleinlagel, A.)의 독일 특허 제3,888,959호; 샬리즈 (Scallies, J.C.)의 프랑스 특허 제514,186호; 마틴 (Martin G.C)의 미국 특허 제1,633,219호; 및 에테리지 (Etherridge, H.)의 미국 특허 제1,913,707호). 콘크리트에서의 유리 섬유의 사용은 1950년대 말에 러시아에서 최초로 시도되었다 [Biryukovich, K.L. 및 Yu, D.L.의 "Glass Fiber Reinforced Cement" (G.L. Caims에 의하여 번역됨, CERA Translation, No. 12, Civil Eng. Res. Assoc., London, 1965)]. 합성 섬유 (나일론, 폴리프로필렌)를 사용하는 것에 대한 최초의 시도는 1960년대에 이루어졌다 [Monfore, G.E. "A Review of Fiber Reinforced Portland Cement Paste, Mortar and Concrete," J. Res. Dev. Labs, Vol. 10, No. 3, Sept 1968, pp36-42; Goldfein, S., "Plastic Fibrous Reinforcement for Portland Cement," Technical Report No. 1757-TR, U.S. Army Research Development Laboratories, Fort Belvoir, Oct. 1963, pp.1-16].
강철 섬유가 처음 사용되었을 때, 오직 곧은 강철 섬유만이 사용되었다. 강철 섬유의 사용으로 연성 및 파괴 인성에 대한 특성이 향상되고, 휨 강도가 또한 증가된다고 보고되었다. 곧은 강철 섬유의 경우, 복합체의 특성을 조절하는 기본 요인은 섬유 부피 비율 및 길이/직경 또는 섬유의 장경비였다. 섬유의 양은 콘크리트의 90 내지 120 kg/cm3(1.1 내지 1.5 부피%)의 범위였다. 장경비는 60 내지 100의 범위였다. 초기 단계에서 직면한 주요 문제는 혼합 및 작업성의 난점이었다. 부피 비율이 높을 때, 섬유는 혼합 공정 동안 둥글게 뭉쳐지는 것이 관찰되었다. 이른바 볼링 (balling)이라 불리우는 이러한 공정은 더 긴 섬유의 경우에 빈번히 발생하였다. 이는 특히 더 높은 섬유 부피 비율의 경우에 콘크리트의 품질에 영향을 미친다. 더욱이, 섬유 첨가의 결과로 콘크리트의 작업성은 항상 감소되었다.
1970년대 말 변형 강철 섬유의 출현으로 현장에서 섬유로 강화된 콘크리트의 사용이 증가되었다. 라마크리쉬난은 후크 경사를 갖는 섬유를 곧은 강철 섬유 보다 더 낮은 부피 비율로 사용하여 제품 연성과 인성 면에서 동일한 결과를 얻을 수 있다는 것을 입증하였다 [Ramakrishnan, V., Brandshaug, T., Coyle, W.V., and Schrader, E.K., "A Comparative Evaluation of Concrete Reinforced with Straight Steel Fibers and Deformed End Fibers Glued Together in Bundles," ACI Journal, Vol. 77, No. 3, May-June 1980, pp135-143]. 이들 섬유는 콘크리트에 첨가될 때 섬유가 더 낮은 (겉보기) 장경비를 갖도록 수용성 아교로 가장 자리가 함께 접착되었다. 혼합 동안, 섬유는 분리되고, 각각의 섬유로 분산되었다. 더 작은 부피 비율의 섬유와의 배합과 함께 접착과 이어진 분산으로 볼링의 사실상 제거된다. 후에, 권축, 패들, 및 확장 경사와 같은 많은 다른 섬유 형상이 또한 개발되었다.
1996년 간행된 문헌 [The ACI 544 Commeitte Report on Fiber Reinforced Concrete]에는 콘크리트에서 합성 섬유가 미국 육군의 공학 연구 개발부에 의하여 최초로 중요하게 사용되었다고 보고되었다 [American Concrete Institute ACI 544 IR-96, "Fiber Reinforced Concrete," 1996]. 합성 단필라멘트의 섬유가 폭발 내성 콘크리트 구조물의 건설에 사용되었다. 사용된 섬유는 길이가 13 내지 25 mm이고, 장경비가 50 내지 100으로, 그 당시의 콘크리트에 사용되는 강철 섬유와는 입체적으로 그렇게 다르지 않았다. 이들 섬유로 콘크리트의 0.5 부피% 이하의 부가율이 연성 및 충격 내성을 현저히 증가시킨다는 것을 발견하였다.
그러나, 섬유로 강화된 기술의 상업적인 탐색은 거의 없었으며, 콘크리트에서 합성 섬유의 대규모의 개발 및 사용은 1980년대에 이르러서야 진행되기 시작하였다. 이러한 작업은 주로 더 낮은 섬유 부가율로 저데니어 섬유 (즉, 높은 장경비를 갖는 작은 직경의 섬유)를 사용하여 수행되었다 [Morgan, D.R. and Rich, L., "High Volume Synthetic Fiber Reinforced Shotcrete," The First International Conference on Synthetic Fiber Reinforced Concrete, Orlando, Florida, USA, January 16, 1998]. 대부분의 작업은 0.1 내지 0.2 부피%의 부가율로 조합된 피브릴 폴리프로필렌 섬유를 사용하여 수행되었다. 이러한 낮은 섬유 부피 부가율에서 섬유의 기본적인 이점은 소성 수축 균열 방지 및 압출되고 특정의 그린 주형된 예비주형의 콘크리트 제품으로의 그린 강도의 제공에 있다. 연성 및 충격 내성의 강화와 장기간의 구속된 건조 수축 균열에 대한 내성은 그러한 낮은 섬유 부피 부가율로 제한된다. 이들 낮은 섬유 부가율에서 조차 섬유 번수 (매트릭스의 단위 부피에서의 섬유의 수) 및 비표면적 (매트릭스의 단위 부피당 섬유 표면적)은 매우 높다는 것에 주목하여야 한다. 결과적으로, 현재 콘크리트 혼합물의 고안에 대한 현저한 변화없이는 종래의 피브릴화 폴리프로필렌 섬유를 0.4 부피% 이상으로 콘크리트에 도입하는 것은 매우 어렵다. 그 결과, 오늘날 사용되는 합성 섬유 대부분은 단순히 소성 수축을 방지하기 위하여 매우 낮은 섬유 부가율로 콘크리트에 도입된다.
새로운 분야의 용도의 출현과 함께 연구에 대한 관심은 인성 지수 및 다른 요인이 고려 대상이 되는 고 섬유 함량으로 이동되었다. 인성 지수는 최초의 균열 이후 콘크리트 매트릭스 내에서의 섬유의 내하력을 나타낸다. 앞서 언급한 것처럼, 현장 타설 콘크리트는 최소 혼합 비율 조정으로 0.4 부피% 이하의 합성 섬유를 수용한다. 0.75 부피% 이하의 비율로 첨가된 섬유를 갖는 습식 혼합 쇼트크리트 (shotcret)는 인성 지수치의 중요한 증가를 제공한다 [Morgan, D.R., McAskill, N., Richardson, B.W., and Zellers, R.C., "A Comparative Evaluation of Plain, Polypropylene Fibers, Steel Fibers, and Wire Mesh Reinforced Shotcrete," Transportation Research Board, Washington D.C., Jan. 1989]. 섬유 길이 및 섬유 형상은 이러한 섬유 함량에 있어서 중요한 인자이다. 슬래브-온-그레이드 (slab-on-grade) 용도에서, 조합된 피브릴 폴리프로필렌 섬유가 0.3 부피% 이하로 사용되면, 피로 강도가 급격히 증가한다 [American Concrete Institute ACI 544, 1R-96, "Fiber Reinforced Concrete," 1996].
수년전에, 독특한 분배 시스템과 함께 새로운 단필라멘트의 폴리올레핀 섬유가 개발되었으며, 현재 1.0 내지 2.0 부피% 범위의 섬유 부가율 (즉, 종래의 피브릴화 폴리프로필렌 섬유 보다 10배 큰 값)로 사용되고 있다. 상기 섬유는 상이한 콘크리트 플랫워크 (flatwork) 및 다른 현장 타설 콘크리트 용도, 예를 들면 전체 깊이의 콘크리트 포장, 교상 덧씌우기, 화이트토핑 (whitetopping), 등의 범위에 사용되었다 [Ramakrishnan, V., and MacDonald, C.N., "Durability Evaluation and Performance Histories of Projects Using Polyolefin Fiber Reinforced Concrete," ACI British Columbia Chapter, High Performance Concrete Seminar, Vancouver BC, April 1997, p15]. 사용된 섬유는 길이가 25 내지 50 mm이고, 66 내지 80 범위의 장경비를 갖는다. 이러한 더 높은 섬유 부가율에서, 콘크리트 복합체에서의 연성, 충격 내성 및 인성이 실질적으로 증가하고, 0.5 내지 0.7 % (40 내지 55 kg/m3) 섬유 부피 부가율로 강철 섬유로 강화된 콘크리트로 달성될 수 있는 값에 더욱 비교할만 하다. 우수한 강화 특성을 설명하는 것으로부터 벗어나, 폴리올레핀 섬유는 부식이 결코 일어나지 않는 다는 점에서 강철 대응물 보다 우수한 이점을 갖는다. 동일한 원리 (높은 부가율로 중합체 섬유를 사용)에 따라, 합성 공업은 쇼트크리트 용도를 위한 새로운 중합체 섬유를 발표하였다. 이른바 S-152 고성능 중합체 (HPP)라고 불리우는 새로운 섬유는 가공된 윤곽의 프로파일을 갖는 굵은 필라멘트로 제조된다 [Synthetic Industries, product literature, 1998]. 섬유를 쇼트크리트에 고정하기 위하여 파 유사 형태의 섬유가 고안되었다. 부가적으로, 섬유의 거침 (coarseness)은 종래의 섬유에 비해 단위 부피당 더 높은 비율로 혼합될 수 있도록 하여 쇼트크리트 용도에서 강화된 구조 성능을 제공한다.
그러나, 폴리올레핀 섬유는 그 원래의 형태가 혼합 후에도 남아있는 단필라멘트의 섬유이기 때문에 용도가 제한된다. 이것은 비교적 저표면적을 가지며 따라서 결합 특성이 불량하게된다. 따라서, 이로운 결과를 달성하기 위해서는 비교적 큰 부피%로 도입되어야 한다.
콘크리트에 대한 섬유의 첨가는 일반적으로 혼합물의 슬럼프 및 취급 특성의 손실을 초래한다. 이러한 손실은 섬유의 장경비 (길이/직경) 또는 섬유 부가율이 증가하면서 분명해진다. 종래의 혼합된 섬유로 강화된 콘크리트의 경우, 높은 장경비의 섬유가 매트릭스로 부터의 철수에 더욱 내성을 갖기 때문에 후-피크 성능을 개선하는 데 더욱 효과적이다. 높은 장경비의 섬유를 사용할 때의 해로운 효과는 혼합동안 섬유의 볼링의 잠재성에 있다.
오늘날 사용되는 대부분의 합성 섬유는 매우 높은 표면적 및 장경비를 갖는 피브릴화 섬유이다. 이들 섬유의 매우 높은 표면적은 심각한 작업성 및 섬유 볼링 문제의 초래없이 0.5 부피% 이상의 높은 섬유 부가율로 작업가능한 콘크리트 혼합물을 제조하는 것을 어렵게 만든다. 이러한 이유로, 합성 섬유는 대부분 0.1 부피%의 섬유 부가율로 사용되며, 대개 콘크리트에서의 수축 균열을 방지하기 위하여 첨가된다.
따라서, 당분야에서는 상기 언급한 단점을 극복하면서 여전히 우수한 수축 및 취급 특성을 유지하는 섬유로 강화된 콘크리트 배합물에 대한 필요가 존재한다. 더욱 구체적으로는, 볼링에 덜 민감하며, 따라서 더 높은 부피 비율로 첨가될 수 있는 유형의 섬유를 사용할 수 있는 것이 소망된다. 더 높은 부피 비율은 앞서의 콘크리트와 같은 섬유로 강화된 빌딩 재료에서는 달성될 수 없었던 증가된 강화 특성을 초래할 것이다.
＜발명의 개요＞
본 발명은 감소된 소성 수축, 감소된 건조 수축, 개선된 내화성, 개선된 피로 수명, 개선된 열 팽창 및 수축에 대한 내성, 높은 인성 지수, 개선된 작업성 및 취급성 등과 같은 개선된 성능 특성을 갖는 콘크리트와 같은 섬유로 강화된 빌딩 재료를 제공함으로써 당 분야의 상기 설명된 필요를 해결한다. 본 발명의 강화된 빌딩 재료는 한정된 초기 특성과 혼합시 실질적으로 증가된 표면적을 초래하는 특정의 피브릴화 능력을 갖는 섬유성 물질을 사용하여 제조된다.
본 발명에 따라 사용되는 섬유성 물질의 초기의 저표면적은 콘크리트 혼합물의 고안에 임의의 변화를 초래하거나, 섬유의 볼링을 회피하기 위하여 결합제의 임의의 방출없이 비교적 고함량의 섬유를 부가할 수 있도록 한다. 본원에서 사용되는 섬유성 물질의 점진적인 피브릴화를 진행하는 능력은 혼합 초기 단계에서 섬유를 비교적 온전한 상태로 유지하면서 콘크리트 혼합물 전체에 섬유의 균일한 분포를 가능하게 한다. 이어서, 섬유가 피브릴화되기 시작할 때 이들은 이미 콘크리트 혼합물에 잘 분산되어 있기 때문에 볼링되는 경향이 없다.
본 발명은 섬유로 강화된 빌딩 재료에 관한 것이다. 구체적인 면에서, 본 발명은 강화된 성능 특성을 갖는 빌딩 재료를 제조하기 위하여 교반하에서 점진적으로 피브릴화되어 강화 성능 특성을 갖는 합성 섬유로 강화된 빌딩 재료의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 면에서, 상기 설명된 섬유로 강화된 재료로부터 제조된 제품이 제공된다.
도 1은 본 발명의 수행에서 사용하기 위하여 설명된 성능/물리적 특성을 갖는 단필라멘트의 섬유 1.5 부피%를 함유하는 "쇼트크리트" 배합물의 가요 인성 곡선을 설명하는 그래프이다.
본 발명에 따라, 무기 결합제 및 약 0.1 내지 약 3.0 부피% 범위의 섬유성 물질을 함유하는 혼합물을 포함하며, 상기 섬유성 물질은
(a) 낮은 초기 장경비,
(b) 약 200 mm2이하의 초기 표면적을 특징으로 하고, 배합물의 교반 동안 점진적인 피브릴화를 진행하여 표면적이 약 20 % 이상, 바람직하게는 약 50% 이상의 표면적의 평균 증가를 초래할 수 있는 빌딩 제품 배합물이 제공된다.
또한, 본원에서 상기 설명된 빌딩 제품 배합물과 상기 배합물을 포함하는 제품을 제조하는 방법이 제공된다.
본원에서 사용된 "빌딩 제품 배합물"은 포틀랜드 시멘트 기재 배합물 및 콘크리트, 쇼트크리트, 벽돌, 몰타르, 플라스터, 화이트-톱, 합성 복합체, 탄소기재 복합체 등과 같이 그로부터 제조된 제품을 포함하는 다양한 건축 재료 및 매트릭스를 의미한다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 포틀랜드 시멘트 기재 배합물은 포틀랜드 시멘트, 돌, (자갈 또는 분쇄된 암석) 및 모래로 이루어진 콘크리트이다.
당분야의 숙련자들은 본 발명의 수행에 사용하기에 적합한 무기 결합 물질을 쉽게 식별할 수 있다. 본원에서 사용된, 용어 "무기 결합 물질"은 주로 응집물의 다양한 고형 성분과 함께 유지하도록 작용하는 탄소 무함유 물질을 의미한다. 본원의 사용에 고려될 수 있는 물질의 예에는 포틀랜드 시멘트, 점토, 스터코, 소성 석고, 등이 포함된다. 현재 입수가능하거나 장래에 개발되는 것을 포함하여 이러한 물질이 본 발명의 조성물 및 방법에서의 사용에 고려될 수 있다.
본원에서 사용된 "섬유성 물질"은 통상 적당한 조건하에서 섬유 내부의 단부로부터 점진적으로 섬유가 분리되어 여러 개의 다양한 길이의 필라멘트로, 전체 길이에서 원래의 단필라멘트보다 그 각각의 단면적은 더 작고 장경비는 더 큰 현미경적 작은 크기로 파열되는 경향이 있는 합성 단필라멘트를 의미한다. 물론, 당 분야의 숙련자들은 섬유성 물질이 완전히 분리되거나 파열되지 않으며 여러개의 피브릴로 구성된 하나의 단위로 남아 있을 수 있다는 것 (즉, 부분적으로 피브릴화 될 수 있음)을 인식할 것이다. 본 발명의 한 관점에서, 적절한 조건하에서 길고, 짧고, 부착되고, 부착되지 않은 피브릴의 집단이 기대될 수 있다. 완전히 및 부분적으로 피브릴화된 섬유를 생성하는 데 적합한 조건에는, 교반, 혼합, 진동, 분무 등이 포함된다. 피브릴화된 섬유의 생성된 다양한 섬유 크기 및 장경비는 작업성, 인성 및 수축 내성과 같은 향상된 특성의 범위에 기여한다.
본원에서의 사용에 고려되는 섬유성 물질은 통상 표준 부하 및 조건하에서 빌딩 제품의 배합물의 강화에 유용한 물질이 되기에 충분한 탄성, 인장강도, 인성, pH 변화에 대한 내성, 내습성과 같은 바람직한 성능 특성을 갖는다. 구체적인 구현예에서, 본원의 사용에 고려되는 섬유성 물질은 편평, 권축 및(또는) 엠보싱 섬유 제품으로 이루어진다. 본 발명의 또 다른 관점에서, 원래의 합성 단필라멘트의 초기 단면적 크기는 약 1.1 mm × 0.37 mm이다. 본 발명의 또 다른 특정의 관점에 따라 피브릴화 또는 부분적으로 피브릴화된 섬유성 물질은 합성 중합체 블렌드 섬유의 미세 네트워크 구조를 포함한다. 본원에서 사용된 구절 "네트워크 구조"는 일반적인 용어의 사용으로 피브릴화 또는 부분적으로 피브릴화된 섬유 형태는 비교적 불규칙한 메쉬 또는 얽힌 그물 유사 구조에 해당한다. 본 구절 "미세 네트워크 구조"에서 사용된 수식어 "미세"는 본 발명의 조성물 및 방법에 사용하기 위하여 본원에서 설명된 섬유의 크기에 따라 네트워크의 본래의 작은 성상을 나타낸다.
본원의 사용에 고려되는 적합한 합성 중합체 블렌드의 예에는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌의 중합체 블렌드가 포함된다. 바람직하게는 본원에서 사용되는 폴리에틸렌/폴리프로필렌 블렌드는 약 7.5 g/데니어의 중량, 약 0.94의 비중 및 약 16 % 내지 약 18 %의 파단신장율을 갖는다. 바람직한 구현예에서, 중합체 블렌드는 용융 유동 속도가 약 1.2 내지 약 4 g/10분이고, 비중이 약 0.88 내지 약 0.90 g/cm3인 약 70 % 내지 약 90 %의 폴리프로필렌 수지로 이루어진다. 제시되는 바람직한 중합체 블렌드의 다른 성분은 용융 유동 속도가 약 0.6 내지 약 1.1 g/10분이고, 비중이 약 0.94 내지 약 0.96 g/cm3인 약 10 내지 약 30 %의 고밀도 폴리에틸렌 수지이다. 본 발명의 바람직한 관점에서, 섬유성 네트워크는 상기 설명된 폴리에틸렌/폴리프로필렌 중합체 블렌드만을 포함하며, 함께 어떤 유형의 접착제도 갖지 않는 것이다. 이러한 유형의 예시적인 섬유는 "폴리스틸 (Polysteel) (등록상표)"라는 이름으로 제조되며, 캐나다의 노바 스코티아 시드니 소재의 이스트 코스트 로프 엘티디. (East Coast Rope Ltd.)에서 로프 형태로 시판된다.
본 발명의 조성물 및 방법에 따라 사용되는 것으로 고려되는 섬유는 당 분야의 공지된 방법에 의하여 제조될 수 있다. 본 발명의 한 관점에서, 본 발명의 수행에 사용하기 위하여 고려되는 섬유는 개별적으로 필라멘트를 압출하고, 이어서 켄칭한 후 연신 오븐에서 연신하여 제조된다. 이어서 필라멘트를 어닐링 오븐에서 재가열하여 필라멘트를 완화하고, 필라멘트의 메모리로 고정시킨다. 그 후, 필라멘트를 엠보싱하여 필라멘트의 가요성을 생성하고, 그립능을 향상시킬 수 있다. 최종적으로 필라멘트를 예를 들면 회전 절단 휠을 사용하여 특정의 길이 (용도에 따라)로 절단한다. 물론, 당분야의 숙련자에 의하여 쉽게 인식되는 것처럼, 본원에서 기재된 섬유 설명에 부응하는 섬유를 제조하기 위한 다른 적합한 방법도 또한 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 "장경비"는 섬유의 길이를 유사한 단면적을 갖는 원통형 섬유의 직경으로 나눈 것이다. 본 발명에 따라, 사용된 섬유성 물질은 낮은 초기 장경비를 갖는다. 적합한 장경비는 당 분야의 숙련자에 의하여 쉽게 결정될 수 있다. 통상, 초기 장경비는 약 30 내지 약 80의 범위내에 있다. 당 분야의 숙련자에 의해 쉽게 이해될 수 있는 것처럼, 본 발명의 수행에서 본 발명의 조성물의 특정 배합, 의도된 용도, 본 발명의 조성물의 소망되는 특성 등에 따라 상기 설명된 범위 내의 임의의 값이 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 한 관점에서, 펌프 콘크리트 (예를 들면, 쇼트크리트)에 유용한 배합물을 제조할 때, 초기 장경비는 상기 범위의 하부 값으로, 통상 약 50이어야 한다. 본 발명의 또 다른 관점에서 주입 또는 현장 타설 콘크리트 (슬래브와 같은)에 유용한 배합물을 제조하는 경우, 초기 장경비는 상기 범위의 상부 값으로, 통상 약 70이어야 한다.
당 분야의 숙련자에 의하여 쉽게 인식될 수 있는 것처럼, 본 발명의 수행에서 사용하는데는 넓은 범위의 섬유 길이가 적합하다. 당 분야의 숙련자가 이해하는 것처럼, 본 발명의 수행에서 사용되는 섬유 길이는 본 발명의 조성물의 특정의 배합물, 의도된 용도, 본 발명의 조성물의 소망되는 특성 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 한 관점에서, 펌프 콘크리트에 유용한 배합물을 제조할 때, 본원에서의 사용에 고려되는 섬유성 물질의 초기 섬유 길이는 비교적 짧으며, 통상 약 38 mm일 것이다. 본 발명의 또 다른 관점에서 주입 또는 현장 타설 콘크리트에 유용한 배합물을 제조하는 경우, 섬유 길이는 다소 긴, 통상 약 50 mm일 것이다.
본원에서, 본원에서 사용된 섬유성 물질의 경우에 고려되는 "초기의 저표면적"은 약 200 mm2이하이다. 초기 표면적이 150 mm2이하인 것이 현재 바람직하다. 펌핑될 포틀랜드 시멘트 기재 조성물의 제조에 사용하기 위한 특정 구현예에서, 초기 표면적이 약 110 mm2인 것이 바람직하다. 주입 또는 현장 타설될 포틀랜드 시멘트 기재 조성물의 제조에 사용하기 위한 특정 구현예에서, 바람직한 초기 표면적은 약 150 mm2이다.
본원에서 사용된 "교반"은 본 발명의 배합물의 내용물을 배합/혼합하는 임의의 수단을 의미한다. 그러한 수단 모두가 본 발명의 수행에 사용되는 것으로 고려된다. 교반은 예를 들면 혼합, 회전, 교반, 진탕, 주입, 혼련, 진동, 펌핑, 등에 의한 것과 같이 임의의 기계적 수단에 의하여 달성될 수 있다. 본 발명에 사용되는 것으로 고려되는 추가의 교반 수단에는 초음파 진동 및 가열 유도된 혼합 또는 요동이 포함된다. 바람직한 구현예로, 교반은 시멘트 혼합기의 기계적 작용을 통하여 일어난다.
본 청구범위 및 명세서에서 용어 "피브릴화"의 사용은 초기 저표면적의 섬유성 물질을 성분의 섬유성 네트워크의 각각의 부재로 점진적인 분리 또는 분할하는 것을 의미한다. 피브릴화를 진행하는 소정의 섬유성 물질에서, 다른 출발 섬유들은 실질적으로 완전히 분리되는 반면에 몇몇 초기 저표면적의 섬유성 물질이 실질적으로 미분리되어 온전하게 잔류할 수 있다. 본 발명에 따라, 피브릴화에 이어서 일정한 범위의 분리된 섬유가 존재하며, 이로 인해 섬유성 물질의 집단의 표면적이 약 20 % 이상, 바람직하게는 약 50 % 이상 평균 증가하게 된다. 특히 바람직한 구현예에서, 섬유성 물질은 100 % 이하의 표면적의 평균 증가를 진행한다. 특히 바람직한 구현예에서, 섬유 집단은 200 % 이상의 섬유성 물질의 표면적의 평균 증가를 나타낸다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 섬유의 점진적인 피브릴화는 혼합의 초기 단계에서 콘크리트 혼합물을 통하여 섬유가 거의 균일한 분포를 달성하도록 하면서, 섬유는 여전히 비교적 온전하게 존재한다 (즉, 그의 피브릴화에 앞서).
당분야의 숙련자에 의하여 쉽게 이해될 수 있는 것처럼, 최소 수준의 피브릴화에 의해 섬유 표면적의 가장 작은 증가 (예를 들면 5 % 이상)조차도 원래의 (즉, 피브릴화된) 단필라멘트성 섬유로 달성되는 것 이상으로 섬유로 강화된 빌딩 재료의 전체적인 성능 특성 (예를 들면, 가요 인성, 소성 수축, 건조 수축, 내화성, 피로 수명, 열 팽창 및 수축에 대한 내성, 충격 내성, 작업성, 펌핑 및 취급성 등)의 개선을 초래한다. 섬유 표면적의 더욱 실질적인 증가 (예를 들면, 약 50 % 이상의 범위로)는 성능 특성의 현저한 개선을 초래한다. 본 발명에 따라, 사용되는 섬유의 피브릴화는 섬유성 물질의 표면적을 약 20,000 % 이상으로 평균 증가시킨다. 이러한 평균값에도 불구하고, 당분야의 숙련자들은 더 높은 비율의 표면적의 증가에서 조차 혼합 및 주입 후에 몇몇 섬유는 온전하게 남아 있으며, 표면적에서의 어떠한 가시적인 증가를 나타내지 않는다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
본 발명의 한 관점에 따라, 약 0.1 내지 약 3.0 부피% 범위의 본원에서 설명된 섬유성 물질을 포함하는 빌딩 제품 배합물이 제공된다. 이러한 빌딩 제품 배합물은 다른 섬유로 강화된 빌딩 배합물에 비교하여 감소된 소성 수축, 감소된 건조 수축, 개선된 내화성, 개선된 피로수명, 개선된 열 팽창 및 수축에 대한 내성, 개선된 충격 내성, 증가된 가요 인성, 개선된 작업성, 펌핑 및 취급성 등과 같은 개선된 특성을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 약 0.1 내지 약 0.3 부피% 범위의 본원에서 설명된 섬유성 물질을 포함하는 빌딩 제품 배합물이 제공된다. 이러한 낮은 비율의 섬유 부가로, 이러한 배합물은 소성 수축, 건조 수축, 개선된 내화성, 개선된 피로수명, 개선된 열 팽창 및 수축에 대한 내성, 개선된 작업성, 펌핑 및 취급성과 같은 개선된 특성뿐만 아니라 충격 내성 및 가요 인성에서의 다소의 개선을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 약 0.3 내지 약 3.0 부피% 범위의 본원에서 설명된 섬유성 물질을 포함하는 빌딩 제품 배합물이 제공된다. 이러한 비교적 높은 비율의 섬유 첨가로, 이러한 배합물은 또한 소성 수축, 건조 수축, 개선된 내화성, 개선된 피로수명, 열 팽창 및 수축에 대한 개선된 내성, 개선된 작업성, 펌핑 및 취급성과 같은 개선된 특성뿐만 아니라 충격 내성 및 가요 인성에서의 실질적인 개선을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상기 설명된 섬유성 물질을 무기 결합 재료에 첨가하고 상기 배합물을 충분히 교반하여 섬유의 표면적을 약 20 % 이상, 바람직하게는 약 50 % 이상 평균 증가시키는 빌딩 제품 배합물을 제조하는 방법이 제공된다. 이러한 방법으로 다른 합성 섬유로 강화된 시스템과 비교할 때, 감소된 소성 수축, 감소된 건조 수축, 개선된 내화성, 개선된 피로수명, 열 팽창 및 수축에 대한 개선된 내성, 개선된 충격 내성, 증가된 가요 인성, 개선된 작업성, 펌핑 및 취급성 등과 같은 개선된 특성을 갖는 빌딩 재료를 수득할 수 있다.
본 발명의 한 관점에서, 약 0.1 내지 약 0.3 부피%의 섬유성 물질을 포틀랜드 시멘트 기재 조성물에 첨가하고, 이를 상기에서처럼 교반하여 소성 수축, 건조 수축, 개선된 내화성, 개선된 피로수명, 개선된 열 팽창 및 수축에 대한 내성, 개선된 작업성, 펌핑 및 취급성과 같은 개선된 특성뿐만 아니라 충격 내성 및 가요 인성에서의 다소의 개선을 갖는 빌딩 제품 배합물이 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 약 0.3 내지 약 3.0 부피%의 섬유성 물질을 포틀랜드 시멘트 기재 조성물에 첨가하고, 이를 상기에서처럼 교반하여, 소성 수축, 건조 수축, 개선된 내화성, 개선된 피로수명, 열 팽창 및 수축에 대한 개선된 내성, 개선된 작업성, 개선된 펌핑 및 취급성과 같은 개선된 특성뿐만 아니라 충격 내성 및 가요 인성에서의 실질적인 개선을 갖는 빌딩 제품 배합물이 제공된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상기 설명된 빌딩 제품 배합물을 포함하는 제품이 제공된다. 본 발명의 바람직한 관점에서, 상기 설명한 포틀랜드 기재 배합물을 포함하는 제품이 제공된다.
본 발명은 이제 하기 비제한적인 실시예를 통하여 더욱 자세하게 설명된다.
＜실시예＞
최근의 실험에서, 약 7.5 g/데니어의 중량, 약 0.94의 비중 및 약 16 % 내지 약 18 % 범위의 파단 신장율을 갖는 폴리에틸렌/폴리프로필렌 중합체 블렌드로 이루어진 3000 데니어의 폴리스틸 (등록상표) 섬유 (노바 스코티아의 노쓰 시드니 소재의 이스트 코스트 로프 엘티디.에서 시판)가 1 %의 부피 부가율로 첨가될 때, 가요 인성 및 소성 수축 성능 모두에서 1.67 부피%의 폴리올레핀 (유사한 초기 비표면적 및 동일한 연신 강도 및 탄성계수의 섬유)을 능가한다는 것이 입증되었다. 0.5 및 0.75 %의 섬유 부가율로 일련의 강철 섬유상에서 유사한 실험을 수행하였다. 그 결과는 피브릴화 섬유가 1 %의 부피 부가율로 첨가될 때, 소성 수축 및 건조 수축의 조절에서 강철 섬유를 쉽게 능가한다는 것을 보여주었다.
본원에서 설명한 성능 및 물리적 특성을 갖는 섬유상에서 수행한 쇼트크리트 실험으로 섬유가 1.5 % 이하의 섬유 부피 비율에서 쉽게 펌프되고 쇼트된다는 것이 밝혀졌다. 콘크리트 혼합물 고안에서의 다소간의 변화로 섬유는 2 부피%의 매우 높은 비율에서 펌프되고 쇼트될 수 있다. 상품으로 입수가능한 대부분의 피브릴화 합성 섬유는 0.5 부피% 이상의 섬유 부가율에서 펌프 및 쇼트되는 것이 거의 불가능하였다는 것에 주목해야 한다. 또한, 단필라멘트의 초기의 저표면적의 섬유는 쇼트크리트에서의 매우 많은 양의 섬유를 첨가할 수 있도록 한다. 쇼트크리트의 경우, 피브릴화 작용은 콘크리트 혼합물의 혼합 작용 및 돌출된 표면에 섬유를 충돌시킴으로써 제조된다. 도 1에서 설명된 것처럼, 그 결과는 피브릴화 섬유가 1.5 %의 부가에서 이전의 어떠한 합성 섬유에 의하여서도 달성되지 않았던 인성 성능 수준 V를 달성한다는 것을 가리킨다. 쇼트크리트에서의 피브릴화 섬유의 1 % 섬유 부가율은 인성 성능 수준 IV를 달성하며, 이는 또한 다른 합성 섬유보다 실질적으로 높다.
본 발명을 특정의 바람직한 구현예를 들어 상세하게 설명하였지만, 설명되고 청구된 발명의 범위 및 정신 내에서 변형 및 변경이 있다는 것이 이해되어야 한다.
Claims (13)
- 무기 결합제, 및 약 0.1 내지 약 3.0 부피% 범위의 섬유성 물질을 함유하는 혼합물을 포함하며, 상기 섬유성 물질은(a) 낮은 초기 장경비,(b) 약 200 mm2이하의 초기 표면적을 특징으로 하고, 배합물의 교반 동안 점진적인 피브릴화를 진행하여 약 20 % 이상의 표면적의 평균 증가를 초래할 수 있는 것인,빌딩 제품 배합물.
- 포틀랜드 시멘트, 및 약 0.1 내지 약 3.0 부피% 범위의 섬유성 물질을 포함하며, 상기 섬유성 물질은(a) 낮은 초기 장경비,(b) 약 200 mm2이하의 초기 표면적을 특징으로 하고, 배합물의 교반 동안 점진적인 피브릴화를 진행하여 약 20 % 이상의 표면적의 평균 증가를 초래할 수 있는 것인,포틀랜드 시멘트 기재 배합물.
- 제2항에 있어서, 상기 초기 장경비가 약 30 내지 약 80 범위인 포틀랜드 시멘트 기재 배합물.
- 제2항에 있어서, 상기 섬유성 물질이 기본적으로 통합, 편평 및 권축 섬유로 이루어진 포틀랜드 시멘트 기재 배합물.
- 제2항에 있어서, 상기 섬유성 물질이 합성 수지 유래의 미세 네트워크 구조의 필라멘트로 이루어진 포틀랜드 시멘트 기재 배합물.
- 제5항에 있어서, 상기 합성 수지가 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌의 블렌드를 포함하는 포틀랜드 시멘트 기재 배합물.
- 제6항에 있어서, 상기 섬유성 물질이 약 7.5 g/데니어의 중량, 약 0.94의 비중 및 약 16 % 내지 약 18 %의 신장율을 갖는 포틀랜드 시멘트 기재 배합물.
- 제1항에 있어서, 약 0.1 내지 약 0.3 부피% 범위의 상기 섬유성 물질을 포함하는 빌딩 제품 배합물.
- 제1항에 있어서, 약 0.3 내지 약 3.0 부피% 범위의 상기 섬유성 물질을 포함하는 빌딩 제품 배합물.
- 포틀랜드 시멘트 기재 조성물에,(a) 낮은 초기 장경비,(b) 약 200 mm2이하의 초기 표면적을 특징으로 하고, 배합물의 교반하에 점진적인 피브릴화를 진행하여 약 20 % 이상의 표면적의 평균 증가를 초래하는 것을 특징으로 하는 섬유성 물질 약 0.1 내지 약 3.0 부피%를 첨가하는 것을 포함하는개선된 소성 수축 및(또는) 건조 수축 특성을 갖는 포틀랜드 시멘트 기재 배합물의 제조 방법.
- 포틀랜드 시멘트 기재 조성물에,(a) 낮은 초기 장경비,(b) 약 200 mm2이하의 초기 표면적을 특징으로 하고, 배합물의 교반하에 점진적인 피브릴화를 진행하여 약 20 % 이상의 표면적의 평균 증가를 초래할 수 있는 것을 특징으로 하는 섬유성 물질 약 0.1 내지 약 3.0 부피%를 첨가하는 것을 포함하는개선된 가요 인성 특성을 갖는 포틀랜드 시멘트 기재 배합물의 제조 방법.
- 포틀랜드 시멘트 기재 조성물에,(a) 낮은 초기 장경비,(b) 약 200 mm2이하의 초기 표면적을 특징으로 하고, 배합물의 교반하에 점진적인 피브릴화를 진행하여 약 20 % 이상의 표면적의 평균 증가를 초래할 수 있는 것을 특징으로 하는 섬유성 물질 약 0.1 내지 약 3.0 부피%를 첨가하는 것을 포함하는개선된 균열 내성 및 균열 방지성을 갖는 포틀랜드 시멘트 기재 배합물의 제조 방법.
- 포틀랜드 시멘트 기재 조성물에,(a) 낮은 초기 장경비,(b) 약 200 mm2이하의 초기 표면적을 특징으로 하고, 배합물의 교반하에 점진적인 피브릴화를 진행하여 약 20 % 이상의 표면적의 평균 증가를 초래할 수 있는 것을 특징으로 하는 섬유성 물질 약 0.1 내지 약 3.0 부피%를 첨가하는 것을 포함하는개선된 피로 수명을 갖는 포틀랜드 시멘트 기재 배합물의 제조 방법.
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