KR20020092959A - 큐폴라 슬래그 시멘트 혼합물과, 그의 제조방법 및 사용방법 - Google Patents

큐폴라 슬래그 시멘트 혼합물과, 그의 제조방법 및 사용방법 Download PDF

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윌리 더블유. 스트로프
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Abstract

본 발명은 슬래그 시멘트 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서,
상기 슬래그 시멘트 혼합물은 큐폴라 슬래그 및 포틀랜드 시멘트를 포함하며, 상기 큐폴라 슬래그는 선택적으로 입상으로 분쇄되며, 상기 방법의 한가지 구체예는 슬래그에 물을 분사하거나 또는 물에 넣음에 의해서 슬래그를 빠르게 퀀칭하고, 결과 생성물을 분쇄하며 적어도 6,000㎠/g의 미세도를 얻는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 포틀랜드 시멘트에 35%의 분쇄된 입상 큐폴라 슬래그를 첨가하여 포틀랜드 시멘트 단독보다 더 강하고 견고한 시멘트를 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

큐폴라 슬래그 시멘트 혼합물과, 그의 제조방법 및 사용방법{CUPOLA SLAG CEMENT MIXTURE AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME}
관련된 선출원
본 출원은 2000년 2월 18일에 제출된 미국 가특허 출원 제 60/183,370호에 대해 우선권을 주장한다.
시멘트는 건축자재로 널리 사용된다. 특히 인기있는 시멘트는 포틀랜드 시멘트이다. 포틀랜드 시멘트는 많은 용도, 가령 모르타르, 콘크리트 및 건축 벽돌과 같은 시멘트 건축자재에 사용된다. 포틀랜드 시멘트는 약 3,000 내지 5,000㎠/g의 비표면적 또는 더 미세하게 클링커(clinker)를 분쇄하여 제조된다. 클링커는 석회석, 셰일, 모래, 클레이 및 플라이 애시와 같은 성분에서 고온의 시멘트 킬른에서 생성된다. 시멘트 킬른은 원료를 탈수 및 하소하고, 트리칼슘 실리케이트(3CaO-SiO2), 디칼슘 실리케이트(2CaO-SiO2), 트리칼슘 알루미네이트(3CaO-Al2O3) 및 테트라칼슘 알루미노페라이트(4CaO-Al2O3-Fe2O3)로 구성된 클링커 조성물을 생성한다.
종래의 모르타르 및 콘크리트 조성물은 수화 방법을 활성화하기 위해 시멘트, 자갈 및 모래와 같은 골재 및 물을 포함한다. 모르타르 생성물은 시멘트, 미세 골재 및 물을 혼합하여 얻어진 경화된 시멘트 생성물이다. 콘크리트 생성물은 시멘트, 조립 골재, 물 및 또한 종종 미세 골재를 혼합하여 얻은 경화된 시멘트 생성물이다.
콘크리트 및 모르타르 생성물의 강도 특성은 부분적으로 시멘트, 골재 및 물의 상대적 비율에 의존한다. ASTM(American Society for Testing and Materials) 표준 시험 방법, 가령 ASTM C192 및 C39에서는 1, 3, 7, 14 및 28일 표준으로 포틀랜드 시멘트 콘크리트 혼합물을 혼합, 주조, 경화 및 시험 방법이 기술되어 있다. 더 큰 압축 강도는 시멘트의 요구되는 특성이고, 많은 물질이 시멘트의 압축 강도를 향상시키기 위해 사용되어 왔다.
경화된 시멘트의 압축 강도를 향상시키는 한 방법은 향상된 시멘트 조성물을 제공하기위해서 분쇄된 입상 용광로 슬래그와 시멘트를 혼합하는 것이다. 용광로 슬래그는 칼슘의 실리케이트 및 알루미노실리케이트로 구성된 용광로에서 철 생산의 부산물이다. 급결 시멘트는 용광로 슬래그와 석고를 갈아서 제조될 수 있다. (예를 들면, 미국 특허 제 1,627,237 호 및 제 2,947,643 호를 참조). 용광로 슬래그는 포틀랜드 시멘트와 매우 유사한 수압 특성을 가지며, 시멘트에 용광로 슬래그를 첨가하는 것은 시멘트의 강도를 증가시키는 일반적인 것이다. (ASTM 명세서 C989 참조).
전형적인 북미 용광로 슬래그 조성물의 범위는 32-40% SiO2, 7-17% Al2O3, 29-42% CaO, 8-19% MgO, 0.7-2.2% SO3, 0.1-1.5% Fe2O3및 0.2-1.0% MnO이다. (The Portland Cement Association Research and Development Bulletin RD112T 참조). 미국에서 용광로는 일반적으로 슬래그 비율이 (%CaO + %MgO)/(%SiO2+ %Al2O3)로 정의된 기본적인 슬래그를 사용하여 작동되고, 상기 슬래그 비율은 생성된 철에서 황의 제거 및 많은 탄소 함량의 철 생성을 용이하게 하기 위해 1.0보다 높게 유지된다. 용광로 슬래그의 화학적 조성은 또한 세계적으로 다양하고, 특히 알루미나 함량에서 다양하다. 용광로 슬래그는 매우 유용한 필수품으로 오랫 동안 인식되어왔고, 많은 용도에 사용되어왔다. 시멘트 첨가제로의 용도에 덧붙여, 용광로 슬래그는 아스팔트, 하수 소량-여과재, 도로 돋움 흙 및 기찻길 자갈에 사용된다.
용광로 슬래그는 고-알칼리 함량의 콘크리트 혼합물 및 알칼리-반응성 골재의 과다 팽창을 막는데 사용될 수 있다. 상기 시멘트 혼합물의 40% 이상의 용광로 슬래그를 사용하여 과다 팽창을 막을 수 있다. 용광로 슬래그는 짧은 응결 시간으로 특징되고, 상기는 시멘트 혼합물에 물 혼합의 첨가 및 혼합물이 특정 방법에 의해 측정된 특정 강도에 도달할 때 사이의 시간이다.
강철 슬래그는 또한 시멘트 첨가제로 사용된다. 강철 슬래그는 용광로에서강철 제조 방법에서 형성되고, 고농도의 페라이트를 종종 갖는다. 그의 높은 페라이트 조성때문에, 강철 슬래그는 일반적으로 시멘트 도로 건축재료에 충전재 또는 시멘트 킬른에서 공급원료로 사용된다. 슬래그 일부에 추가의 광물질을 첨가하여 강철 슬래그로부터 수경 시멘트 베이스를 생성할 수 있고, 슬래그의 페라이트 조성을 줄일 수 있다. 상기 추가 단계는 유용한 생성물을 만드는 반면, 비싸고 시간이 소비된다.
용광로 슬래그 및 강철 슬래그의 혼합물은 더 강한 시멘트 생성물을 만들지만, 주조 철 생성의 부산물인 용선로 슬래그는 추가 처리를 제외하고 시멘트에서만 드물게 사용된다. (ASTM C465 및 the American Foundrymen's Society에서 출판한 Cupola Handbook 참조). 용광로 및 용선로는 다르게 작동되고, 다른 철 생성물 제조에 사용되고, 따라서 상기 로의 슬래그 생성물은 또한 화학적 조성 및 물질 특성 모두에서 다르다. 큐폴라 슬래그는 용광로 슬래그와 다른 수압 특성을 갖는다. 예를 들면, 큐폴라 슬래그 혼합 시멘트는 더 천천히 응고되고, 7일에 용광로 슬래그 혼합 시멘트의 강도가 부족하다. 또한, 큐폴라 슬래그는 성분의 일부가 빗물에 용해될 수 있는 것과 같은 환경적 문제에 의해 보통의 콘크리트 첨가제가 아니다. 사실, 큐폴라 슬래그는 종종 처리 문제가 있고, 이는 추가 비용을 만들고, 궁극적으로 생성된 철의 비용을 증가시킨다.
시멘트 분야에는 더 오랜 응고 시간으로 더 단단하고, 더 강한 시멘트 생성물이 요구되고 있다. 또한 주조-철 제조 분야에서 환경적으로 안전하고 경제적으로 실용적인 큐폴라 슬래그의 처분 방법이 요구되고 있다.
발명의 요약
따라서, 본 발명은 증가된 압축 강도의 큐폴라 슬래그 혼합 시멘트에 관한 것이다. 본 발명의 중요한 이점은 환경적으로 안전하고 경제적으로 실용적인 큐폴라 슬래그를 재활용하는 방법을 제공하면서, 더 단단하고 더 강한 콘크리트를 만드는 시멘트 혼합물이다. 본 발명의 시멘트 조성물은 설페이트 공격 및 알칼리 실리카 반응에 의한 팽창 저항을 갖고, 경화 시간의 넓은 범위를 갖도록 제조될 수 있다.
상기 및 다른 이점을 얻기 위해 그리고 발명의 목적에 따라서, 구체화되고 넓게 기술된 바와 같이, 본 발명은 포틀랜드 시멘트와 혼합된 4,000㎠/g 이상의 미세도로 분쇄한 큐폴라 슬래그을 포함하는 수경 시멘트이다. 본 발명의 바람직한 구체예는 포틀랜드 시멘트와 혼합된 5,000㎠/g 이상의 미세도로 분쇄된 큐폴라 슬래그을 포함하는 수경 시멘트이다. 가장 바람직한 구체예에서, 본 발명은 6,000㎠/g와 7,000㎠/g 사이의 미세도로 분쇄한 큐폴라 슬래그를 포함하는 수경 시멘트이다.
하나의 구체예에서, 본 발명은 포틀랜드 시멘트와 혼합된 분쇄된 입상 용선로 슬래그의 약 20 내지 50%를 포함하는 수경 시멘트이다. 바람직한 구체예에서, 본 발명은 포틀랜드 시멘트와 혼합된 약 30% 내지 40%의 큐폴라 슬래그를 포함하는 수경 시멘트이다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 본 발명은 포틀랜드 시멘트와 혼합된 약 35%의 큐폴라 슬래그를 포함하는 수경 시멘트이다.
본 발명은 약 5,000 내지 약 7,000㎠/g의 미세도로 분쇄된 입상 용선로 슬래그를 포함하고, 용광로 슬래그에 대한 ASTM C989 등급 100 명세서의 미세도 요건을 만족하는 것이다.
본 발명은 약 6,000 내지 약 6,750㎠/g의 미세도로 분쇄된 입상 용선로 슬래그를 포함한다. 본 발명은 또한 약 6,500㎠/g의 미세도로 분쇄된 입상 용선로 슬래그를 포함한다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 약 35% 용선로 슬래그를 혼합하는 시멘트 혼합물은 28일에 7,000psi보다 더 큰 압축 강도 및 700psi보다 더 큰 굽힘 강도를 나타낸다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 약 35% 용선로 슬래그의 혼합 시멘트 혼합물의 전체 수화열은 72시간 동안 측정했을 때, 250J/g을 넘지 않고, 모르타르 바아의 팽창은 14일에 측정했을 때, 0.20%를 넘지 않는다.
하나의 구체예에서, 본 발명은 원 시멘트 킬른 원료로 큐폴라 슬래그를 사용하는 방법을 포함한다.
본 발명은 시멘트에 관한 것이다. 더 특히, 본 발명은 슬래그 시멘트 혼합물 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명이 넓은 범위에 적용되지만, 특히 구조 콘크리트 및 콘크리트 구조물에 사용하는 것이 적당하다.
도 1은 2개의 순수한 시멘트 페이스트로, 표준 포틀랜드 시멘트(굵은 선) 및 포틀랜드 시멘트/큐폴라 슬래그 혼합물(가는 선)에서 실시된 전도 열량측정 시험의 결과를 개시하고 있다.
도 2는 같은 골재로 제조되었지만, 표준 포틀랜드 시멘트(실선) 또는 포틀랜드 시멘트 및 큐폴라 슬래그의 65/35%(점선) 혼합물의 콘크리트 물체에서 실시된 압축 강도 시험의 결과를 개시하고 있다.
도 3은 용선로 슬래그(상부 회절도) 및 용광로 슬래그(하부 회절도)에서 실시된 X-선 분말 회절 시험의 결과를 개시하고 있다.
본 발명은 시멘트 단독보다 증가된 경도 및 강도를 갖는 큐폴라 슬래그 및 시멘트의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 수경 시멘트 조성물은 용선로 슬래그를 유용한 생성물로 변환하여 당분야의 지금 필요한 해결책을 제공한다. 본 발명의 시멘트 조성물은 콘크리트 물체을 만드는 것과 같은 다양한 목적에 사용될 수 있도록 넓은 범위의 경화 시간 뿐만 아니라 설페이트 공격에 대한 저항의 넓은 범위를 갖도록 제조될 수 있다. 특히, 적어도 6,000㎠/g의 미세도로 분쇄된 입상 용선로 슬래그의 35%를 포함하고, 포틀랜드 시멘트와 혼합된 용광로 슬래그에 대한 ASTM C989 등급 100 명세서의 미세도 요건을 만족시키는 수경 시멘트는 우수한 압축 강도가 현재 사용되는 콘크리트보다 더 느리게 전개되는 조성물을 제조하여 더 내구력이 있는 콘크리트 생성물을 제공한다. 또한, 본 발명의 설페이트 공격 저항성이 용선로 슬래그 혼합 시멘트로 제조된 특정 생성물의 유용한 수명을 증가시키고, 그로인해 상기 생성물을 대체하는데 시간 길이를 증가시키고, 전체 비용을 감소시킨다.
포틀랜드 시멘트의 화학적 조성은 슬래그 혼합 시멘트가 경화, 숙성 및 화학적 부식 저항의 방법에서 중요한 역할을 한다. 포틀랜드 시멘트의 처리방법은 제조과정 동안 화학적 조성물을 변경하는 다양한 방법이 있다는 것이 당 분야에 잘 알려져있다. 그러나, 본 발명은 포틀랜드 시멘트에 제한되지 않는다. 다른 시멘트와 혼합된 큐폴라 슬래그는 시멘트/큐폴라 슬래그 혼합물의 강도를 향상시킬 것이다.
용선로는 금속 및 광물 전하 물질의 고온 용융으로 주조 철을 제조하는데 사용된 수직축 노이다. 용선로는 지성, 습식 및 오염된 스크랩(scrap)을 포함하는 넓은 범위의 원료를 수용할 수 있는 연속 용융축을 포함한다. 배치형 노와 비교할 때, 용선로의 에너지 요구량은 적다. 용융된 철은 노의 바닥에서 두드려진다. 슬래그는 슬래그 구멍을 통해 용융된 상태에서 제거된다. 용선로 슬래그는 미세한 입상 생성물을 얻기 위해 침수하여 바람직하게 빠르게 퀀칭하여, 시멘트에 유용한 슬래그를 제조하기 위해 필요한 분쇄 양을 줄인다. 선택적으로, 물은 퀀칭하기 위해 슬래그 위에 분무되거나 또는 상기 슬래그는 시간 동안 공기-냉각하여 더 거칠고 비-입상의 생성물을 만든다.
용선로 슬래그는 용광로 슬래그와 화학적 조성에서 다르다; 예를 들면, 큐폴라 슬래그는 용광로 슬래그보다 더 많은 실리카 함량 및 더 적은 산화칼슘 함량을 갖는다. 용광로가 기본적 슬래그를 사용하여 작동할 때, 용선로는 일반적으로 회색 주철의 제조를 위해서 산 슬래그를 사용하여 작동한다. (기본 슬래그가 용융시에 큐폴라에서 황을 제거하기 때문에 기본 슬래그는 유연한 철을 제조하는데 용선로에 때때로 사용된다). 용광로 작업은 용융된 철의 1톤당 약 30% 슬래그를 생성하고, 반면 용선로 작업은 용융된 철광석 1톤당 5 내지 6% 슬래그를 생성한다.
시멘트 사용자들은 특히 응결 및 강도 발전 특징에 관심을 갖는다. 최대 및 최소 응결 시간 및 기준 시멘트의 최소 강도가 포틀랜드 시멘트에 대해 ASTM C150표준 명세서에 상술되어있다. 원료 또는 연료에 존재한 불순물로부터 클링커에서 형성된 많은 소수의 성분이 클링커 형성 방법 및 결과의 시멘트 물질의 수압 반응성 및 시멘트 특성 모두 영향을 미칠 수 있다. 특히, 시멘트, 특히 포틀랜드 시멘트에 존재하는 K2O 및 Na2O와 같은 알칼리의 수준이 고려된다. 예를 들면, 시멘트 물질이 SiO2를 포함하는 골재와 조합되면, 시멘트 물질에 존재하는 알칼리는 SiO2와 반응하여 팽창한 알칼리 실리카 겔을 형성하고, 이는 콘크리트 구조물의 크래킹 및 깨짐을 일으킨다. 골재에서 반응성 SiO2의 검출이 어렵기 때문에, 저 알칼리 함량의 시멘트 물질이 일반적으로 사용된다. 용광로 슬래그는 일반적으로 자연에서 매우 염기성이다. 따라서, 약 0.6%의 최대 당량의 Na2O는 ASTM C150 명세서에서 선택적 제한으로 포함된다.
과도 팽창을 피하고 시멘트 제조에 사용된 전체 에너지를 줄이면서 SiO2반응성 골재와 0.60% 이상 당량의 Na2O를 포함하는 시멘트를 사용할 수 있다. 하나의 실시예는 시멘트, 바람직하게 포틀랜드 시멘트와 분쇄된 입상 용광로 슬래그와 같은 잠재적으로 수경 물질과 혼합하는 것이다. 그러나, 잠재적으로 수경 물질은 포틀랜드 시멘트만큼 빠르게 반응하지 않고, 결과로 초기보다 오히려 후기의 향상된 시멘트 강도에 기여한다. 줄어든 초기 활성은 열 크랙 형성을 이끄는 수화열을 덜 발생하게 된다. 그러나, 용광로 슬래그의 첨가는 열 크랙 형성을 제거하지 않는다.
ASTM C125-99a "Standard Terminology Relating to Concrete and Concrete Aggregates"는 수경 시멘트에 적용되는 많은 용어를 정의한다. 당분야에 용광로 슬래그의 수압 성질은 용광로 슬래그의 화학적 성질 및 용융된 슬래그가 냉각되는 방법에서 매우 다양하다.
용광로 슬래그는 3개 등급, 등급 80, 등급 100 및 등급 120으로 용광로 슬래그 활성 시험의 실시로 분류된다. ASTM 명세서 C989는 7일 및 28일에 측정할 때 미세하게 분쇄된 입상 용광로 슬래그의 세가지 강도 등급물로 혼합된 포틀랜드 시멘트의 강도 전개도를 요약하고, 용광로 슬래그 활성 지수(SAI)로서 이를 나타낸다. 용광로 슬래그가 포틀랜드 시멘트와 함께 콘크리트에 사용될 때, 강도 증가의 수준 및 속도는 시멘트 경화 온도 뿐만 아니라 용광로 슬래그, 포틀랜드 시멘트, 용광로 슬래그의 상대량과 전체량 및 시멘트의 특성에 따른다. 슬래그가 용광로에서 유도되지 않는다면, ASTM C989 표준하에 용광로 슬래그로 시판될 수 없다.
ASTM C989는 용광로 슬래그 활성을 시험하는데 사용된 기준 시멘트는 35MPa(5,000psi)의 최소 28-일 강도 및 0.6 내지 0.9% 사이의 알칼리 함량을 갖는다고 명시되어 있다. 용광로 슬래그를 적당히 분류하기 위해, 기준 포틀랜드 시멘트가 ASTM 명세서 C989하에 강도 및 알칼리 함량에 제한을 따라야 한다. 시험 데이타는 1, 3 및 7일에 콘크리트 압축 강도가 용광로 슬래그 콘크리트 배합물을 이용하여 더 낮게 나오는 경향을 나타낸다. 일반적으로 용광로 슬래그의 더 높은 수 등급은 많은 양으로 사용될 수 있고, 향상된 초기 강도 실시를 제공할 것이지만, 시험은 용광로 슬래그 시멘트의 실시를 적당히 접근하기 위해 작업 조건하에 작업물질을 사용하여 이루어져야만 한다.
용광로 슬래그는 상기 수압 특성을 실현하기 위한 활성제를 필요로하는 잠재적 수압 특성을 갖는다. 슬래그가 수압 특성을 얻는 한가지 방법은 유리 상태에서 용융된 슬래그를 유지하기 위해 슬래그를 빠르게 퀀칭하는 것이다. 슬래그의 수압 특성을 활성화하기 위해 보통 사용되는 2가지 방법은 입상화 및 펠렛화이다. 입상화 방법에서, 슬래그는 가압하에서 많은 양의 물을 슬래그에 주입하여 퀀칭한다. 슬래그의 온도가 퀀칭 전에 녹는점 이상이면, 퀀칭이 높은 유리화도를 갖는 젖은 모래형 물질을 제조한다. 그러나 슬래그가 천천히 냉각되면, 결정화되고 감소된 수압 특성을 보인다. 목적하는 미세도를 이루기 위해, 입상 슬래그는 건조 및 분쇄된다. 용광로 슬래그는 전형적으로 5,000 내지 6,500㎠/g의 비표면적으로 분쇄된다. 6,500㎠/g이상의 미세도는 추가 단계를 필요로하고, 건조 조건하에서 큰 산업적 규모로 이루기가 더 어렵다. 비표면적의 또 다른 측정은 블레인(Blaine) 공기 투과 방법이다. 블레인 미세도 시험은 ASTM C204에 "Standard Test Method of Hydraulic Cement by Air Permeability Apparatus"에 기술되어 있다. 그러므로, 용광로 슬래그는 5,000 내지 6,500㎠/g의 비표면적을 갖는 것으로 기술되어 있다. 고강도의 초기 향상은 7,500㎠/g의 미세도로 분쇄된 용광로 슬래그를 포함하는 시멘트의 특성이다. 미세도가 증가함에 따라 경화 반응의 속도도 증가한다. 분쇄된 입상 용광로 슬래그가 전형적으로 약 5,000-6,500㎠/g의 미세도를 가지면, 부가의 분쇄 단계가 7,500㎠/g의 미세도를 이루기 위해 요구된다. 부가의 분쇄 단계에 대한 에너지 비용이 있지만, 실제로 생성된 시멘트의 기계적 강도는 증가한다. 더큰 비표면적은 일반적으로 더 큰 초기 강도를 초래한다.
용선로 슬래그가 슬래그 퀀칭(quenching)처리에 의해서 입상화될 수 있다. 용융된 용선로 슬래그가 가압하에서 다량의 물의 슬래그로 주입함에 의해서 입상화되고, 높은 정도로 유리질화된 습사(wet sand) 유사 물질을 제조한다. 유리질화 정도는 주입전의 슬래그 온도와 가압하 물의 온도에 의존한다. 큐폴라 슬래그는 더 낮은 설페이트 및 마그네슘 함량을 가지며, 더 높은 실리카 및 산화철 함량을 가지기 때문에, 발생되는 열이 감소되어, 응결시간을 증가시키고, 콘크리트의 초기 강도를 나타내는 잇점이 있다. 더 높은 실리카 및 산화철 함량과 결부된 더 낮은 설페이트 및 마그네슘 함량은 또한 수화열 및 알카리 실리카 반응에 의해 팽창이 감소된다.
본 발명의 실시에 의해서 얻어지는 잇점을 설명하기위해서, 무근 콘크리트 혼합물이 제조되고, 큐폴라 슬래그를 포함하는 유사한 혼합물과 비교한다. 하기의 실시예는 설명을 위한 것이며, 제한하기위한 것은 아니다. 방법 및 설명은 현재 이용되는 ASTM 표준에 따른다.
본 발명의 시멘트 조성물에서 유용한 용선로 슬래그는 분석에 의해서 하기의 성분을 나타낸다:
큐폴라 슬래그의 조성
성분 비율(wt.%)
SiO2 43.87
Al2O3 8.5
Fe2O3 1.93
CaO 33.3
MgO 3.38
SO3 0.30
Na2O 0.10
K2O 0.30
TiO2 0.34
P2O5 <0.01
Mn2O3 1.18
SrO 0.08
L.O.I.(950℃) 4.34
전체 97.84
Na2O로서 알카리 0.30
용광로 슬래그에서만 사용가능하다 할지라도, ASTM C989 "Standard Specification for Ground Granulated Blast Furnace Slag for Use in Concrete"에 기술되어 있는 바와 같이 슬래그 활성 지수 시험이 용선로 슬래그에서 실시되고, 뿐만아니라 ASTM C204 "Standard Test Method of Hydraulic Cement by Air Permeability Apparatus"에 기술되어 있는 바와 같은 블레인 미세도 시험도 실시된다. 상기 표 2는 상업적으로 입수할 수 있는 용광로 슬래그의 것과 유사한 두가지 다른 미세도값으로 40-lb mill을 사용하여 분쇄된 두개의 다른 큐폴라 슬래그 시료에 대해서 상기 두가지 시험의 결과를 나타낸다.
미세도 및 슬래그 활성 지수 데이타
분쇄된 큐폴라 슬래그 시료 ASTM C989 요건
1 2 등급 80분 등급 100분
미세도, ㎠/g 4240 6530 - -
슬래그 활성지수, 대조군의 % 7일 61 73 - 70
28일 98 124 70 90
표 2에서 입증된 바와같이, 양쪽의 시료는 28일에 등급 80 및 등급 100 용광로 슬래그에 대한 ASTM C989 SAI 요건을 초과한다. 시료 2는 등급 100에 대해 SAI 7일 요건을 만족한다. 상기 시험에 근거하여, 모든 부가적 시험이 시료 2에서 실시된다.
전도 열량시험이 대조 시멘트로 제조된 니트 시멘트 페이스트와 열량계 셀안쪽에 물과 2g의 시멘트의 주입-혼합에 의한 큐폴라 슬래그 혼합물로 제조된 니트 시멘트 페이스트에서 실시되었다. 상기 시험에서 사용되는 슬래그는 상업적으로 입수할 수 있는 용광로 슬래그 등급 100의 7일 및 28일에 대한 ASTM C989 용광로 슬래그 활성 지수 요건을 만족시키는 경우 시료 2이다. 수화열이 72시간동안 기록된다. 제1 피크는 혼합용 물과 시멘트가 접촉하는 때 열 반응을 나타낸다. 최초 피크후에, 상기 페이스트가 플라스틱 상태로 있는 동안 상대 불활성 기간이다. 제2 피크는 시멘트 수화물에서 빠르게 분리되는 동안 촉진된 반응을 나타내며, 열이 발생된다. 페이스트의 초기 응결은 가속기간이 시작된 후 곧 나타나고, 최종 응결은 가속기간 마지막을 향해서 나타낸다. 최대 열 발생은 최종 응결직후 이르고, 열 발생은 정지상태로 감소된다. 수화열은 시멘트의 화학적 및 물리적 성질의 함수이다. 하기 표 3은 열량시험의 결과를 나타낸다.
포틀랜드 시멘트 및 용선로 슬래그 혼합 시멘트에 대한 열발생 데이타
상세 대조군 큐폴라 슬래그 혼합물
시간 열발생율J/㎏/초 전체열J/g 시간 열발생율J/㎏/초 전체열J/g
초기 수화 피크 2.28분 48.74 3.35 3.48 23.55 2.51
:에서 전체열 0.5시간 15.43 0.5시간 11.07
알라이트 수화의 개시 2.15시간 0.59 20.15 3.09시간 0.51 17.26
알라이트 수화의 피크 11.20시간 2.91 71.17 15.30시간 2.70 89.28
:에서 전체열 24시간 169.61 24시간 140.91
:에서 전체열 48시간 235.70 48시간 193.40
:에서 전체열 72시간 264.33 72시간 223.19
상기 표 3에서는 큐폴라 슬래그 시멘트에 대한 초기 수화 피크가 대조 시멘트의 것보다 늦게 나타나고, 훨씬 느린 비율로 열이 발생하고, 아주 적은 열이 발생한다. 수화 30분 후 전체 열은 또한 용선로 슬래그에 대해서 상당히 낮다. 대조 시멘트와 용선로 슬래그 시멘트 사이의 또 다른 주된 차이점은 알라이트 수화의 개시 및 수화 피크가 대조군에서보다 큐폴라 슬래그 시멘트에서 훨씬 늦다는 것이다. 초기 알라이트 수화에 대해서 방출되는 전체 열은 큐폴라 슬래그 시멘트에 대해서 더 낮지만, 이때 알라이트 수화의 피크가 나타나며, 발생된 전체열은 대조 시멘트에서보다 큐폴라 슬래그 시멘트에 대해서 더 높다. 전과정에서 방출되는 전체열은 측정된 각 시간에서 큐폴라 슬래그 시멘트에 대해서 더 낮다. 큐폴라 슬래그 시멘트의 놀라운 저열 성질이 부대 기초, 다리 갑판, 부두 및 댐과 같은 대규모 콘크리트 공급에 적합한 콘크리트를 제조하는데 특히 유용하다.
시료 2에서 설페이트 공격에 대한 저항성이 ASTM C1012 "Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution"에 따라 시험되었다. 15주에서 대조 및 혼합 용선로 시멘트의 팽창은 각각 0.026 및 0.015% 이다.
알카리 반응도를 변형시키기위한 큐폴라 슬래그에 대한 포텐셜은 ASTM C1260 "Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates(Mortar Bar Method)"을 사용하여 측정된다. 상기 시험에서 사용된 시멘트는 시료 2의 용선로 슬래그 혼합물이고, 골재는 높은 반응 등급 앨버커키 모래이다. 하기 표 4는 결과를 개시한다.
알카리 실리카 반응에 의한 바아의 팽창
시간(일) 팽창(%)
대조군 큐폴라 슬래그 혼합물
0 0.000 0.000
5 0.009 0.013
11 0.349 0.77
14 0.580 0.195
상기 표 4는 알카리 반응도를 변형하기위한 큐폴라 슬래그의 포텐셜이 대조군보다 11일 및 14일에서 큐폴라 슬래그에 대해 상당히 낮다는 것을 지적하고 있다.
35%의 용선로 슬래그를 포함하는 혼합 시멘트의 압축강도 및 굽힘강도가 3일, 7일, 28일, 56일 및 90일에서 측정되고, 같은 날들에 대해서 측정된 대조 시멘트와 비교된다. 화학 첨가제가 어느 쪽 혼합물에도 첨가되지 않으며, 상기 혼합물이 시멘트 비율에 대해서 같은 물의 양 뿐만아니라 같은 시멘트 함량으로 제조된다. 두가지 시멘트의 혼합비율은 표 5에 개시되어 있으며, 압축 및 굽힘 시험의 결과가 표 6에 개시되어 있다.
콘크리트 혼합 비율
물질 혼합비율
대조군 큐폴라 슬래그 혼합물
포틀랜드 시멘트(pcy*) 654 426
슬래그(pcy) 0 229
오클레어 모래(pcy) 1,342 1,336
오클레어 3/4" 스톤(pcy) 1,847 1,849
물(pcy) 266 267
슬럼프(인치) 5 7
(*pounds per cubic yard)
압축강도 및 굽힘강도 결과
시간(일) 압축강도(ASTM C39)(psi) 굽힘강도(ASTM C78)(psi)
대조군 큐폴라 슬래그 혼합물 대조군 큐폴라 슬래그 혼합물
3 4,410 2,570 - -
7 5,530 4,320 785 490
28 7,150 7,780 750 755
56 7,530 8,740 770 750
90 7,710 8,630 - -
상기 표 6은 3일 및 7일에서 큐폴라 슬래그 혼합 시멘트가 ASTM C29방법을 사용하여 측정하는 경우 압축 강도가 더 낮은 것을 입증하였다. 그러나 28일까지 상기 큐폴라 슬래그의 압축강도는 대조 시멘트의 것을 초과하며, 이는 전체적으로 예기치 못한 결과이다. 또한, 상기 큐폴라 슬래그 혼합 시멘트의 압축 강도는 예기치 못하게 56일까지 계속 증가하고, 떨어지기 시작한다. 56일에, 상기 큐폴라슬래그 혼합 시멘트의 압축강도는 대조 시멘트보다 1,200psi 이상 더 크다. 상기 시험은 큐폴라 슬래그 혼합 시멘트가 종래의 시멘트로 제조되는 것보다 더 우수한 콘크리트를 제조한다는 놀라운 결과를 나타내는 것이다. 표 6은 ASTM C78 방법에 의해서 측정되는 경우 큐폴라 슬래그 혼합 시멘트의 굽힘강도가 대조군 시멘트의 것보다 더 느린 비율로 증가되지만, 28일후에는 대략 대조군의 시멘트와 동일해지는 것을 입증하고 있다.
X-선 회절 분석
X-선 회절은 결정성 물질을 확인하고 정량하는데 사용될 수 있다. 결정성 물질은 3차원 배열로 원자의 순차적인 배열로 이루어진다. 상기 배열은 밀집하게 팩킹된 원자의 층들 사이에 특징적인 간격을 갖는다. 상기 간격의 길이는 원자크기와 3차원 배열에 의해서 다양하다.
상기 분말 시료가 X-선 광원으로부터 방사선광으로 처리되는 경우, 회절 패턴이 만들어진다. 상기 X-선 광선은 분말의 짧은 거리를 투과하고, 분말 시료내에서 원자들의 대개 밀집하게 팩킹된 층에서 회절된다. 상기 X-선 광선은 분말 시료의 표면에 대해 중요한 각으로 회전된다. 회절된 광선으로부터 신호가 특히 강한 경우, 원자들의 층들 사이에서 거리(d-간격)가 입사광선의 다수의 파장과 입사각으로 계산될 수 있다.
상기 결정성 물질은 주어진 각에서 상대 피크 높이의 특징적인 패턴을 갖는다. 결정성 물질의 혼합물은 상기 패턴들의 조합을 나타내며, 다양한 물질로부터 상대 피크 높이가 각 결정성 물질의 상대 농도를 정량화하는데 사용될 수 있다.X-선 회절은 콘크리트에서 크랙을 확인하는데 사용될 수 있다. X-선에 대한 검출한계는 분석된 물질의 형태에 의존하며, 5 내지 10% 더 높다.
분쇄된 입상 용선로 슬래그 시료가 미세하게 분말화되고, θ-보정 슬릿, 흑연 단색광계, 기체비율 계량 검출기, 펄스 높이 선택기 및 스트립 챠트 기록기를 구비한 필립스 PW 1720 X-선 회절계(CuKθ)에서 XRD분석을 실시한다. 상업적인 입상 용광로 슬래그 시료가 또한 미세하게 분말화되고, 대조군으로서 분석된다. 각 시료가 분당 1°2θ의 속도에서 65°2θ에서 6°2θ까지 스캔된다. 하기 표 7은 XRD에 의해서 검출되는 상들의 요약이다.
X-선 회절분석
시료 검출된 가장 큰 상 결정성 물질
용선로 슬래그 29.8°2θ에서 피크를 갖는 비결정성 물질 SiO2(α-석영)
용광로 슬래그 31°2θ에서 피크를 갖는 비결정성 물질 CaCO3(방해석)
상기 표 7에서 알 수 있는 바와 같이, 두개의 슬래그 시료는 그들의 비결정성 또는 유리질 조성물 뿐만아니라 그들의 결정성 조성물에서 다양하다. 상기 큐폴라 슬래그 시료는 29.8°2θ(더 낮은 각)에서 비결정성 상 피크를 가지며, 이는 용광로 슬래그의 것보다 d-간격이 더 크다는 것을 나타낸다. 상기 XRD분석은 또한 결정성 SiO2는 비결정질 상의 더 산성인 형태를 나타내는 큐폴라 슬래그에서 존재하는 것을 보여준다. 상기 큐폴라 슬래그의 비결정성 상은 아마도 용광도 슬래그보다 SiO2뿐만아니라 Al2O3및 Fe3O3의 더 많은 양을 포함한다.
상기에서 인용된 모든 참고문헌 및 표준은 이들 전체에서 포함된다.

Claims (28)

  1. 종래의 시멘트와 혼합된 큐폴라 슬래그를 포함하는 시멘트 혼합물에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 4,000㎠/g 이상의 미세도로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 5,000㎠/g 이상의 미세도로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 6,000㎠/g 이상의 미세도로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 6,000㎠/g 내지 7,000㎠/g사이의 미세도로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 입상으로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 32% 내지 45% 사이의 SiO2, 7% 내지 17% 사이의 Al2O3, 29% 내지 42% 사이의 CaO 및 2% 내지 19%사이의 MgO를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 종래의 시멘트는 포틀랜드 시멘트인 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  8. 종래의 시멘트와 5부피% 내지 50부피%의 혼합된 큐폴라 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  9. 제 8 항에 있어서,
    20부피% 내지 40부피% 사이의 큐폴라 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  10. 제 9 항에 있어서,
    약 35부피%의 큐폴라 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 4,000㎠/g 이상의 미세도로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 5,000㎠/g 이상의 미세도로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 6,000㎠/g 내지 7,000㎠/g 사이의 미세도로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 큐폴라 슬래그는 입상으로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  15. 제 14 항에 있어서,
    종래의 시멘트는 포틀랜드 시멘트인 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
  16. 큐폴라 슬래그, 종래의 시멘트 및 골재를 혼합하는 방법에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    (a)물의 첨가; 및 (b)경화의 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 경화된 콘크리트는 700psi 이상의 굽힘강도를 나타내는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
  19. 제 18 항에 있어서,
    경화된 콘크리트의 72시간의 수화열은 약 250J/g 미만인 것을 특징으로 하는 콘크리트.
  20. 제 19 항에 있어서,
    경화된 콘크리트 모르타르 바아 14일 팽창은 약 0.2% 미만인 것을 특징으로 하는 콘크리트.
  21. 제 16 항에 따른 콘크리트를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로 표면.
  22. 제 16 항에 따른 콘크리트를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 바닥재.
  23. 제 16 항에 따른 콘크리트를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 빌딩재료.
  24. 제 16 항에 따른 콘크리트를 포함하는 것을 특징으로 하는 대량의 콘크리트 주입물.
  25. 시멘트와 20부피% 내지 40부피% 사이의 분쇄된 입상 큐폴라 슬래그를 혼합하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트의 강도를 향상시키는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    시멘트와 약 35부피%의 분쇄된 입상 큐폴라 슬래그를 혼합하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트의 강도를 향상시키는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 분쇄된 입상 큐폴라 슬래그는 적어도 6,000㎠/g의 미세도를 갖는 것을 특징으로 하는 시멘트의 강도를 향상시키는 방법.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트인 것을 특징으로 하는 시멘트의 강도를 향상시키는 방법.
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