KR20080072001A - 배합된 시멘트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포틀랜드 시멘트, 슬래그, 및 하나 이상의 첨가제를 포함하는 배합된 시멘트 조성물을 포함한다. 또한 본 발명은 슬래그를 포함하는 시멘트 보충 재료를 포함한다. 본원에 사용된 슬래그는 포틀랜드 시멘트 및/또는 다른 포졸란과 함께 제공될 경우 낮은 비정질 함량을 가질 수 있고 유리한 입자 팩킹과 내구력 특성을 제공할 수 있다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 계류 중인 미국 가출원 번호 60/731,035(2005년 10월 28일 출원)를 우선권으로 주장한다. 상기 출원은 본원에 참고 인용된다.
배경기술
본 발명은 슬래그를 포함하는 시멘트 보충 재료 및 배합된 시멘트 조성물 및, 더욱 자세하게는 포졸란 특성을 갖는 슬래그를 포함하는 시멘트 보충 재료("SCM"; supplementary cementitious material)에 관한 것이다. 본 발명의 조성물은 추가의 포졸란과 다른 첨가제를 포함할 수 있다.
콘크리트 혼합물에는 통상 포틀랜드 시멘트를 혼입한다. 포틀랜드 시멘트는 물을 첨가하면 화학적으로 반응하고 경화되는 수력 시멘트이다. 포틀랜드 시멘트는 철, 점토, 및 시멘트 암석/석회석의 배합물을 포함하며 통상 약 2,600∼3,000℉의 온도로 가열된다. 가열 후, 상기 포틀랜드 시멘트는 통상 분말로 분쇄되고, 석고 등의 성분들과 혼합되어 경화 시간을 조절할 수 있다. 포틀랜드 시멘트는 일반적으로 다양한 건축 분야를 위한 콘크리트 혼합물에서 구성 성분으로 사용된다.
포틀랜드 시멘트, 즉, 철, 점토, 및 시멘트 암석/석회석의 의존도를 감소시 키거나 없애는 저비용의 시멘트 혼합물을 시도하거나 개발하려는 경향이 증가하는 추세이다. 이러한 의존도는, 예를 들어 포틀랜드 시멘트와 혼합될 수 있지만 포틀랜드 시멘트의 유리하거나 향상된 특성을 여전히 제공할 수 있는 조성물을 제공함으로써 감소된다. 포틀랜드 시멘트의 생산은 대량의 온실효과의 기체를 방출하는 추가적인 문제가 있어 포틀랜드 시멘트가 덜 요구되는 더욱 친환경적인 생산품을 제조하는 것이 바람직할 것이다.
발명의 개요
본 발명의 구체예는 슬래그 약 25 중량%∼약 80 중량%, 다른 포졸란 약 20%∼약 75%, 및 다른 첨가제 약 0%∼약 25%를 포함하는 시멘트 보충 재료를 제공한다. 본 발명의 추가 구체예에 있어서, 제공된 슬래그의 양은 약 30%∼약 75%, 약 35%∼약 70%, 약 40%∼약 65%, 또는 약 45%∼약 60%이고, 포졸란의 양은 약 25%∼약 70%, 약 30%∼약 65%, 약 35%∼약 60%, 또는 약 40%∼약 55%이며, 다른 첨가제의 양은 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 또는 약 25%이다. 본 발명의 구체예는 첨가제를 포함할 수 있다. 이들은 또한 산화칼슘 및/또는 수산화칼슘을 포함할 수 있다.
본 발명의 구체예에서 사용된 다른 포졸란은 실리카 흄, 메타카올린, ASTM C 618 클래스 C 비산재, ASTM C 618 클래스 F 비산재, ASTM C 618 클래스 N 포졸란, 왕겨재, 실리카분, 분쇄된 과립형 용광로 슬래그, 및 당업자에게 공지된 다른 포졸란 중 하나 이상일 수 있다. 다른 포졸란은 본 발명의 다른 구체예에서 상이한 양으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구체예에 있어서, 실리카 흄은 0.0∼20 중량%의 양으로 존재하고, 메타카올린은 0.0∼20 중량%의 양으로 존재하고, 클래스 C 비산재는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 클래스 F 비산재는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 클래스 N 포졸란은 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 분쇄된 과립형 용광로 슬래그는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 왕겨재는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하며, 실리카분은 0.0∼20 중량%의 양으로 존재한다.
본 발명의 구체예에 사용된 슬래그는 합금강 슬래그 및/또는 강철 슬래그일 수 있다. 사용될 수 있는 하나의 슬래그는 스테인레스강 슬래그이다. 본 발명에 사용된 슬래그는, 예를 들어 금속 함량이 약 10% 미만일 수 있다. 슬래그는 또한 X-선 회절에 의해 측정된 비정질 함량이 약 20∼50%, 약 25∼45%, 또는 약 30∼40%일 수 있다. 추가의 구체예는 22% 이상의 입자 크기가 68 μm보다 크고 420 μm보다 작은 시멘트 보충 재료를 제공한다.
또다른 구체예는 본원에 기술된 시멘트 보충 재료 약 5∼50% 및 포틀랜드 시멘트 약 50%∼약 90%를 포함하는 시멘트 조성물을 제공한다.
본 발명의 추가 구체예는 20% 이상의 입자 크기가 68 μm보다 크고 420 μm보다 작은 슬래그를 포함하는 시멘트 보충 재료를 제공한다. 추가 구체예에 있어서, 재료의 16% 이상의 입자 크기가 80 μm보다 크고 418 μm보다 작다. 추가 구체예에 있어서, 재료의 14% 이상의 입자 크기가 90 μm보다 크고 418 μm보다 작다.
발명의 상세한 설명
포틀랜드 시멘트로 혼입되어 실용적인 포틀랜드 시멘트 SCM을 제공할 재료로서 슬래그를 제공한다. 본원에 사용된 바와 같이, "슬래그" 및 "슬래그들"이란 강철 슬래그 및 합금강 슬래그를 나타내지만, 용광로 슬래그는 포함하지 않는다. 바람직한 슬래그는 낮은 비정질 함량을 갖는다. 다른 슬래그들은 상호 및/또는 시멘트성 재료 중에서 포틀랜드 시멘트의 대체용으로서의 용광로 슬래그 및 기타 고로 슬래그와 배합될 수 있다. 상기 슬래그들은 콘크리트와 생성된 생성물에서 향상된 강도 및 내구력을 제공할 수 있다. 또한, 그렇지 않은 경우 버려야 하는 슬래그를 바람직하게 사용하기 위한 유리한 방법이 본원에 제공되어 있다.
본 발명의 배합된 시멘트 조성물은 임의의 포틀랜드 시멘트 및 다른 포졸란과 배합됨을 통해 포졸란계 특성을 향상시킴으로써 슬래그를 선별하려는 것이다. 사용시, 통상적인 수력 시멘트, 예컨대 포틀랜드 시멘트를 단독으로 또는 시멘트 보충 재료와 혼합된 것을 사용하여 얻어진 것보다 콘크리트 혼합물의 성능과 내구력을 더욱 향상시키는 배합된 시멘트 생성물을 제조하기 위한 조제물이 본원에서 개발되었다. 보다 나은 내구성 시멘트 생성물의 바람직한 특징 또는 특성은 다음과 같다:
- 더욱 조밀한 미세구조를 형성하는 보다 높은 시멘트/바인더 입자 패킹 특징을 통해 얻어진 다공성이 감소된 구조를 가짐.
- 염화물 이온 침투의 감소.
- 황산염 공격 하의 균열 감소.
내구력 문제점 이외에, 하기 특성에 따라 정의될 수 있는 생성물의 성능이 향상된 배합된 시멘트 생성물을 본원에서 얻는 것이 바람직하다:
- 28일 이상의 강도 향상,
- 백화현상의 증거 감소.
슬래그는 강철 제작 공정의 부산물이다. 합금강의 생성을 위해서는 특정한 합금 원소가 용융된 강철 조성물에 첨가되거나 또는 상기 조성물의 일부가 되어야만 한다. 첨가된 합금 원소로부터 생성된 불순물, 및 용융된 강철 조성물에 존재하는 임의의 불순물을, 강철 생성로에서 제거하여 시판 등급의 합금강을 생성한다. 예를 들어, 불순물은 니켈, 망간, 탄소, 및 크롬 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 생성된 강철 슬래그는 강철 유래의 불순물 및/또는 강철 생성로 유래의 부산물로 제거된 추가적인 합금 원소를 포함한다. 상기 슬래그는 통상 용융된 액체 용해물로서 발생하고 규산염, 산화물, 및 냉각 하에 응고되는 낮은 백분율의 금속재의 복합 용액이다. 본 발명의 구체예에 사용하기 위한 바람직한 슬래그는 스테인레스강 슬래그이다.
본원에 사용된 "레디 믹스(Ready-mix)"란, 공장에서 제작되도록 고안되어 작업장으로 운송된 콘크리트 생성물을 나타낸다. "배합물"이란 포틀랜드 시멘트와 혼합된 본 발명의 시멘트 보충 재료를 나타낸다. 본 발명의 배합물은 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명에 사용된 슬래그는 금속 폐기물 전부 또는 일부가 제거된 광물질 제거 슬래그일 수 있다. 금속 폐기물의 제거는, 예를 들어 분쇄 단계 후 제거 단계에 의해 실현될 수 있다. 제거 단계는, 예를 들어 중력 분리, 크기 분리, 또는 자력 분리일 수 있다.
슬래그는 통상적으로 주변 수분 함량을 포함한다. 예를 들어, 상기 수분 함량은 약 15%∼약 20%일 수 있다. 상기 수분 함량은 슬래그를 다른 포졸란과 혼합하기 이전에 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 약 5% 이하 또는 약 1% 이하로 감소시킬 수 있다. 수분 감소(탈수)는 당업자에게 공지된 임의의 방법으로 실시될 수 있다.
슬래그는 칼슘, 규소, 마그네슘, 철, 알루미늄, 망간, 티타늄, 황, 크롬 및 니켈의 규산염, 산화물 및 기타 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 슬래그는 규산칼슘 및/또는 산화칼슘을 포함할 수 있다. 하나의 구체예에 있어서, 슬래그는 약 80∼약 99 중량% 규산칼슘을 포함할 수 있다. 통상적인 슬래그 조성은 Ca 약 0.2 중량%∼약 50 중량%; Si 약 0.5 중량%∼약 65 중량%; Mg 약 0.1 중량%∼약 5 중량%; Fe 약 0.1 중량%∼약 6 중량%; Al 약 1 중량%∼약 40 중량%; Mn 약 0.1 중량%∼약 1 중량%; Ti 약 0.1 중량%∼약 0.5 중량%; S 약 0.01 중량%∼약 2.5 중량%; Cr 약 0.3 중량%∼약 5 중량%; 및 Ni 약 0.01 중량%∼약 1 중량%를 포함할 수 있다. 또다른 구체예에 있어서, 슬래그는 Ca 30 중량%; Si 12 중량%; Mg 7 중량%; Fe 4 중량%; Al 3 중량%; Mn 1 %; Ti 0.5 중량%; Cr 0.2 중량%; 및 Ni 0.04 중량%를 포함할 수 있다.
비정질 함량의 농도가 낮은 슬래그가 바람직하다. 예를 들어, 본 발명에 사용된 슬래그는, X-선 회절에 의해 측정된 바와 같이, 비정질 함량이 약 20%∼약 60%; 약 25%∼약 55%; 약 27.6%∼약 50.5%; 약 30%∼약 50%; 약 35%∼약 50%; 약 40%∼약 50%, 또는 약 45%일 수 있다.
슬래그를 냉각시키고 가공하여 비교적 미세한 미립자형으로 제공할 수 있다. 바람직한 경우, 갈기 또는 분쇄는 슬래그의 입자 크기를 감소, 예를 들어 포틀랜드 시멘트의 입자 크기에 가까운 크기로 감소시키는데 이용할 수 있다. 하나의 구체예에 있어서, 슬래그는 200 매쉬 스크린을 통해 약 100% 통과하고 325 매쉬 스크린을 통해 약 45% 통과하는 평균 입자 크기를 갖는다. 또다른 구체예에 있어서, 슬래그는 325 매쉬 스크린을 통해 약 80% 통과하는 평균 입자 크기 내지 325 매쉬 스크린을 통해 약 95% 통과하는 평균 입자 크기를 갖는다. 또다른 구체예에 있어서, 슬래그는 약 100 μm 미만의 평균 입자 크기를 갖는다. 또다른 구체예에 있어서, 슬래그는 약 1 μm∼약 50 μm의 평균 입자 크기를 갖는다. 슬래그는 통상적인 비중이 약 2.8인 회색 분말의 형태로 제공될 수 있다.
슬래그는 추가적으로 325 매쉬 스크린을 통해 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 또는 약 95% 이상, 더욱 바람직하게는 325 매쉬 스크린을 통해 95% 이상을 통과하도록 크기를 감소시키고 금속성 성분을 회수한 후 건조하는 가공으로 강철 또는 합금강을 생성시킴으로써 얻어진 슬래그를 특징으로 할 수 있다. 일반적으로, 80% 이상의 금속성 성분이 슬래그로부터 회수될 것이지만, 다른 회수율(%) 또한 본원에 고려되고 있다. 예를 들어, 슬래그는 금속 약 10%, 약 9%, 약 8%, 약 7%, 약 6%, 약 5%, 약 4%, 약 3%, 약 2%, 약 1%, 또는 약 1% 미만을 포함할 수 있다.
슬래그는 또한 강철 생성시 부산물로 발생하는 탈금속화된 잔류 유동 재료를 언급하는 화학적 용어로 특징지을 수 있다. 슬래그는 일반적으로 주로 칼슘, 마그네슘, 알루미늄 및 철의 규산염으로 이루어져 있고, 총 규산염의 농도는 통상 70∼95%이다.
대안적으로, 슬래그는 주요 시멘트 성분인 칼슘, 규소 및 알루미늄의 산화물 분석 측면에서 특성화될 수 있다. 일반적인 산화물 분석은 칼슘 약 1∼50%, 규소 약 1∼30% 및 알루미늄 약 0.5∼15%의 중량%를 포함한다.
본 발명의 배합된 시멘트 조성물은, 가장 일반적인 형태에 있어서, 포틀랜드 시멘트 (또는 다른 수력 시멘트), 슬래그, 및 시멘트 보충 재료, 예컨대 비산재 또는 천연 발생 하소된 포졸란을 포함한다. 비 과립화된 용광로 슬래그는 추가적으로 슬래그 대신에 완전히 또는 부분적으로 대체될 수 있다. 하나의 구체예에 있어서, 배합된 시멘트 생성물의 조성물은 중량을 기준으로
- 포틀랜드 시멘트 (총 중량의 50∼95%, 바람직하게는 총 중량의 75∼85%, 더욱 바람직하게는 총 중량의 80%);
- 슬래그 및 다른 포졸란의 혼합물 (총 중량의 5∼50%, 바람직하게는 총 중량의 15∼25%, 가장 바람직하게는 총 중량의 20%)
을 포함하며, 상기 혼합물은
- 슬래그(슬래그/포졸란 혼합물의 40∼100%, 바람직하게는 40∼80%, 더욱 바람직하게는 50∼70%)와, 하기 성분들 중 하나 이상을 제시된 양으로 포함한다:
- 실리카 흄 (0.0∼20%);
- 메타카올린 (0.0∼20%);
- ASTM C 618 클래스 C 및/또는 클래스 F 비산재 및/또는 클래스 N 포졸란 (0.0∼60%);
- 분쇄된 과립형 용광로 슬래그 (0.0∼60%);
- 왕겨재 (0.0∼60%);
- 실리카분 (0.0∼20%).
추가 구체예에 있어서, 배합된 조성물은 약 0.0∼30%의 다른 첨가제를 포함한다. 이러한 첨가제는, 예를 들어, 시멘트 제조 분야에서 유리하게 공지된 임의의 것일 수 있다. 예를 들어, 산화칼슘 및/또는 수산화칼슘을 첨가할 수 있다.
본 발명의 시멘트 보충 재료 및 배합된 시멘트 생성물의 제조와 관련된 방법은 금속 회수 공정, 슬래그로서 본원에 기술된 사용이 용이한 원료의 생성 과정, 및 다양한 성분들의 건조 과정 및 배합 과정의 조합이다. 배합 과정은 당업자에게 공지된 임의의 적당한 방법에 의해 실시될 수 있다. 예를 들어, 하나의 구체예에 있어서, 충분하게 혼합될 때까지 조립된 성분들을 고에너지 믹서에서 배합시킨다. 성분들의 첨가 순서는 중요하지 않다.
금속 회수 조작의 매우 중요한 측면은 탈금속화되었던 슬래그의 최종 그레이데이션(gradation) 공정이다. 적절한 제어의 사용을 통해, 상기 슬래그는 최종 배합된 시멘트 생성물에서 바람직한 성능을 생성하도록 크기별로 적절하게 분리될 수 있다. 슬래그는 또한 바람직한 크기로 간단히 분쇄할 수 있다. 또한, 사용이 용이한 수분 함량으로 슬래그를 건조시키는 방법은 본 발명에 따른 프로세싱의 중요한 측면으로 남는다. 또한, 다양한 성분들을 배합하는 적절한 방법 다음에는, 제조 방법이 완료될 것이다.
본원에 제시된 구체예에 있어서, 수력 시멘트 성분과 함께 배합된 시멘트 생성물이 제공된다. 하나의 예시적인 수력 시멘트 성분은 포틀랜드 시멘트이다. 수력 시멘트 성분은 물과의 혼합시 충분히 과량의 수화칼슘을 생성하여 배합된 시멘트 생성물에서 슬래그 및 다른 시멘트 보충 재료와 반응하여 알루민산염 및 규산염의 수화 생성물을 형성해야 한다. 수력 시멘트 생성물은 최종 배합된 생성물에서 50% 이상이어야 하며, 배합된 시멘트 생성물의 나머지는 슬래그 및 기타 시멘트 보충 재료 및 첨가제로 이루어진다. 본 발명의 다수의 구체예를 본원에 고려하여 상이한 시장 부문의 수요를 기초로 한 내구성 있는 콘크리트 믹스를 얻는다.
하나의 구체예에 있어서, 본 발명의 배합된 시멘트 생성물은 포틀랜드 시멘트 50-85%; 슬래그 10-30%; 분쇄된 과립형 용광로 슬래그 0∼5%; 비산재 1∼18%; 메타카올린 0∼15%; 실리카 흄 0∼15%; 및 산화칼슘 0∼10%의 조성을 포함할 수 있다.
바람직한 내구력과 성능 특성을 실현하는데 발견되는 최근 본 발명의 하나의 바람직한 측면에 있어서, 중량%(대략)를 기준으로 포틀랜드 시멘트 70%; 슬래그 20%; 메타카올린 1%; 클래스 C 비산재 6.5%; 실리카 흄 0.5%; 및 산화칼슘 2%의 성분을 갖는 배합된 시멘트 생성물이 개발되었다.
물 및 골재와 배합된 시멘트 생성물의 혼합시, 상당한 내구성 콘크리트 시멘트 혼합물이 생성될 수 있다. 바람직한 내구력 특성을 실현하는 것은 배합된 믹스 디자인만의 문제가 아니라, 원료 성분을 포함한다. 예를 들어, 슬래그를 첨가하면 콘크리트 매트릭스의 입자 팩킹이 증가하여 침투성이 감소하고 화학적 공격에 대한 화학적 내성이 증가할 것이다. 또한 강 포졸란인 메타카올린과 실리카 흄을 첨가하면 다공성이 감소하고 콘크리트 매트릭스에서 칼슘과 반응하여 균열 또는 기타 열화를 야기할 수 있는 칼슘과 다른 재료의 반응 기회를 줄일 것이다. 배합된 시멘트 생성물의 조성을 적당히 선택하여, 다음과 같은 내구력 특성을 실현할 수 있다:
- 백화현상의 제어 증가.
- 다공성 콘크리트 감소.
- ASR (알칼리-실리카 반응성) 내성 향상.
- 염화물 이온 침투성 감소.
- 색상 유지력 향상.
- 강도 향상.
규제 순응 및 결여가 청구범위를 한정하는 것으로 해석되서는 안되지만, 통상 본 발명의 배합물은 ASTM 국제 표준에 따른다는 것을 유의해야 한다. 따를 수 있는 표준법은 ASTM C1157 및 ASTM C595를 포함한다.
백화 현상은 과량 또는 미반응 칼슘으로 생기는데, 이는 표준 포틀랜드 콘크리트 생성물의 생성시 형성되고, 경시적으로 콘크리트 표면으로 이동하여 표면 상에 백색 침전물로 침착되어 불괘한 외관을 형성한다. 하나의 구체예에 있어서, 배합된 시멘트 생성물 중 특정 성분들은 생성물에서 임의의 과잉 수화칼슘과 반응하여 백화현상을 최소화한다.
콘크리트의 다공성을 감소시키면 물, 및 임의의 가용성 오염물질의 생성물로의 이동이 제한되어 최종 생성물의 내구력이 생길 것이다. 다수의 구체예는 구체적으로 선별된 슬래그 및 시멘트 보충 재료를 사용하여 보다 밀도가 높은 시멘트 페이스트 구조를 허용하도록 더 큰 입자 분포를 발생시키는 것을 포함할 수 있다.
알칼리 실리카 반응성(ASR)은 내구력과 직결되는 것으로서, 시멘트와의 반응시 골재의 실리카 반응이 팽창성 생성물을 형성하여 콘크리트의 열화를 야기한다. 콘크리트 믹스 중 실리카 화합물은 주로 콘크리트 생성물에서의 사용을 위해 선택되는 골재로부터 도입된다. 콘크리트 생성물을 제조하는데 사용되는 골재로부터 나온 실리카 화합물은 용해되고, 염기성 용액에 존재하는 임의의 유리 수산화칼슘 이온과 반응하여 팽창할 수 있는 실리카겔을 형성하고 생성물을 열화시키고 내구력을 감소시킨다. 일부 구체예에서는 상기 제시된 바와 같이 과잉 칼슘을 감소시켜 실리카겔의 형성에 대한 가능성을 최소화하여 내구력을 향상시킨다.
제빙한 염의 첨가를 통해 물에 용해된 염화물 이온은 콘크리트 생성물의 기공 공간으로 진입할 수 있고 생성물의 냉각-해동 특성을 변화시켜 균열 형성, 또는 기타 열화, 및 조기 생성물 실패의 가능성을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 구체예는 수용성 염화물 공격의 허용을 제한하는 콘크리트 다공성을 감소시키는 높은 입자 팩킹 혼합물을 포함할 수 있다.
일광에 노광된 콘크리트에 사용되는 색조 안료는, 단시간에 걸쳐, 원래의 색조 특성 중 일부를 상실하여, 최종 생성물의 내구성 및 마감성이 감소된다. 본 발명의 구체예는 착색된 콘크리트 생성물의 태양 표백을 감소시키는 능력을 갖는 시멘트 보충 재료의 증가된 사용을 포함할 수 있다.
본원의 내용을 기준으로, 당업자는 본 발명에 따라 배합된 시멘트 생성물을 고안하여 목적하는 분야를 위해 바람직한 내구력과 성능 특성을 실현할 수 있다. 본 발명의 특정한 구체예에는 예시의 목적을 위해서만 상기 기술되었다. 본 발명의 상세한 사항들의 다수의 변형은 본 발명의 범위 및 취지로부터 벗어나지 않고 얻을 수 있음을 당업자가 증명할 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 시멘트 보충 재료의 입자 크기 분포와 원래의 포틀랜드 시멘트 샘플의 입자 크기 분포의 비교를 제공한다.
도 2는 추가의 구체예의 시멘트 보충 재료의 입자 크기 분포와 원래의 포틀랜드 시멘트의 샘플의 입자 크기 분포의 비교를 제공한다.
하기 실시예는 본 발명의 실험에서 당업자를 안내하기 위한 것으로 간주된다. 이것은 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해해서는 안된다.
실시예 1 (조성물 A & B)
실시예 1은, 하기 표 1에 제시된 바와 같이, 2개의 본 발명의 구체예 및 대조군을 형성하고 테스트하는 것을 기술한다. 대조군은 ASTM C-150에 정의된 I형 포틀랜드 시멘트이다. 조성물 A 및 조성물 B의 조성물을 형성하기 위하여, 주변 습도(15∼20%)를 포함하는 스테인레스강철 슬래그를 탈염시킨 콘크리트 생성물인 상기 조성물 모두 약 1% 습도(중량 기준)로 건조하였다. 무수 슬래그를 열거된 양으로 잔여 포졸란(메타카올린, 클래스 C 비산재, 및 실리카 흄)과 혼합하였다. 하기 표 1에 제시된 슬래그와 포졸란의 백분율은 중량을 기준으로 한 슬래그 배합물의 백분율이다. 메타카올린, 클래스 C 비산재, 및 실리카 흄의 백분율은 중량을 기준으로 한 포졸란의 백분율이다.
압착 및 %흡수도 테스트를 ASTM C-140 표준을 사용하여 대조군, 조성물 A, 및 조성물 B 상에서 실시하였다. 하기 표 1에 제시된 바와 같이, 조성물 A 및 B는 모든 생성물 세대에서 대조군과 비교하였을 때 향상된 강도를 제시하였다. 흡수도 데이타는 대조군보다 낮은 미분 미세구조를 의미한다.
실시예 2 (조성물 C 및 D)
실시예 2는 하기 표 2에 제시된 바와 같이 2개의 본 발명의 추가 구체예 및 대조군을 형성하고 테스트하는 것을 기술한다. 조성물 C 및 D는 "레디 믹스" 조성물이다. ASTM 143을 사용하여 슬럼프를 측정하였다. 조성물 C 및 D에서의 포졸란 함량은 스테인레스강 슬래그 - 25%; 분쇄된 과립형 용광로 슬래그 - 22%; 클래스 C 비산재 - 52%; 및 실리카 흄 1%이다. 조성물 D의 평균 입자 크기는 조성물 C의 평균 입자 크기보다 작았다. 대조군과 비교하였을 때 조성물 C 및 D를 위한 압착 테스트의 결과는 초기 단계에서 더 낮은 강도 결과를 제시하고 28일째에서는 동일하거나 보다 큰 강도를 제시한다. 모든 강도는 과잉 ASTM C 1157 및 ASTM C 595 요구 조건을 초래한다.
실시예 3 - 입자 크기 분포
도 1은 통상적인 포틀랜드 시멘트(OPC)의 일반적인 입자 분포와 시멘트 보충 재료(조성물 A)를 비교한 입자 크기 분포를 제공한다. 도 1을 발생시키는데 사용된 데이타는 하기 표 3에 제공된다. 콘크리트 생성물 예는 OPC보다 더 균일한 분포를 입증한다. 이것은 입자 팩킹이 더 클 수 있다.
도 1은 본 발명의 제공된 구체예가 또한 88∼418 μm 크기 범위에서 더 큰 입자 크기를 갖는다는 것을 제시하고 있다. 이것은 형성될 수 있는 콘크리트 생성물의 시멘트 페이스트와 미분된 모래 비율 사이에 간극 충전 효과를 제공한다. 그러한 하나의 생성물은 콘크리트 포장재료이다. 간극 충전은 생성물에 강도를 부가시키고 생성물의 다공성을 감소시킨다.
도 2는 통상적인 OPC와 본 발명의 레디-믹스 구체예(조성물 C)에 대한 입자 크기 분포를 비교한 입자 크기 분포를 제공하고 있다. 도 2를 발생시키는데 사용된 데이타는 하기 표 3에 제공된다. 상기 구체예는 352 μm 직경으로 연장되도록 생성물 입자 크기의 광범위한 분포를 형성한다. 이것은 다공성을 낮추고 초기 1∼3일의 강도를 증가시키는 OPC와 비교하였을 때 입자 팩킹이 증가될 수 있다. 이것은 일반적인 포졸란을 첨가하였을 때와는 반대인데; 예를 들어, 비산재를 단독으로 첨가하면 이러한 이점은 제공되지 않는다. 주요한 입자 크기는 OPC와 유사하지만, 전체적으로 보다 광범위한 분포는 보다 나은 팩킹을 초래한다.
실시예 4 - 원료 화학
실시예 4는 본 발명의 일부 구체예에 사용된 생성 배합물의 형성에 사용된 원료 성분의 화학적 분석을 기술한다. 하기 표 4는 본 발명의 복수의 조성물 X-선 형광(XRF) 데이타인 배합물 A∼C를 제공한다. 하기 표 5는 개별 배합물 성분을 위한 X-선 회절(XRD) 및 XRF 분석을 제공한다. XRD 분석은 결정질 재료 화학 분야를 검출하지만 비정질 화학 분야는 검출하지 않으며; XRD 데이타는 본원에 주로 샘플 내의 비정질 및 결정질 재료의 양을 제시하기 위해 제공된다. XRF 분석은 원소 (및 계산에 의한 산화물 화학) 분석을 제공한다. XRF 분석은 배합된 시멘트를 위한 반응성 지수를 추정할 수 있다.
하기 표 4에서는 OPC는 비정질 함량이 22.7%보다 적지만 45%보다 높은 비정질 함량이 기록되었음을 제시한다. 대부분의 활성 포졸란(분쇄된 과립형 용광로 슬래그 함유)은 70%보다 많은 비정질 함량을 포함한다. 하기 표 4에 제시된 바와 같이, 서서히 냉각된 슬래그는 비정질 함량이 약 20% 내지 50% 이상일 수 있다.
ASTM C 618에 따라 포졸란 활성을 위한 XRF 데이타 분석은 규소(SiO2), 알루미늄(A12O3), 및 철(Fe2O3) 상에 크게 초점을 맞춘다. ASTM C 618은 OPC와 충분하게 활성되기 위한 상기 화합물들의 양에 대한 필요량을 열거하고 있다. 특히, ASTM C 618은 포졸란이 총 규소, 알루미늄, 및 철 함량 50% 이상을 포함하는 것을 요구하고 있다.
상기 데이타를 기준으로, ASTM C 618을 충족시키기 위한 슬래그/포틀랜드 시멘트 배합물의 경우, 상기 배합물은 다른 포졸란 하나 이상을 포함하여 필요한 비정질 함량을 제공하는 것을 나타낸다. ASTM C 618 또는 또다른 표준(예, Department of Transportation standard)에 따르는 것이 필요하지 않을 경우, 포함될 추가의 포졸란은 필요하지 않다.
실시예 5 - 배합 화학 분야
본 발명의 구체예에 따라 슬래그 및 다른 포졸란을 포틀랜드 시멘트로 포함하는 것은 당업자가 상이한 분야용으로 바람직한 칼슘, 철, 알루미늄, 및 규소 화 학을 얻을 수 있다. 본 발명의 구체예의 배합물에 대한 성능 분석은 당업자에게 공지되어 있는 "보그 계산법"을 사용하여 실시할 수 있다. 보그 계산법은 트리칼슘 실리케이트(Ca3SiO5 또는 "C3S"), 디칼슘 실리케이트(Ca2SiO4 또는 "C2S"), 칼슘 알루미네이트(Ca6A12O6 또는 "C3A"), 및 테트라칼슘 알루미노 페라이트(Ca4A12Fe2O10 또는 "C4AF")로서 시멘트에서 주요 성분을 추정할 수 있다.
본 발명의 콘크리트 생성물 구체예(조성물 A 및 B) 및 레디-믹스 구체예(조성물 C 및 D)를 위한 보그 계산법의 결과로 하기 표 6을 제시한다. 하기 표 6은 또한 시멘트성 바인더로서 또는 OPC와의 조합으로 사용될 수 있는 각각의 포졸란을 위한 계산을 포함한다. 보그 계산법은 분쇄된 과립형 용광로 슬래그(GGBFS)의 결합력이 또한 유의적으로 상이하다는 것을 가리키는 비-GGBFS 슬래그보다 유의적으로 상이한 프로파일을 갖는다는 것을 제시한다.
본 발명의 특정 구체예는 예시의 목적으로 기술되는 한편, 본 내용의 상세한 사항 중 다수의 변형은 첨부된 청구범위를 한정하는 것으로서 본 발명에서 벗어남 없이 제조될 수 있음으 당업자가 증명할 것이다. 본원에 논의된 특허 및 공개 문헌들은 당분야에서 기술의 수준을 암시하는 것으로서 간주되어야 하지만, 임의의 문헌이 선행 기술 문헌이라는 승인을 받은 것은 아니다. 비제한적인 예로서 논의된 ASTM 표준법을 포함하는, 본원에 기술된 상기 특허 및 공개 문헌들 모두는 본원에 참고인용된다.
Claims (20)
- 슬래그 약 25 중량%∼약 80 중량%, 다른 포졸란 약 20%∼약 75%, 및 다른 첨가제 약 0%∼약 25%를 포함하는 시멘트 보충 재료.
- 제1항에 있어서, 상기 다른 포졸란은 실리카 흄, 메타카올린, 클래스 C 비산재, 클래스 F 비산재, 클래스 N 포졸란, 왕겨재, 실리카분, 및 분쇄된 과립형 용광로 슬래그로 이루어진 군에서 선택하는 시멘트 보충 재료.
- 제2항에 있어서, 실리카 흄은 0.0∼20 중량%의 양으로 존재하고, 메타카올린은 0.0∼20 중량%의 양으로 존재하고, 클래스 C 비산재는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 클래스 F 비산재는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 클래스 N 포졸란은 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 분쇄된 과립형 용광로 슬래그는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하고, 왕겨재는 0.0∼60 중량%의 양으로 존재하며, 실리카분은 0.0∼20 중량%의 양으로 존재하는 시멘트 보충 재료.
- 제1항에 있어서, 상기 슬래그는 합금강 슬래그 및 강철 슬래그로 이루어진 군에서 선택하는 시멘트 보충 재료.
- 제4항에 있어서, 상기 슬래그는 스테인레스강 슬래그인 시멘트 보충 재료.
- 제1항에 있어서, 상기 슬래그는 금속 함량이 약 10% 미만인 시멘트 보충 재료.
- 제1항에 있어서, 상기 슬래그는 X-선 회절로 측정한 비정질 함량이 약 20%∼약 50%인 시멘트 보충 재료.
- 제1항에 있어서, 상기 재료의 20% 이상은 입자 크기가 68 μm보다 크고 420 μm보다 작은 시멘트 보충 재료.
- 제1항에 있어서, 산화칼슘 및 수산화칼슘으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원을 추가로 포함하는 시멘트 보충 재료.
- 제1항에 따른 시멘트 보충 재료 약 5∼50% 및 포틀랜드 시멘트 약 50%∼약 90%를 포함하는 시멘트 조성물.
- 슬래그를 포함하는 시멘트 보충 재료로서, 상기 재료의 22% 이상은 입자 크기가 68 μm보다 크고 420 μm보다 작은 시멘트 보충 재료.
- 제11항에 있어서, 상기 재료의 16% 이상은 입자 크기가 80 μm보다 크고 418 μm보다 작은 시멘트 보충 재료.
- 제11항에 있어서, 상기 재료의 14% 이상은 입자 크기가 90 μm보다 크고 418 μm보다 작은 시멘트 보충 재료.
- 제11항에 있어서, 상기 조성물은 클래스 C 비산재, 클래스 F 비산재, 클래스 N 포졸란, 왕겨재, 실리카분, 분쇄된 과립형 용광로 슬래그, 산화칼슘, 실리카 흄, 및 메타카올린으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원을 추가로 포함하는 시멘트 보충 재료.
- 제11항에 있어서, 상기 슬래그는 강철 슬래그 및 합금강 슬래그에서 선택하는 시멘트 보충 재료.
- 제11항에 있어서, 상기 슬래그는 스테인레스강 슬래그인 시멘트 보충 재료.
- 제11항에 있어서, 상기 스테인레스강 슬래그는 금속 함량이 약 10% 미만인 시멘트 보충 재료.
- 제11항에 있어서, 상기 슬래그는 X-선 회절로 측정한 비정질 함량이 약 20%∼약 50%인 시멘트 보충 재료.
- X-선 회절로 측정한 비정질 함량이 약 40%∼약 90%인 슬래그 및 하나 이상의 다른 포졸란을 포함하는 시멘트 보충 재료.
- 제19항에 있어서, 상기 슬래그는 X-선 회절로 측정한 비정질 함량이 약 40%∼약 70%인 조성물.
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