KR20120099470A - 나무 같은 특성 및 초고강도를 갖는 압출성 섬유 보강 시멘트질 자재와 이의 제조 방법 - Google Patents

나무 같은 특성 및 초고강도를 갖는 압출성 섬유 보강 시멘트질 자재와 이의 제조 방법 Download PDF

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퍼 저스트 앤더슨
시몬 케이 허드슨
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이. 카소기 인더스트리스,엘엘씨
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Abstract

시멘트질 복합체를 제조하는 방법은, (1) 섬유, 물, 및 유동성 개질제를 포함하는 섬유성 혼합물을 먼저 형성하고 수경 시멘트를 부가함으로써 압출성 시멘트질 조성물을 혼합하는 단계와, (2) 압출성 시멘트질 조성물을 미리 정해진 단면 형상으로 안정적으로 형성하고 실질적으로 보유하는 것을 특징으로 하는 소재 압출물로 압출하는 단계와, (3) 밀도를 감소시키고 다공성을 증가시키기 위해 증발을 통해 물의 일부를 제거하는 단계와, (4) 65℃보다 높고 99℃보다 낮은 온도에서 소재 압출물을 가열하는 단계를 포함한다. 이런 공정은 나무 대체용으로 적합한 시멘트질 복합체를 생성한다. 특히, 시멘트질 건축 자재를 준비하기 위한 높은 양생 온도를 이용함으로써, 건축 자재는 종래의 자재와 비교하여 보다 낮은 벌크 밀도와 높은 굽힘 강도를 갖는다. 나무와 유사한 건축 자재는 통상의 나무와 마찬가지로 톱질, 못질 및 나사결합이 이뤄질 수 있다.

Description

나무 같은 특성 및 초고강도를 갖는 압출성 섬유 보강 시멘트질 자재와 이의 제조 방법{EXTRUDED FIBER REINFORCED CEMENTITIOUS PRODUCTS HAVING WOOD-LIKE PROPERTIES AND ULTRAHIGH STRENGTH AND METHODS FOR MAKING THE SAME}
본 출원은 2005년 11월 1일자로 출원된 미국특허출원 번호 제11/264,104호로부터 전환된 미국 가출원 번호 제60/872,406호의 우선권을 주장하는 2006년 11월 1일자로 출원된 미국특허출원 번호 제11/555,646호의 부분 연속 출원이다. 이들 각각의 출원의 전체 개시내용은 본 명세서에서 참조한다.
본 발명은 높은 굽힘 강도(flexural strength) 및 낮은 벌크 밀도(bulk density)를 갖는 시멘트질 건축 자재의 원료로 사용되는 섬유 보강 압출성 시멘트질 조성물에 관한 것이다. 압출성 시멘트질 조성물은 나무와 유사한 특성을 갖는 시멘트질 건축 자재를 제조할 시에 사용될 수 있다.
나무로부터 얻은 목재 및 다른 건축 자재는 오랫동안 건축 구조물을 위한 원자재였다. 나무는 다양한 형상 및 크기로 절단 및 성형할 수 있다는 특성과, 건축 재료로서의 전반적인 성능과, 많은 다양한 건축 구조물로 형성될 수 있다는 특성 때문에 많은 여러 건축 재료의 공급원이다. 나무는 2 x 4, 또는 1 x 10 합판과, 트림 보드 등으로 절단될 수 있고, 또한 다양한 목제 조각이 글루, 못, 나사, 볼트 및 다른 체결 수단을 이용하여 용이하게 함께 부착될 수 있다. 나무 목재는 원하는 구조물을 생산하기 위해 쉽게 성형되어 다른 자재와 결합될 수 있다.
나무가 재생 가능한 자원이지만, 사용가능한 크기로 성장하기 위해서는 많은 시간을 필요로 할 수 있다. 따라서, 나무는 전세계 곳곳에서 적어도 국부적으로 이들이 성장할 수 있는 것보다 더 빠르게 사라질 수 있다. 또한, 사막, 또는 나무가 풍부하지 않은 다른 지역에서는 목재를 수입하거나 나무를 필요로 하는 구조물의 건설을 포기해야만 한다. 나무의 벌채로 인한 산림 파괴 및 다른 환경 문제에 대한 관심으로 인해, 플라스틱 및 콘크리트와 같은 다른 재료로부터 "목재 대체물"을 생성하기 위한 시도를 해왔다. 플라스틱은 성형성 및 높은 인장 강도와 같은 일부 바람직한 특성이 있지만, 이들은 압축 강도에 취약하며, 일반적으로 재생 불가능한 자원으로부터 얻어지고, 천연 자재에 비해 덜 환경친화적인 것으로 간주되는 것이 일반적이다.
한편, 콘크리트는 그 성분이 점토, 모래, 암석 및 물과 같은 아주 흔한 것이기 때문에 기본적으로 비-고갈성인 건축 재료이다. 콘크리트는 수경 시멘트(hydraulic cement)와, 물과, 적어도 하나의 골재(aggregate)를 포함하며, 물은 시멘트와 반응하여 시멘트 페이스트(cement paste)를 형성하고, 형성된 시멘트 페이스트는 골재들을 함께 결속한다. 시멘트 및 물과 골재 및 다른 고형 성분이 결속되도록 수경 시멘트 및 물을 양생하면[즉, 수화(hydrate)시키면], 최종 콘크리트는 매우 높은 압축 강도 및 굽힘 탄성률(flexural modulus)을 가질 수 있게 되지만, 이의 압축 강도에 비해 상대적으로 낮은 인장 강도와, 낮은 인성(toughness) 또는 휨 특성(deflection property)을 갖는 취성 재료이다. 그럼에도, 철근(rebar) 또는 건축 대형 골조(building massive structure)와 같은 보강 부재를 부가함으로써, 콘크리트는 도로와, 건물 바닥 구조와, 일반적으로 큰 대형 구조물에 이용된다.
콘크리트를 이용하여 목재 대체물을 생성하기 위한 기존의 시도는 적절한 특성들을 갖는 자재를 제공하지 못하였다. 부분적으로, 이는 주형에서의 혼합물의 양생이 요구되는 통상의 콘크리트 제조 방법과, 목재를 대체할 만한 적절한 인성 또는 굽힘 강도를 갖는 자재를 제공하지 못하였기 때문이다. 콘크리트로부터 일반적인 건축 부재[예컨대, 기와(roofing tile), 파사드 부재(facade element), 파이프 등]를 제조하기 위한 하나의 시도는 종이를 제조하기 위해 사용되는 공정의 변형인 "하체크 공정(Hatschek process)"을 포함한다.
하체크 공정에서, 건축 자재는 99% 물과, 수경 시멘트와, 골재와, 섬유를 포함하는 고도의 수성 슬러리로 제조된다. 이 수성 슬러리는 매우 높은 물 시멘트 비("w/c")를 가지며, 고형 건축 자재를 형성하기 위해 양생될 수 있는 조성물을 생성하도록 탈수된다. 수성 슬러리는 연속하는 층으로 다공성 드럼에 적용되고 후속하는 층들 사이에서 탈수된다. 섬유는 고형 시멘트 입자가 물과 함께 배수되는 것을 방지하고 소정 레벨의 인성을 부여하기 위해 부가된다. 수분이 여전히 존재하며 굳어지지 않은 상태에서, 탈수된 재료는 드럼으로부터 제거되거나, 시트로 절단되거나, 선택적으로 프레스 성형되고, 양생이 이뤄진다. 최종 자재는 층상 구조를 가진다. 건조 상태가 유지되면 적당한 강도가 유지되지만, 시간이 흐름에 따라 이들이 과도한 수분에 노출되면 분리되거나 박리되는 경향이 있다. 자재가 층상 구조로 이뤄져 있기 때문에, 구성요소, 특히 섬유는 균일하게 분산되지 않는다.
또한, 시멘트질 건축 자재는 구조물이 완성된 후에 수개월 또는 심지어 수년이 지날 때까지 강도에 있어서 이들의 가능한 최대 강도에 도달하지 못한다. 특히, 본 기술분야에 널리 공지된 바와 같이, 콘크리트는 조성물 내 수분이 완전히 사라질 때까지 응고되기 때문에, 콘크리트는 지속적으로 굳어짐에 따라 강화된다. 통상적으로, 28일 강도가 건설 사업의 벤치마크로서 이용된다. 양생의 신속성을 위해 온도를 상승시키는 기존의 시도, 가령 온도가 65℃ 이상으로 도달되는 증기 양생(steam curing) 및 오토클레이브(autoclaving)는, 부수적인 에트린가이트(ettringite)의 형성을 초래하며, 이들 모두는 최종 자재에 바람직하지 않은 균열 및 파괴를 야기할 수 있다.
본 발명의 발명자는 시멘트 및 섬유를 이용하여 종이와 같은 가요성 시트를 제조하기 위한 방법을 선행하여 발명하였으며, 이런 시트는 종이와 같은 가요성을 가졌으며, 종이와 거의 흡사하게 다양한 음식 또는 음료 용기로 굽혀지거나 접혀지거나, 또는 말릴 수 있었다. 이런 시트는 건축 재료로서 사용되기에 적합하지 않다. 일례로, 이런 시트는 가열된 롤러에서 형성되는 수 초 또는 수 분 동안 성형가능한 조성물을 신속하게 건조함으로써 제조되는데, 이는 전부는 아니지만 결속력(binding force)의 대부분을 제공하는 유동성 개질제(rheology-modifying agent)를 이용함에 따라, 수경 시멘트 입자가 단지 충전재(filler)가 되게 한다. 시멘트 입자가 충전재로서만 작용하기 때문에, 이들은 결국 저렴한 칼슘 카보네이트 충전재 입자로 대체되었다.
따라서, 시멘트질 조성물과, 목재 자재의 대체물로서 이용될 수 있고 용이하면서도 신속한 제조가 가능한 나무와 유사한 시멘트질 복합 건축 자재를 준비하기 위한 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 건축 자재가 종래의 자재와 비교하여 증가된 굽힘 강도를 가질 수 있다면 바람직하다. 또한, 현재 나무로 제조되고 있는 구조물 및 장식용 자재와 같은 다양한 나무 건축 자재를 포함하여 나무의 대체물로서 이용될 수 있는 건축 자재를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 목재의 대체물로서 기능을 할 수 있는 시멘트질 건축 재료에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 공지된 많은 목재 자재의 대체물로서 이용될 수 있는 나무와 유사한 건축 자재로 압출되거나 성형될 수 있는 압출성 시멘트질 조성물의 사용에 관한 것이다. 섬유성 시멘트질 건축 자재는 나무 건축 자재와 유사한 특성들을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유성 시멘트질 건축 자재는 나무 건축 자재에 대해 일반적으로 실시되는 바와 같이, 그리고, 보다 구체적으로 이하 설명된 바와 같이 톱질되고, 절단되고, 드릴링되고, 해머링되고, 부착될 수 있다.
통상의 콘크리트는 일반적으로 나무보다 밀도가 높고 단단하기 때문에, 이를 톱질하거나, 못질하거나, 나사 결합하기가 보다 힘들다. 엄밀히는 경도의 척도가 아니지만, 탄성 계수(Modulus of Elasticity) 또는 영률(Young's Modulus)로 칭해지는 재료의 굽힘 탄성률(flexural modulus)은 경도와 연관성이 있는 것으로 알려져 있는데, 이는 상기 굽힘 탄성률이 시멘트질 건축 자재를 톱질, 못질 및/또는 나사결합하는 능력과 관련이 있기 때문이다. 일반적인 콘크리트는 통상적으로 약 4,000,000 psi 내지 약 6,000,000 psi 정도 크기의 굽힘 탄성률을 갖는 반면에, 나무의 굽힙 탄성률은 약 500,000 psi 내지 약 5,000,000 psi 범위[약 3.5 내지 35 기가 파스칼(gigapascal)]에 있다. 또한, 콘크리트는 통상적으로 나무보다 약 5배 내지 100배 단단하다. 경질의 나무보다 용이한 톱질, 못질 및 나사결합이 가능한 소나무와 같은 연질의 나무는 굽힘 탄성률에 의해 추정되는 바와 같이 콘크리트보다 100배까지 연질의 특성을 나타낸다.
일반적으로, 보통의 나무용 톱을 이용한 톱질, 해머를 이용한 못질, 또는 통상의 드라이버를 이용한 나사결합이 이뤄지는 시멘트질 건축 자재의 능력은 경도와 함수 관계가 있으며, 이는 밀도에 대략 비례한다(즉, 밀도가 낮을수록, 경도도 대체로 낮다). 나무 자재를 이용할 때 건축 분야에 통상적으로 알려져 있는 공구를 이용하여 톱질, 못질 및/또는 나사결합이 이뤄지는 시멘트질 건축 자재가 요구되는 경우에, 시멘트질 건축 자재는 (즉, 종래의 콘크리트보다 연질이 되도록) 나무의 경도와 거의 유사한 경도를 일반적으로 가질 것이다. 섬유 및 유동성 개질제의 포함은 종래의 콘크리트보다 연질의 자재 생성을 돕는다. 또한, 양호하게 분산된 상당한 양의 기공의 포함은 밀도의 감소를 도와, 결과적으로 경도의 감소를 돕는다.
또한, 본 발명의 시멘트질 건축 자재는 압축 강도보다 높은 굽힘 강도를 가진다. 높은 굽힘 강도는 최대 처짐량(maximum deflection)에서 파손되기 전에 중-하중(heavier load)을 허용할 것이다. 통상적인 보(beam)의 처짐량은 다음의 식을 이용하여 결정된다.
보의 중앙에서의 처짐량 = 하중 × 길이3/48/탄성 계수/관성 모멘트
따라서, 탄성 계수가 높을수록, 처짐량은 낮다.
일 실시예에서, 본 발명은 목재 대체용 시멘트질 복합 자재를 포함한다. 이런 자재는 수경 시멘트, 유동성 개질제 및 섬유를 포함하는 양생 시멘트질 복합체를 포함할 수 있다. 양생 시멘트질 복합체는, 나무용 톱을 이용해 손으로 톱질될 수 있으며, 약 200,000 psi 내지 약 5,000,000 psi 범위의 굽힘 탄성률과, 적어도 약 1500 psi의 굽힌 강도와, 바람직하게는 약 1.3 g/㎤ 미만, 보다 바람직하게는 약 1.15 g/㎤ 미만, 보다 더 바람직하게는 약 1.1 g/㎤ 미만, 가장 바람직하게는 약 1.05 g/㎤ 미만의 밀도와, 양생 시멘트질 복합체 전체에 걸쳐 대체로 균일하게 분포된 섬유, 바람직하게는 약 10% 건조 체적보다 큰 농도로 분포된 섬유 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 건축 자재는 시멘트 함유 종이 같은 자재보다 큰 강성을 가진다. 섬유가 대체로 균일하게 분산되어 있기 때문에(즉, 하체크 공정에서와 같이 층상 구조를 이루지 않기 때문에), 건축 자재는 습기에 노출되더라도 분리되거나 박리되지 않는다.
양생 시멘트질 조성물은 일반적으로 약 0.1% 내지 약 10% 습윤 체적의 농도의 유동성 개질제와, 약 5% 습윤 체적 초과, 보다 바람직하게는 약 7% 습윤 체적 초과, 보다 더 바람직하게는 약 8% 습윤 체적 초과의 농도의 섬유를 포함하는 압출성 시멘트질 복합체를 혼합함으로써 준비된다. 압출된 복합체는 높은 항복 응력과, Binghamian 플라스틱 특성과, 즉각적인 형성 안정성과 함께 점토와 같은 균일성(consistency)를 갖는 것을 특징으로 한다. 혼합된 후에, 압출성 시멘트질 조성물은 미리 정해진 단면적을 갖는 소재 압출물(green extrudate)로 압출될 수 있다. 소재 압출물은 압출 후에 주저앉지 않고 파손되는 일 없이 취급이 가능하도록 이의 단면적 및 형상이 보유될 수 있도록 압출 시에 형상 안정성을 갖는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 압출된 이후에, 소재 압출물 내 수경 시멘트는 양생 시멘트질 복합체를 형성하도록 65℃보다는 높고 99℃ 미만의 온도로 가열함으로써 양생될 수 있다. 다른 실시예에서, 소재 압출물 내 수경 시멘트는 약 24시간 동안 15 바(bar)에서 약 150℃의 온도를 갖는 오토클레이브를 이용하여 양생된다.
일 실시예에 따르면, 압출성 조성물을 형성하기 위해 초기에 사용되는 물의 양은 시멘트 바인더의 수화 이전에, 수화 동안에, 또는 수화 이후에 증발에 의해 감소된다. 이는 통상적으로 시멘트의 수화를 간섭하지 않으면서 제어된 건조를 생성하도록 물의 끊는 점 이하의 온도로 오븐에서 건조함으로써 달성될 수 있다. 이런 건조에 따른 적어도 두 가지의 장점이 있다. (1) 유효 시멘트/물 비율이 감소될 수 있기 때문에 시멘트 페이스트의 강도를 증가시키며, (2) 제거된 물이 제어된 균일한 밀도 하에서 잔존한다.
압출성 조성물의 공칭 또는 명시 물/시멘트 비율은 초기에 약 0.8 내지 약 1.2의 범위에 있을 수 있다. 그러나, 시멘트의 수화에 실제로 가용한 물에 기초하는 유효 물/시멘트 비율은 통상적으로 훨씬 낮다. 예를 들면, 증발에 의해 물의 일부가 제거된 후에, 최종 물/시멘트 비율은 통상적으로 약 0.1 내지 약 0.5의 범위에, 예컨대 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.4의 범위에, 더욱 바람직하게는 약 0.25 내지 약 0.35의 범위에 있으며, 가장 바람직하게는 약 0.3이다. 전술된 바와 같이 오븐에서의 가열에 의한 증발에 의해 부가된 물의 전부가 제거될 수 없음을 알았는데, 이는 물의 일부가 심지어 가열 중에도 시멘트와 반응하여 시멘트를 수화시킬 수 있음을 의미하며, 즉, 물을 증발 제거될 수 있는 자유수가 아니라 화학적 결합수가 되게 한다는 것을 나타낸다. 이런 공정은 자재의 습기를 유지하면서 생산 온도가 증가하는 스팀 양생을 이용하는 공정과 차이가 있다.
본 발명에 따른 시멘트질 복합체에 사용된 섬유는 삼 섬유(hemp fiber), 코튼 섬유, 식물 잎 또는 줄기 섬유, 견목재 섬유(hardwood fiber), 연목재 섬유(softwood fiber), 유리 섬유, 흑연 섬유(graphite fiber), 실리카 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 폴리머 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 및 탄소 섬유 중 하나 이상일 수 있다. 양생된 시멘트질 조성물에 걸쳐 대체로 균일하게 분포된 섬유의 양은 약 10% 건조 체적보다 큰 것이 바람직하고, 약 15% 건조 체적보다 큰 것이 보다 더 바람직하며, 약 20% 건조 체적보다 큰 것이 보다 더 바람직하다. 나무 또는 식물 섬유와 같은 일부 섬유는 높은 친수성을 가지며, 상당한 양의 물의 흡수할 수 있다. 이는 압출 가능하도록 시멘트질 조성물에 부가되는 물의 일부가 섬유와 결속되고, 따라서 섬유에 의해 결속된 물이 시멘트 바인더를 수화시키는 데에 쉽게 사용될 수 없기 때문에 유효 물/시멘트 비율을 감소시킨다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 시멘트질 복합체에 사용되는 수경 시멘트 바인더는 포틀랜드 시멘트(Portland cement), MDF 시멘트, DSP 시멘트, 덴시트형 시멘트(Densit-type cement), 파이라멘트형 시멘트(Pyrament-type cement), 칼슘 알루미네이트 시멘트(calcium aluminate cement), 플라스터(plaster), 실리케이트 시멘트(silicate cement), 석고 시멘트(gypsum cement), 포스페이트 시멘트(phosphate cement), 고 알루미나 시멘트(high alumina cement), 초미립 시멘트(micro fine cement), 슬래그 시멘트(slag cement), 마그네슘 옥시클로라이드 시멘트(magnesium oxychloride cement) 및 이들의 조합물 중 하나 이상일 수 있다. 시멘트 바인더는 (예컨대, 유동성 개질제에 의해 부여된 결속 강도와 조합하여) 건축 자재의 전체 결속 강도에 대해 적어도 약 50% 기여한다. 바람직하게는, 수경 시멘트는 전체 결속 강도에 대해 적어도 약 70%, 보다 바람직하게는 적어도 약 80%, 가장 바람직하게는 적어도 약 90% 기여할 것이다. 수경 시멘트 바인더가 건축 자재의 전체 강도에 대해 실질적으로 기여하기 때문에, 건축 자재는 (즉, 증발에 의해 모든 물을 또는 실질적으로 거의 모든 물을 신속하게 제거하기 위해 150℃ 이상으로 가열함으로써) 충전재로서 수경 시멘트를 주로 이용하는 종이 같은 자재와 비교하여 더 큰 강도와 더 큰 굽힘 강성을 가진다.
유동성 개질제는 다당류(polysaccharide), 단백질(protein), 셀룰로오스(cellulose), 녹말(amylpectin)과 같은 전분(starch), 아물로즈(amulose), 씨겔(seagel), 아세트산 전분(starch acetate), 하이드록시에테르 전분(starch hydroxyether), 이온성 전분(ionic starch), 긴사슬 알킬 전분(alkyl-starches alkyl-starches), 덱스티린(dextrins), 아민 전분(amine starch), 인산염 전분(phosphate starch), 디알데히드 전분(dialdehyde starch), 메틸하이드록시에틸셀룰로오스(methylhydroxyethylcellulose)와 같은 셀룰로오스 에테르, 하이드록시메틸에틸셀룰로오스(hydroxymethylethylcellulose), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 에틸셀룰로오스(ethylcellulose), 하이드록시셀룰로오스(hydroxyethylcellulose), 하이드록신프로필셀룰로오스(hydroxypropylcellulose) 및 점토 중 하나 이상일 수 있다. 유동성 개질제의 양은 시멘트질 조성물의 약 0.25% 내지 약 5% 습윤 중량의 범위가 바람직하고, 약 0.5% 내지 약 4% 습윤 중량의 범위가 보다 바람직하며, 약 1% 내지 약 3% 습윤 중량의 범위가 가장 바람직하다. 섬유와 마찬가지로, 유동성 개질제는 물과 함께 결속될 수 있으며, 이에 의해 수화에 가용한 물 대신에 부가된 실제 물에 기초한 공칭 비율과 비교하여 유효 물/시멘트 비율을 감소시킨다. 유동성 개질제가 바인더로서 작용할 수 있지만, 이는 통상적으로 전체 결속력에 대해 약 50% 미만으로 기여한다.
선택적으로, 약 0.01% 내지 약 15% 건조 중량의 농도의 응고 가속제(set accelerator)가 포함될 수 있으며, 응고 가속제는 KCO3, KOH, NaOH, CaCl2, C02, 염화마그네슘, 트리에탄올아민(triethanolamine), 알루미네이트(aluminate), HCl의 무기염류, HNO3의 무기염류, H2S04의 무기염류, 칼슘 실리케이트 하이드레이트(calcium silicate hydrate; C-S-H) 및 이들의 조합물 중 하나 이상일 수 있다. 응고 가속제는 취급을 위해 급속한 강도가 요구되는 경우 및/또는 초기의 수화 과정에서 증발에 의해 물의 일부가 제거되는 경우에 특히 유용할 수 있다.
또한, 약 0.5% 내지 약 2.0% 건조 중량의 농도의 응고 지연제(set retarder)가 선택적으로 포함될 수 있다. 적절하게, 응고 지연제는 마스터빌더스(Masterbuilders)사로부터 상품명 Delvo®으로 상업적으로 이용가능한 하나 이상의 지연제일 수 있다. 응고 지연제는 취급 및 압출 동안 건축 자재의 일정한 유동이 필요한 경우 특히 유용할 수 있다.
또한, 골재 재료가 포함될 수 있으며, 이들은 모래, 돌로마이트(dolomite), 자갈(gravel), 암석, 바잘트(basalt), 그래니트(granite), 라임스톤(limestone), 샌드스톤(sandstone), 글라스비드(glass bead), 에어로겔(aerogel), 퍼라이트(perlite), 버미큘라이트(vermiculite), 박리된 암석(exfoliated rock), 크세로겔(xerogel), 마이카(mica), 점토, 인조 점토, 알루미나, 실리카, 플라이 애쉬(fly ash), 실리카 퓸(silica fume), 판상 알루미나(tabular alumina), 카올린(kaolin), 글라스 마이크로스피어(glass microsphere), 세라믹 스피어, 이수 석고(gypsum dihydrate), 칼슘 카보네이트(calcium carbonate), 칼슘 알루미네이트, 발포 폴리스티렌(expanded polystyrene), 코르크(cork), 톱밥(saw dust) 및 이들의 조합물 중 하나 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 양생된 시멘트 조성물은 핸드 해머를 사용하여 망치질으로써 내부에 10d 못을 수용할 수 있다. 양생 시멘트질 조성물은 10d 못에 대해 적어도 약 25 lbf/in의 인발 저항(pullout resistance)을, 바람직하게는 10d 못에 대해 적어도 약 50 lbf/in의 인발 저항을 가질 수 있다. 또한, 양생 시멘트질 복합체는 나사에 대해 적어도 약 300 lbf/in의 인발 저항을, 바람직하게는 나사에 대해 적어도 약 500 lbf/in의 인발 저항을 가질 수 있다. 인발 저항은 일반적으로 시멘트질 복합체 내 섬유의 양과 관련이 있다(즉, 인발 저항은 모든 조건이 동일하다면 섬유 함량의 증가에 따라 증가한다). 섬유는 못 또는 나사에 의해 형성된 구멍 내부 및 주위의 균열의 형성에 견디는 보다 큰 국부적 파괴 에너지(fracture energy) 및 인성(toughness)을 생성한다. 결과적으로 매트릭스가 마찰력에 의해 못을 보유하거나 마찰 및 기계적 힘 양자에 의해 나사를 보유하는 스프링 백 효과가 얻어진다.
일 실시예에서, 시멘트질 복합체를 제조하는 방법은, 소재 압출물 내에 보강 부재를 적어도 부분적으로 캡슐화하도록 철근, 와이어, 메쉬, 연속성 섬유 및 패브릭으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 보강 부재 주위에 압출성 시멘트질 조성물을 압출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 시멘트질 복합 자재 제조 방법은 형상-안정적인(form-stable) 적어도 하나의 연속 구멍을 갖는 소재 압출물(green extrudate)을 압출하는 단계, 시멘트질 복합체가 형상-안정적인 상태에서 또는 적어도 부분적으로 양생(cured)된 상태에서 연속 구멍으로 철근(rebar) 및 결합제(bonding agent)를 삽입하는 단계, 및 철근을 연속 구멍의 표면에 결합제로 결합시키는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 결합제는 철근 삽입 전에 철근에 가해진다.
일 실시예에서, 시멘트질 복합 자재 제조 방법은 목재 건축 자재(lumber building product)의 대체물이 되도록 시멘트질 복합체를 건축 자재로 구성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때문에, 건축 자재는 로드(rod), 바아(bar), 파이프, 실린더, 보드, I-비임, 전신주, 트림 보드(trim board), 2 x 4, 1 x 8, 패널, 편평 시트(flat sheet), 기와, 및 중공 내부를 갖는 보드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상으로 제조될 수 있다. 건축 자재는 압출을 포함하는 공정을 사용하여 통상적으로 제조되지만, 압출 공정은 하나 이상의 중간 또는 마무리 절차를 또한 포함할 수 있다. 중간 절차는 통상적으로 복합체가 소재, 미양생 상태에서 이루어지는 반면, 마무리 절차는 통상적으로 재료가 양생되거나 경화된 후에 이루어진다.
목재 구조의 손상 또는 약화에 의한 것을 제외하고는 현저하게 연화(softened)될 수 없는 목재와 달리, 콘크리트는 양생 전에 소성이며 성형가능(moldable)하다. 이것으로부터 제조된 건축 자재는 실제 목재를 사용하여 달성하는 것이 대체로 곤란하거나 불가능한 형상을 얻기 위해 소재 상태에 있는 동안 재성형(즉, 만곡 또는 굴곡)될 수 있다. 건축 자재의 표면 또는 시멘트질 매트릭스는 목재에 비해 훨씬 유리한, 콘크리트 산업에서 알려진 실란, 실록산, 라텍스, 에폭시, 아크릴, 및 다른 방수제를 사용하여 방수성이 되도록 처리될 수 있다. 이러한 재료는 시멘트질 건축 자재의 표면 안으로 혼합 및/또는 그 표면에 가해질 수 있다.
건축 자재는 중실형이거나, 중공형일 수 있다. 불연속성을 얻기 위해 중실 맨드릴(mandrel) 주위에서 압출에 의해 연속 구멍을 제공하는 것은 경량인 건축 자재를 얻게 해 준다. 하나 이상의 이러한 구멍은 (예컨대, 에폭시 또는 다른 접착제로 결합된) 철근 보강재로 채워질 수 있으며, 구멍은 전선을 위한 도관을 제공할 수 있거나, 또는 예비 드릴링 구멍과 매우 유사하게 건축 자재 안으로의 나사결합에 사용될 수 있다. 건축 자재는 복잡한 압출 구조를 포함할 수 있다. 건축 자재는 실제로 임의의 크기 또는 단면 형상을 가질 수 있다. 건축 자재는 (예컨대, 롤러-압출에 의해) 대형 시트로, 또는 (예컨대, 대형 다이 개구를 통해) 블록으로 성형될 수 있으며, 그 후 목재와 같이 더 작은 크기로 밀링된다.
일 실시예에서, 시멘트질 복합 자재 제조 방법은 형상-안정적인 소재 압출물 및/또는 양생된 시멘트질 복합체를 벤딩, 스탬핑, 임팩트 몰딩, 절단, 톱질, 샌딩, 밀링, 텍스쳐라이징(texturizing), 플래닝(planing), 폴리싱, 버핑, 프리드릴링 구멍, 도색, 및 스테이닝(staining)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공정에 의해 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 시멘트질 복합 자재 제조 방법은 (예컨대, 스탬핑에 의해) 건축 자재의 주 몸체로부터 잘려진 재료 또는 스크랩 소재 압출물의 일부를 재활용하는 단계를 포함할 수 있으며, 재활용 단계는 스크랩 소재 압출물을 압출가능한 시멘트질 조성물과 합체시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 수경 시멘트(hydraulic cement) 양생 공정은 열 양생 또는 오토클레이빙(autoclaving)을 포함할 수 있다. 양생 온도를 상승시킴으로써 수경 시멘트는 더 짧은 시간에 더 큰 퍼센트의 강도를 구비한 시멘트질 복합체를 생산하기 위해 더 빨리 양생될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 유동성(rheology) 개질제는 지연제(retarder)로서 작용하며, 온도가 65℃를 초과하지 않는다면, 억제 효과는 상쇄되지 않으며, 시멘트의 강도 발달(development)을 늦춘다. 그러나 65℃ 위에서, 유동성 개질제는 용액 밖으로 석출되며 수화가 더 빨라질 수 있어서, 더 높은 강도 발달이 초래된다. 바람직하게, 압출물은 그 안의 수경 시멘트가 양생되는 것을 허용하도록 65℃ 초과 내지 99℃ 미만, 더욱 바람직하게는 70℃ 초과, 더욱 바람직하게는 80℃ 초과, 더욱 바람직하게는 90℃ 초과의 온도로 가열된다.
일 실시예에서, 압출은 다이 개구를 통할 수 있다. 대안적으로, 압출은 롤러-압출을 사용할 수 있다.
이러한 실시예들 및 다른 실시예들, 그리고 본 명세서의 특징들은 이하의 상세한 설명 및 부속 특허청구범위로부터 더욱 완전하게 자명해지거나, 또는 이하 제공되는 본 명세서의 실시예에 의해 학습될 수 있을 것이다.
전술한 장점 및 다른 장점, 그리고 본 발명의 특징들을 더욱 명확하게 하기 위해, 본 명세서의 더욱 특정한 설명이 첨부 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참조로 제공될 것이다. 이러한 도면은 본 명세서의 특정 실시예만을 도시하는 것이며, 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는 것으로 이해된다. 본 명세서는 첨부 도면의 사용을 통해 추가적인 특별함 및 상세사항으로 기술 및 설명될 것이다.
도 1a는 시멘트질 건축 자재 제조를 위한 압출 공정의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 1b는 시멘트질 건축 자재를 통해 연장하는 연속 구멍을 갖는 시멘트질 건축 자재 제조를 위한 압출 다이 헤드의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 1c는 압출된 시멘트질 건축 자재의 단면 영역의 실시예들을 도시하는 사시도이다.
도 2는 시멘트질 건축 자재 준비를 위한 롤러-압출 공정의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d는 시멘트질 건축 자재를 구조적 보강 요소와 공압출하는 실시예들을 도시하는 사시도이다.
도 4는 시멘트질 건축 자재를 구조적으로 보강하는 공정의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 5a는 종래 기술의 콘크리트 및 그 안에 삽입된 못을 도시하는 사시도이다.
도 5b는 시멘트질 건축 자재의 실시예 및 그 안에 삽입된 못을 도시하는 사시도이다.
도 6a는 도 4의 종방향 절개도이다.
도 6b는 도 6a의 중간 높이 단면도이다.
도 7a는 도 5의 종방향 절개도이다.
도 7b는 도 7a의 중간 높이 단면도이다.
도 8은 목재, 시멘트질 건축 자재의 실시예, 및 철근 보강 시멘트질 건축 자재의 실시예의 굽힘 강도의 그래프이다.
도 9는 시멘트질 건축 자재의 실시예의 인장 강도의 그래프이다.
도 10은 압축력에 의한 목재 및 시멘트질 건축 자재의 실시예의 변형(displacement)의 그래프이다.
전반적으로, 본 명세서는 시멘트질 조성물 및 이러한 조성물의 준비 방법 및 목재 건축 자재와 유사한 특성을 갖는 시멘트질 건축 자재의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 상기 방법은 시멘트질 건축 자재를 준비하기 위해 더 높은 양생 온도를 사용하는 것을 포함하여, 자재를 종래 자재와 비교할 때 쉽게 못질되고, 나사 결합되고, 드릴링되는 등의 능력을 유지하면서 더 높은 벌크 밀도, 더 높은 굽힘 강도를 갖는 것을 허용한다. 본원에서 채용된 용어는 특정 실시예만을 설명하기 위해 사용되며 제한적으로 의도되지 않는다.
일반적 정의
용어 "다중-성분(multi-component)"은 통상적으로 3개 이상의 화학적으로 또는 물리적으로 구별되는 재료 또는 상(phase)을 포함하는 섬유-보강 시멘트질 조성물 및 이로부터 준비된 압출된 복합체를 지칭한다. 예를 들어, 이러한 압출가능한 조성물 및 결과적인 건축 자재는 유동성 개질제, 수경 시멘트, 수경으로 응고가능(settable)한 다른 재료, 응고 가속제, 응고 지연제, 섬유, 무기 골재 재료, 유기 골재 재료, 분산제, 물, 및 다른 액체와 같은 성분을 포함할 수 있다. 재료의 이러한 넓은 범주 각각은 최종 물품은 물론 재료로부터 준비된 압출물 혼합물에 하나 이상의 고유한 특성을 부여한다. 이러한 넓은 범주 내에서, 압출된 물품에 상이하지만 상보적인 특성을 부여할 수 있는 (2종 이상의 무기 골재 또는 섬유와 같은) 상이한 성분을 더 포함하는 것이 가능하다.
용어 "수경으로 응고가능한 조성물(hydraulically settable composition)" 및 "시멘트질 조성물(cementitious composition)"은 발생된 수화 또는 양생의 정도와 무관하게 다른 성분들은 물론 수경으로 응고가능한 바인더 및 물 모두를 포함하는 조성물 및 재료의 넓은 범주를 지칭한다. 그러한 것으로서, 시멘트질 재료는 소재 상태의 (즉, 경화되지 않은, 연질의 또는 성형가능한) 수경으로 응고가능한 조성물 또는 수경 페이스트, 및 경화된 또는 응고된 시멘트질 건축 자재를 포함한다.
용어 "균질(homogeneous)"은 조성물의 적어도 2개의 무작위 샘플이 대략적으로 또는 실질적으로 동일한 성분의 양, 농도, 및 분포를 갖도록 고르게 혼합된 조성물을 지칭하는 것으로 여겨진다.
용어 "수경 시멘트(hydraulic cement)", "수경으로 응고가능한 바인더(hydraulically settable binder)", "수경 바인더(hydraulic binder)", 또는 "시멘트"는 물에 노출된 후 경화되고 및 양생되는 예컨대 포틀랜드 시멘트, 비산회(fly ash), 및 석고와 같은 무기 바인더인 시멘트질 또는 수경으로 응고가능한 조성물 내의 성분 또는 성분들의 조합을 지칭하는 것으로 여겨진다. 이러한 수경 시멘트는 물과 화학적으로 반응하여 경도, 압축 강도, 인장 강도, 굽힘 강도, 및 성분 표면 결합(예컨대, 시멘트에 대한 골재의 결합)과 같은 증가된 기계적 특성을 나타낸다.
용어 "수경 페이스트(hydraulic paste)" 또는 "시멘트 페이스트(cement paste)"는 수경 바인더의 수화로부터 야기된 경화된 페이스트는 물론 소재 상태의 수경 시멘트 및 물의 혼합물을 지칭하는 것으로 여겨진다. 그러한 것으로서, 수경으로 응고가능한 조성물 내에서, 시멘트 페이스트는 섬유, 시멘트 입자, 골재와 같은 개별 고상 재료들을 함께 결합시킨다.
용어 "섬유(fiber)" 및 "섬유들(fibers)"은 천연 섬유 및 합성 섬유 모두를 포함한다. 결과물인 압출된 조성물 또는 마무리된 건축 자재의 굽힘 강도 및 인장 강도는 물론, 연신율, 휨(deflection), 인성, 및 파단 에너지를 증가시키기 위해, 통상적으로 약 10:1 이상의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 섬유들은 압출가능한 시멘트질 조성물에 첨가된다. 섬유들은 소재 압출물, 압출된 물품, 및 그것으로부터 제조된 경화되거나 양생된 물품이 취급, 처리, 및 양생 동안 힘이 가해질 때 파열 또는 파괴될 가능성을 줄여 준다. 또한, 섬유들은 못 유지, 나사 유지, 인발 저항(pullout resistance), 및 기계 또는 톱칼(handsaw)에 의해 톱질되는 능력, 및/또는 목재 드릴 비트로 드릴링되는 능력과 같은 목재와 같은 특성을 시멘트질 건축 자재에 제공할 수 있으며, 즉 섬유들은 나사 또는 못에 대한 매트릭스의 스프링-백(spring-back)을 제공하는 매트릭스에 인성 및 가요성을 제공한다. 섬유들은 물을 흡수하여 유효 물/시멘트 비를 줄일 수 있다.
용어 "섬유-보강(fiber-reinforced)"는 소재 압출물, 압출된 물품, 및 경화되거나 양생된 복합체는 물론 이들로부터 제조된 건축 자재와 관련된 기계적 특성을 증가시키기 위해 몇몇 구조적 보강을 제공하도록 섬유를 포함하는 섬유-보강된 시멘트질 조성물을 지칭하는 것으로 여겨진다. 부가적으로, 핵심 용어는 "보강"이며, 이는 본 발명의 압출가능한 시멘트질 조성물, 소재 압출물, 및 양생된 건축 자재를 종래의 응고가능한 조성물 및 시멘트질 물품으로부터 명확하게 구분하는 것이다. 섬유들은 건축 자재로부터 절단되거나 형성된 임의의 표면을 보강하는 것은 물론 건축 자재에 특히 인장 강도, 휨, 및 인성을 부가하기 위한 보강 성분으로서 일차적으로 작용한다. 섬유들은 실질적으로 균질하게 분산되기 때문에, 건축 자재는 하체크(Hatschek) 공정을 사용하여 제조된 자제들이 그럴 수 있는 바와 같이 습기에 노출될 때 분리되거나 박리되지 않는다.
용어 "기계적 특성(mechanical property)"은 제조 물질, 조성물, 또는 물품의 기계적 강도를 식별하거나 특징짓기 위해 사용되는 특성, 변수, 또는 파라미터를 포함하는 것으로 여겨진다. 따라서, 기계적 특성은 파단 또는 파괴 전의 연신율, 휨, 또는 압축의 양, 파단 전의 응력 및/또는 변형율, 인장 강도, 압축 강도, 영률, 인성, 경도, 변형, 저항, 인발 저항 등을 포함할 수 있다.
용어 "압출물(extrudate)", "압출 형상(extruded shape)", 또는 "압출 물품(extruded article)"은 본 발명의 압출가능한 조성물 및 방법을 사용하여 압출되는 물품의 임의의 공지된 또는 미래에 설계된 형상을 포함하는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 압출된 복합체는 로드, 바아, 실린더, 보드, I-비임, 전력용 전신주, 전화용 전신주, 안테나용 전신주, 케이블용 전신주 등과 같은 전신주, 투-바이-포, 원-바이-포, 패널, 편평 시트, 다른 전통적인 목재 자재, 지붕 타일, 전기 도관을 갖는 보드, 및 철근 보강 물품으로 준비될 수 있다. 부가적으로, 압출된 건축 자재는 초기에 "개략적 형상(rough shape)"으로 압출될 수 있고, 그 후 본 용어의 사용에 의해 포함되도록 의도된 제조 물품으로 성형, 밀링, 또는 개질(refine)될 수 있다. 예를 들어, 슬랩(slab) 또는 대형 블록(예컨대 16 x 16)은 복수의 2 x 4로 절단 또는 밀링될 수 있다.
용어 "압출(extrusion)"은 개구 또는 영역과 부합하도록 재료를 성형하기 위해 특정 크기를 갖는 개구를 통해 또는 영역을 통해 재료가 처리되거나 통과되는 공정을 포함할 수 있다. 그것으로서, 다이 개구를 통해 재료를 가압하는 압출기는 압출기의 일 형상일 수 있다. 대안적으로, 한 세트의 롤러 사이에서 조성물을 가압하는 것을 포함하는 롤러-압출기는 압출의 다른 형상일 수 있다. 롤러-압출은 이하의 도 2에서 더욱 상세하게 설명된다. 어떠한 경우라도, 압출은 몰딩가능한(moldable) 조성물을 절단, 밀링, 톱질 등을 하지 않고 성형하는데 사용되며, 대게 미리규정된 단면적을 갖는 개구를 통해 재료를 가압 또는 통과시키는 것을 포함하는 공정을 지칭한다.
용어 "수화된(hydrated)" 또는 "양생된(cured)"은 잠재적 또는 최대 강도의 실질적인 양이 얻어진 경화된 시멘트질 건축 자재를 제조하기에 충분한 수화 작용의 레벨을 지칭하는 것으로 여겨진다. 그럼에도 불구하고, 시멘트질 조성물 또는 압출된 건축 자재는 상당한 경도 및 최대 강도의 실질적인 양에 도달된 오랜 뒤에도 계속하여 수화되거나 양생될 수 있다.
용어 "소재(green)", "소재 압출물(green extrudate)", 또는 "소재 상태(green state)"는 최종 강도의 실질적인 양이 아직 달성되지 않은 시멘트질 조성물의 상태를 지칭하는 것으로 여겨지지만, "소재 상태"는 시멘트질 조성물이 수화되거나 양생되기 전에 압출 형상을 유지하도록 충분한 응집성을 갖는 것을 식별하는 것으로 여겨진다. 그것으로서, 수경 시멘트 및 물로 이루어진 갓 압출된 압출물은 실질적인 양의 경화 또는 양생이 이루어지기 전에는 "소재"으로 간주되어야 한다. 소재 상태가 반드시 이미 이루어진 양생 또는 경화의 양에 대한 명확한 경계선은 아니지만, 이는 실질적으로 양생되기 이전의 조성물의 상태로서 여겨져야 한다. 따라서, 시멘트질 조성물은 압출 후, 그리고 실질적으로 양생되기 전에는 소재 상태이다.
용어 "형상-안정적(form-stable)"은 자체 중량에 의해 변형되지 않는 안정한 구조를 갖는 압출물인 것을 특징으로 하는 압출시의 즉각적인 소재 압출물의 상태를 지칭하는 것으로 여겨진다. 그것으로서, 형상-안정적인 소재 압출물은 취급 및 추가 공정 동안 형상을 유지할 수 있다.
용어 "복합체(composite)"는 섬유, 유동성 개질제, 시멘트, 골재, 응고 가속제, 응고 지연제 등과 같은 구별되는 요소들로 이루어진 형상-안정적인 조성물을 지칭하는 것으로 여겨진다. 그것으로서, 복합체는 소재 압출물의 경도 또는 형상-안정성이 증가함에 따라 형성되며, 건축 자재로 준비될 수 있다.
용어 "건조 체적(dry volume)"은 물, 또는 다른 등가 용매 또는 수화 반응물이 없는 것을 특징으로 하는 조성물을 지칭하는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 상대 농도(relative concentrations)가 건조 체적에 대한 퍼센트로 표현될 때, 상대 농도는 물이 존재하지 않는 것처럼 계산된다. 따라서, 건조 체적은 물을 배제한다.
용어 "습윤 체적(wet volume)"은 물의 존재로부터 야기되는 습기 함량을 특징으로 하는 조성물을 지칭하는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 성분의 습윤 체적에 대한 상대 농도는 물 및 다른 모든 조성물 성분을 포함하는 총 체적에 의해 측정된다.
용어 "못 수용성(nail acceptance)"은 못을 시멘트질 건축 자재 안으로 망치질하는 용이함을 지칭하는 것으로 여겨진다. 못 수용성은 다음과 같이 규정된, (1) 못이 구부러지지 않고 쉽게 망치질될 수 있는 건축 자재를 지칭하는 것으로, (2) 못이 구부러지지 않고 망치질될 수 있지만 구부러짐을 방지하기 위해 더 많은 기술 및 실질적인 하방 압력을 필요로 하는 더 큰 경도의 건축 자재를 지칭하는 것으로, (3) 통상적인 망치질을 사용해서는 통상적으로 못이 구부러지거나 변형되는 높은 수준의 경도를 갖는 건축 자재(그러나 큰 힘을 갖는 종래의 네일 건이 사용된다면 직선형 못을 수용할 수 있음)을 지칭하는 것으로, 수치 범위에 의해 설명된다.
여기서 사용되는 바와 같이, 용어 "인발 저항(pullout resistance)"은 못 또는 나사와 같은 체결 로드를 목재, 콘크리트, 및 본 발명의 시멘트질 건축 자재와 같은 모재(substrate)로부터 추출하는데 요구되는 힘 또는 압력의 양을 지칭하는 것으로 여겨진다. 또한, 인발 저항은 양생된 시멘트질 복합체 안으로 2.54㎝(1 인치) 박힌 10d (예컨대, 10 페니 못) 못을 추출하는데 요구되는 힘으로 계산될 수 있다. 다른 모든 조건이 동일하다면, 인발 저항은 섬유 함량에 비례한다.
여기서 사용되는 바와 같이, "체결 로드(fastening rod)"는 안으로 삽입되는 동안 모재 내부에 구멍을 형성하도록 구성된 못, 나사, 볼트 등을 지칭하는 것으로 여겨진다. 이러한 삽입은 망치질, 나사조임, 충격(ballistics) 등에 의해 실시될 수 있다. 추가적으로, 체결 로드는 각각의 부재 내에 삽입됨에 따라 구멍을 형성하는 체결 로드에 의해 하나의 부재를 다른 부재에 체결하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 건축 자재는 조적 비트 및 톱날을 필요로 하는 통상적인 콘크리트 자재와 달리, 일반적으로 보통의 목재용 드릴 비트를 사용하여 드릴링되며, 그리고/또는 보통의 목재용 톱으로 톱질될 수 있다.
이전의 정의의 측면에서, 아래의 서술은 본 발명의 실시예의 본 발명의 특징부를 기재한다.
압출된 건축 자재를 제조하기 위해 사용되는 조성물
본 발명에 따른 압출된 건축 자재를 만들기 위해 사용되는 압출가능한 시멘트질 조성물은 물, 수경 시멘트, 섬유, 유동성 개질제 및 선택적으로 응고 가속제, 응고 지연제 및/또는 골재를 포함한다. 시멘트질 건축 자재는 보통의 콘크리트에 비해 더 적은 경도와 압축 강도를 가지고, 실제 목재의 특성을 더 모방하기 위해 더 큰 가요성, 부드러움, 연신율, 인성, 굽힘 강도 및 휨을 가지도록 형성된다. 일반적으로, 본 발명의 시멘트질 복합체의 굽힘 강도 대 압축 강도의 비는 통상의 콘크리트보다 더 높다.
또한, 압출가능한 시멘트질 조성물 및 그로부터 준비된 압출된 건축 자재들은 본 명세서에 개시되는 다른 다중-성분 조성물과 상당히 동일한 일부 성분을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 다중-성분 조성물 및 혼합물의 개별적인 성분의 추가 정보뿐만 아니라 그로부터 압출된 물품 및 캘린더링된 물품을 제조하기 위해 사용되는 방법의 일부 태양은 미국 특허 제5,508,072호, 미국 특허 제5,549,859호, 미국 특허 제5,580,409호, 미국 특허 제 5,631,097호 및 미국 특허 제5,626,954호 그리고 미국 출원번호 제60/627,563호에서 얻을 수 있으며, 이는 본 명세서에서 참조로 인용된다.
그러나, 본 발명의 건축 자재는 수경 시멘트를 사용하여 제조되는 종이와 같은 시트 자재와 비교할 때 대체로 더 강하고 더 큰 굽힘 강성을 가지지만 이러한 시트는 물의 끓는 점 위에서(예컨대, 150 내지 300℃) 상당히 가열된 롤러를 몇 초 또는 몇 분 사용하는 방식으로 완전히 건조되는 것으로 이해되어야만 한다. 물의 급격한 증발은 수경 시멘트의 수화를 멈추며, 그럼으로써 시멘트를 바인더보다는 특정 충전재로 전환시킨다. 물의 끓는 점 아래의 온도(예컨대, 100 내지 175℉, 또는 약 40 내지 80℃)에서 몇 일(적어도 약 2일)의 시간 동안의 물의 제어된 증발은 과도한 물을 제거하지만 수경 시멘트 바인더의 수화는 여전히 가능하다. 또한, 본 발명에서, 시멘트는 건조되기 전에 양생되며, 그럼으로써 수화가 정지되는 상태까지의 건조 전에 시멘트가 그것의 28일 강도를 발현할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 참조로 인용되어 개시되는 캘린더링 장비 및 공정은 본 명세서에서 개시되는 조성물에 사용될 수 있다. 그러나, 캘린더들 사이의 틈 거리는 시멘트질 건축 자재에 사용되는 크기인 보드 또는 다른 자재를 생산하기 위해 조정될 수 있다(즉, 적어도 약 1/8인치, 바람직하게는 적어도 1/4인치, 더 바람직하게는 적어도 1/2인치, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 1인치)(적어도 약 2mm, 바람직하게는 적어도 약 5mm, 더 바람직하게는 적어도 약 1.25cm, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 2.5cm). 예를 들어, 미국 특허 제 5,626,954호에 개시된 공정은 2 x 4, 1 x 10 등과 같은 목재형 보드를 생산하기 위해 더 큰 재료를 캘린더링하도록 변형될 수 있다. 또한, 캘린더링 공정의 이점은 실제 목재가 절대 가질 수 없는 길이와 같은, 임의의 길이의 목재형 보드를 준비하기 위해 사용될 수 있다는 점이다. 이는 본 발명의 목재형 보드가 맞춤형 단면적과 8피트, 8인치, 40피트, 60피트 및 80피트의 길이와 같은 길이를 가지게 제조될 수 있게 한다.
A. 수경 시멘트
압출가능한 시멘트질 조성물 및 시멘트질 건축 자재는 하나 이상의 타입의 수경 시멘트를 포함한다. 아래에 설명된 바와 같이, 리올로지 개질제는 압출가능한 조성물 및 소재 압출물의 주 강도에 기여할 수 있으며, 수경 시멘트는 양생 또는 수화가 시작한 이후에 시멘트질 복합체 또는 건축 자재의 주 강도에 기여할 수 있다. 전체 제조 공정 동안 뿐만 아니라 최종 섬유 강화 건축 자재 내의 수경 시멘트의 예시와 관련 특성 및 반응은 참조로 인용될 수 있다. 예를 들어, 수경 시멘트는 화이트 시멘트, 그레이 시멘트, 알루미네이트 시멘트, 타입 Ⅰ내지 Ⅴ의 시멘트 등일 수 있다.
압출가능한 조성물은 수경 시멘트의 다양한 양을 포함할 수 있다. 보통, 압출가능한 조성물 내의 수경 시멘트의 양은 존재하는 물이 차지하는 습윤 퍼센트(예컨대, 습윤 중량 % 또는 습윤 체적%)로 개시된다. 이와 같이, 수경 시멘트는 압출가능한 조성물의 약 25% 내지 약 69.75%의 습윤 중량, 더 바람직하게는 약 35% 내지 약 65%의 습윤 중량, 그리고 가장 바람직하게는 약 40 내지 60%의 습윤 중량이 존재할 수 있다.
간단히, 압출된 자재 내에서, 수경 시멘트는 물과의 반응에 의해 시멘트 페이스트 또는 젤을 형성하며, 반응의 속도는 양생 온도에 의해 영향을 받는다. 일부 실시예에서, 반응의 속도는 또한 응고 가속제의 사용을 통해 증가될 수 있고, 시멘트질 건축 자재의 강도 및 물리적 특성은 고농도 섬유에 의해 조절된다. 보통, 양생된 시멘트질 복합체 내의 수경 시멘트의 양은 건조 퍼센트(예컨대, 건조 중량% 또는 건조 체적%)로 개시된다. 수경 시멘트의 양은 약 40% 내지 약 90%의 건조 중량, 더 바람직하게는 약 50% 내지 약 80%의 건조 중량, 그리고 가장 바람직하게는 약 60% 내지 약 75%의 건조 중량의 범위 내에서 달라질 수 있다. 일부 자재들은 다른 구성성분에 따라 그리고 필요에 의해, 많거나 적은 수경 시멘트를 사용할 수 있다는 것으로 알려진다.
수경 시멘트, 더 구체적으로는 물에 반응하거나 수화에 의해 형성된 시멘트 또는 수경 페이스트는 일반적으로 본 발명의 건축 자재의 전체 결합 강도의 적어도 약 50%, 전체 결합 강도의 바람직하게는 적어도 약 70%, 더 바람직하게는 적어도 약 80%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 약 90%에 기여할 것이다. 이는 상대적으로 낮은 유효 물 대 시멘트 비를 유지하는 직접적인 결과이다(예컨대, 증발에 의해 물의 일부를 천천히 제거하기 위한 하나 이상의 제어된 초기 가열 및/또는 섬유 및/또는 유동성 개질제에 의한 물의 흡수).
B. 물
일 실시예에서, 물은 혼합률, 압출성, 양생률, 및 또는 최종 압출된 자재의 공극률의 비를 증가시키기 위해 압출가능한 조성물 내에 상대적으로 많은 양이 사용될 수 있다. 물을 더 첨가하는 것은 압축 강도를 감소시키는 효과를 낳지만, 이는 절삭되며, 샌딩되며, 못박음되며, 나사결합되며 그리고 목재와 유사하거나 목재 대체물과 같이 다르게 사용될 수 있는 자재를 얻기 위해 요구되는 부작용일 수 있다. 또한, 압축가능한 조성물 또는 압출물 내에 고농도의 물은 증발 또는 가열에 의해 감소될 수 있다. 물이 소재 압출물로부터 증발되면, 형상-안정성 및 공극률이 동시에 증가할 수 있다. 이는 공극률이 증가하면 소재 강도가 감소하고 그 반대도 마찬가지인 일반적인 콘크리트 조성물 및 방법과 대조적이다.
따라서, 본 명세서 개시된 다양한 혼합물 내의 물의 양은 넓은 범위에서 대폭 달라질 수 있다. 예를 들어, 압출가능한 조성물 및 소재 압출물 내의 물의 양은 약 25%의 습윤 중량 내지 약 69.75%의 습윤 중량, 더 바람직하게는 약 35% 내지 약 65%, 그리고 가장 바람직하게는 약 40% 내지 약 60%의 습윤 중량의 범위일 수 있다. 반면에, 양생된 복합체 또는 경화된 건축 자재는 10% 미만의 습윤 중량, 더 바람직하게는 약 5% 미만의 습윤 중량, 그리고 가장 바람직하게는 약 2% 미만의 습윤 중량의 자유수를 가질 수 있지만, 추가적인 물은 유동성 개질제, 섬유 또는 골재와 결합될 수 있다.
급격한 반응의 시간 동안 압출물 내의 물의 양은 본 명세서에 개시된 최종 특성을 제공하도록 양생 또는 수화를 위해 충분해야만 한다. 그럼에도 불구하고, 상대적으로 낮은 물 대 시멘트 비(즉, w/c)를 유지하는 것은 최종 시멘트질 건축 자재의 강도를 증가시킨다. 따라서, 실제 또는 공칭 물 대 시멘트의 비는 일반적으로 초기에 약 0.75 내지 1.2의 범위일 것이다. 일부 실시예에서, 실제 또는 공칭 물 대 시멘트의 비는 매우 높은 공극률 및/또는 적은 경도 및 증가된 절삭용이성, 못박음성, 및/또는 나사결합성을 갖는 건축 자재를 얻기 위해 1.5 또는 1.75 보다 더 클 수 있다.
물 대 시멘트의 비는 수경 시멘트 바인더의 최종 강도에 영향을 미친다. 증발에 의한 물의 제어된 제거(예컨대, 적어도 약 2일과 같이, 몇 일의 시간 동안)는 단 기간에 소재 강도를 증가시킬 뿐만 아니라, 물 대 시멘트의 비를 감소시킴으로써 시멘트 바인더의 장기 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 물은 형성 공정 및 그리고 나서 일부 물의 다음 형성 제거 동안 존재함으로써 최종 자재에 공극률을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 물의 다음 형성 제거는 최종 자재에 균질하게 분포된 공극률을 야기한다. 또한, 이는 물의 양을 감소시키고, 바인더의 강도를 증가시키고, 그리고 물 대 바인더의 정확한 강도 비를 제공할 수 있다. 가열에 의해 다음의 제어된 증발되는 물 대 시멘트의 비는 바람직하게는 약 0.5 미만(즉, 약 0.1 내지 약 0.5의 범위, 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.4의 범위, 더 바람직하게는 약 0.25 내지 약 0.35의 범위, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.3)일 것이다.
물의 양은 필요한 밀도를 갖는 건축 자재를 얻기 위해 선택될 수도 있다. 본 발명에 따른 시멘트질 건축 자재 안으로 절삭, 못박음 또는 나사 결합의 능력은 밀도와 관련되기 때문에(즉, 밀도가 낮을수록, 보통의 목재 작업 공구를 사용하여 복합체 안으로 절삭, 못박음 및/또는 나사결합이 더 쉬워짐), 물의 양은 필요한 레벨의 공극률을 갖는 자재를 얻기 위해 선택될 수 있다. 전반적으로, 양생 전에, 양생 동안 또는 양생과 연속하여 증발에 의해 제거되는 물의 양을 증가시키는 것은 최종 양생된 건축 자재의 밀도를 감소시킨다.
목재와 유사한 특성을 가지는 건축 자재가 요구되는 경우, 밀도는 약 1.2g/㎤ 미만, 더 바람직하게는 약 1.15g/㎤미만, 더욱 더 바람직하게는 약 1.1g/㎤ 미만, 그리고 가장 바람직하게는 약 1.05g/㎤ 미만이 바람직할 것이다.
통상적인 목재 작업 공구를 사용하여 절삭, 못박음 및 나사 결합을 허용하는 목재형 특성을 갖는 것에 더하여, 본 발명에 따른 건축 재료는 라우터 및 플래너를 사용하여 완성될 수 있다.
C. 섬유
압출가능한 조성물 및 압출된 건축 자재는 통상적인 콘크리트 조성물에 비해 상대적으로 고농도의 섬유를 포함한다. 또한, 섬유들은 일반적으로 섬유에 의해 부여되는 이로운 특성들을 최대화하기 위해 시멘트질 조성물 전체에 걸쳐 상당히 균질하게 분산된다. 섬유들은 압출가능한 조성물, 소재 압출물 및 시멘트질 건축 자재에 구조적 강화를 제공하기 위해 존재한다. 섬유들은 또한 스프링 백 효과를 제공함으로써 못과 나사의 보유를 제공하며, 마이크로 레벨 인성을 부여하며, 못 또는 나사에 의해 형성된 구멍 둘레에서 마이크로 레벨의 크랙 또는 극단적 파단의 형성을 방지한다. 상당한 양의 물을 흡수할 수 있는 섬유(예컨대, 목재, 식물 또는 다른 셀룰로오스 기반 섬유들)는 유효 물/시멘트 비(즉, 시멘트 수화에 실제로 이용가능한 물에 기반)를 감소시키기 위해 사용될 것이다.
다양한 타입의 섬유들은 구체적인 특징을 얻기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 시멘트질 조성물은 삼, 페브릭, 식물 잎 또는 줄기, 견목재, 연목재 등으로부터 압출된 자연적으로 발생하는 유기 섬유, 예를 들어, 폴리에스테르 나일론(즉, 폴리아마이드), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 포함하는 유기 폴리머로 만들어진 섬유, 및/또는 예를 들어, 보랙스, 세라믹, 탄소 섬유, 탄화물, 금속 재료 및 등을 사용하여 알칼리 저항성으로 만들어진 미세유리, 규산염, 실리카, 흑연, 유리를 포함하는 무기 섬유를 포함할 수 있다. 바람직한 섬유들은, 예를 들어, 유리 섬유, 우라스타나이트, 마닐라삼, 바가스, 목재 섬유(예컨대, 소프트 파인, 사우더 파인, 전나무, 유칼립투스, 재활용된 신문 및 기타 종류의 섬유), 페브릭, 실리카 질화물, 실리카 탄화물, 텅스텐 카바이드 및 케블러를 포함하지만, 다른 종류의 섬유들도 사용될 수 있다.
시멘트질 조성물을 만드는데 사용되는 섬유들은 높은 길이 대 너비의 비(또는 "종횡비")를 가질 수 있으며, 더 길고 좁은 섬유일수록 일반적으로 최종 건축 자재에 유닛 중량당 더 큰 강도를 부여하기 때문이다. 섬유들은 적어도 약 10:1, 바람직하게는 적어도 약 50:1, 더 바람직하게는 적어도 약 100:1, 그리고 가장 바람직하게는 약 200:1 보다 더 큰 평균 종횡비를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 섬유들은 예를 들어 약 0.1cm 내지 약 2.5cm, 더 바람직하게는 약 0.2cm 내지 약 2cm, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.3cm 내지 약 1.5cm와 같은 다양한 길이로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 섬유들은 약 5mm 미만, 더 바람직하게는 약 1.5mm 미만, 그리고 가장 바람직하게는 약 1mm 미만의 길이가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 매우 길거나 연속적인 섬유들이 시멘트질 조성물 내에 혼합될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "긴 섬유"는 약 2.5cm보다 더 긴 가는 긴 합성 섬유를 지칭하는 것을 의미한다. 이와 같이, 긴 섬유는 약 2.5cm 내지 약 10cm, 더 바람직하게는 약 3cm 내지 약 8cm, 그리고 가장 바람직하게는 약 4cm 내지 약 5cm의 범위의 길이로 존재할 수 있다.
압출가능한 시멘트질 조성물 내의 섬유의 농도는 압출된 조성물 및 최종 자재에 다양한 특성을 제공하기 위해 매우 달라질 수 있다. 전반적으로, 섬유들은 약 5%보다 더 큰 습윤 체적, 더 바람직하게는 약 7%보다 더 큰 습윤 체적, 그리고 더욱 더 바람직하게는 약 8%보다 더 큰 습윤 체적의 농도로 압출가능한 조성물 내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 섬유들은 습윤 체적이 약 5% 내지 약 40%, 더욱 더 바람직하게는 약 8% 내지 약 30%, 그리고 가장 바람직하게는 약 10% 내지 약 25%의 범위의 농도로 압출가능한 조성물 내에서 존재할 수 있다.
양생된 시멘트질 복합체 내의 섬유의 농도는 약 10%보다 더 큰 건조 체적, 그리고 더 바람직하게는 약 15%보다 더 큰 건조 체적, 그리고 더욱 더 바람직하게는 약 20%보다 더 큰 건조 체적의 범위일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 섬유들은 약 10% 내지 약 65%의 건조 체적, 더 바람직하게는 약 15% 내지 약 50%, 그리고 더욱 더 바람직하게는 약 20% 내지 약 40의 건조 체적의 범위로 양생된 시멘트질의 조성물 내에 존재할 수 있다.
또한, 특정한 타입의 섬유들은 조성물 내에서 양이 달라질 수 있다. 따라서, PVA는 건조 체적이 약 5%만큼, 더 바람직하게는 약 1% 내지 약 4%, 그리고 가장 바람직하게는 약 2% 내지 약 3.25%의 양생된 시멘트질 조성물 내에 존재할 수 있다. 연 섬유 및/또는 목재는 일반적인 섬유들에 대해 상술된 양으로 양생된 시멘트질 조성물 내에 존재할 수 있거나 약 10%의 건조 체적만큼, 더 바람직하게는 약 5%의 건조 체적만큼, 그리고 가장 바람직하게는 약 3.5%의 건조 체적만큼 존재할 수 있다. 신문 섬유들은 일반적인 섬유에 대해 상술된 양으로 양생된 시멘트질 조성물 내에 존재할 수 있거나 약 35%의 건조 체적만큼, 더 바람직하게는 약 10% 내지 약 30%의 건조 체적, 그리고 가장 바람직하게는 약 15% 내지 약 25%의 건조 체적으로 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 섬유의 종류는 시멘트질 건축 자재로 구성된 최종 자재의 요구되는 구조적인 특징에 기초하여 선택될 수 있으며, 가벼운 천연 섬유에 비해 고밀도 합성 섬유 또는 그 역을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 천연 또는 목재 섬유의 비중은 체리 목재 섬유를 위한 약 0.4 내지 자작나무 또는 마호가니를 위한 약 0.7의 범위이다. 반면에, 합성 섬유는 폴리우레탄 섬유를 위한 약 1, 폴리비닐 알콜 섬유를 위한 약 1.3, 케블러 섬유를 위한 약 1.5, 흑연 및 수정 유리를 위한 약 2, 실리콘 탄화물 및 실리콘 질화물을 위한 약 3.2, 스테인리스 스틸 섬유를 위한 약 8과 함께 대부분의 금속을 위한 약 7 내지 약 9, 지르코니아 섬유를 위한 약 5.7, 텅스텐 카바이드 섬유를 위한 약 15의 범위인 비중을 가질 수 있다. 이와 같이 천연 섬유는 1 미만의 밀도를 가지는 경향이 있고, 합성 섬유는 약 1 내지 약 15의 밀도를 가지는 경향이 있다.
일 실시예에서, 상이한 밀도의 다양한 섬유들은 시멘트질 조성물과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 체리 나무 섬유와 실리콘 탄화물 섬유의 특성을 결합시키는 것은 유익할 수 있다. 따라서, 결합된 천연/합성 섬유 시스템은 약 10 내지 약 0.1, 더 바람직하게는 약 6 내지 약 0.2, 더욱 더 바람직하게는 약 5 내지 약 0.25, 그리고 가장 바람직하게는 약 4 내지 약 0.5의 범위의 비에서 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 소나무, 전나무 또는 기타 천연 섬유와 같은, 보통 또는 긴 길이 섬유의 혼합물은 우라스티나이트 또는 미세유리 섬유와 같은 미세 섬유와 결합할 수 있으며, 증가된 인성, 가요성 및 굽힘 강도를 포함하는, 특정 특성을 제공하며, 더 길고 더 작은 섬유들은 시멘트질 조성물 내에서 상이한 수준으로 작용한다.
이전의 관점에서, 섬유들은 증가된 굽힘 강도, 연신율, 휨, 변형성 및 가요성을 가지는 시멘트질 건축 자재를 얻기 위해 상대적으로 많은 양이 첨가될 수 있다. 예를 들어, 섬유의 많은 양은 압출에 저항하는 인발 저항성과 함께, 그 안에 삽입되는 체결 로드를 가질 수 있는 시멘트질 건축 자재를 얻는다. 섬유들은 목재처럼 절삭되며, 나사결합되며, 샌딩되며, 연마되는 시멘트질 건축 자재의 능력에 기여하거나, 섬유의 냅(nap)은 슈에드(suede) 형 또는 섬유 형 표면을 얻기 위해 버핑함으로써 노출될 수 있다.
추가로, 압출가능한 시멘트질 조성물 및 양생된 시멘트질 복합체는 톱밥을 포함한다. 톱밥이 섬유모양으로 간주될 수 있으며, 이는 보통 리그닌 또는 다른 천연 골재 재료와 함께 복수의 섬유로 구성된다. 섬유들은 진짜 섬유에 의해 제공되는 특징과 다소 상이한 특징들을 압출가능한 시멘트질 조성물 또는 양생된 시멘트질 복합체에 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 톱밥은 충전재로서 기능한다. 톱밥은 가구재 또는 목재 자재들이 절삭되거나 밀링되는 제재소 및 다른 시설로부터의 부산물로서 얻어질 수 있다. 압출가능한 시멘트질 조성물은 10%의 습윤 중량만큼, 바람직하게는 15%의 습윤 중량만큼, 더 바람직하게는 20%의 습윤 중량만큼, 그리고 가장 바람직하게는 약 10% 내지 약 20%의 습윤 중량의 톱밥을 포함할 수 있다. 따라서, 양생된 시멘트질 복합체는 12%의 건조 중량, 바람직하게는 18%의 건조 중량만큼, 더 바람직하게는 25%의 건조 중량만큼, 그리고 가장 바람직하게는 약 12 내지 약 20%의 건조 중량의 톱밥을 포함할 수 있다.
D. 유동성 개질제
본 발명의 바람직한 실시예에서, 압출 가능한 시멘트질 조성물 및 시멘트질 건축 자재는 유동성-개질제("유동성-개질자")를 포함한다. 유동성-개질자는 시멘트질 조성물 내에 섬유를 실질적으로 균등하게(또는 균일하게) 분산하는 것을 조력하기 위해 물 및 섬유와 함께 혼합될 수 있다. 또한, 유동성-개질제는 압출물에 형상-안정성을 부여할 수 있다. 부분적으로, 이는 조성물이 몰드 또는 다른 형상-유지 장치를 사용하지 않고 취급되거나 이와 달리 처리될 수 있도록 초기 소재 강도를 증가시키기 위해 소재 상태에 있을 때 유동성-개질제가 바인더로서 작용하기 때문이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 조성물에 유동성 개질제를 사용할 때, 특히 소재 압출물이 65℃ 초과의 온도로 가열될 때, 전형적인 조성물에서 종래의 유동성 개질제의 지연 효과가 상쇄되고, 이에 의해 시멘트의 강도 개선을 증가시킨다는 점이 추가로 발견되었다. 구체적으로 65℃를 초과하면, 유동성 개질제는 용액에서 침전되고, 높은 강도 개선으로 이어지는 수화(hydration)가 빨리 진행될 수 있다.
추가로, 유동성-개질제는 다공성의 제어를 조력한다(즉, 물이 증발에 의해 제거될 때 균등하게 분산된 구멍을 생성한다). 또한, 유동성-개질제는 양생된 조성물에 향상된 변형 특성을 발생시킬 수 있는 인성 및 가요성을 양생된 조성물에 부여할 수 있다. 따라서, 유동성-개질자는 더욱 변형 가능하고, 가요성이고, 굴곡 가능하고, 압축 가능하고, 단단하고 그리고/또는 탄성 시멘트질 건축 자재를 달성하기 위해 다른 조성 구성 요소와 함께 협력할 수 있다.
예를 들어, 타입, 분자량, 분기도(degree of branching), 양, 그리고 유동성-개질자의 분산에 있어서의 변화는 압출 가능한 조성물, 소재 압출물 및 시멘트질 건축 자재의 특성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 유동성-개질자의 타입은 임의의 다당류, 단백질 재료, 및/또는 본 명세서에 개시된 유동성 특성이거나 이를 제공할 수 있는 합성 유기 재료일 수 있다. 몇몇 적절한 다당류, 특히 셀룰로오스 에테르의 예는 메틸하이드록시에틸셀룰로오스, 하이드록시메틸에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스 및 하이드록시에틸프로필셀룰로오스와, 아밀로팩틴, 아밀로오스, 스타쉬(starch) 아세테이트, 스타쉬 하이드록시에틸 에테르, 이오닉 스타쉬, 롱-체인 알킬스타쉬, 덱스트린, 아민 스타쉬, 포스페이트 스타쉬 및 디알데히드 스타쉬와 같은 스타쉬와, 시겔, 알긴산, 해조콜로이드, 한천(agar), 검 아라빅(gum arabic), 구아 검, 로커스트 빈 검, 검 카라야, 검 트라거캔스 등과 같은 다당류 검을 포함한다. 몇몇 단백질 재료의 예는 콜라겐, 카제인, 바이오폴리머, 바이오폴리에스테르 등을 포함한다. 유동성-조절 특성을 부여할 수 있는 합성 유기 재료의 예는 석유계 폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌), 라텍스(예를 들어, 스티렌-부타디엔), 그리고 바이오디그레이더블 폴리머(예를 들어, 지방족 폴리머, 폴리히드록시알카노에이트, 폴리락트 산, 폴리카프로락톤), 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 알코올, 그리고 폴리비닐 아세테이트를 포함한다. 또한 클레이(clay)는 섬유를 분산하는 것 그리고/또는 형상 안정성을 압출된 소재 조성물에 부여하는 것을 조력하는 유동성-개질자로서 작용할 수 있다.
압출 가능한 조성물 및 시멘트질 건축 자재 내의 유동성-개질자의 양은 타입, 분기, 분자량, 및/또는 다른 조성 구성 요소와의 상호 작용에 따라 낮은 농도에서 높은 농도까지 변할 수 있다. 예를 들어, 압출 가능한 시멘트질 조성물 내에 존재하는 유동성-개질자의 양은 습윤 체적으로 약 0.1% 내지 약 10%, 바람직하게는 습윤 체적으로 약 0.25% 내지 약 5%, 더 바람직하게는 약 0.5% 내지 약 5%, 더욱 바람직하게는 습윤 체적으로 약 1% 내지 약 3%의 범위일 수 있다. 양생된 시멘트질 조성물에 존재하는 유동성-개질자의 양은 습윤 체적으로 약 0.1% 내지 약 20%, 더 바람직하게는 습윤 체적으로 약 0.3% 내지 약 10%, 보다 바람직하게는 약 0.75% 내지 약 8%, 더욱 바람직하게는 습윤 체적으로 약 1.5% 내지 약 5%의 범위일 수 있다.
또한, 유동성-개질자와 함께 보통 사용되는 가소제인 합성 유기 물질의 예는 폴리비닐 피로리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐메틸 에테르, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐아크릴산, 폴리비닐아크릴산 염, 폴리아크릴이미드, 에틸렌 옥사이드 폴리머, 폴리락트산, 합성 클레이, 스티렌-부타디엔 공중합체, 라텍스, 이들의 공중합체, 이들의 혼합물 등을 포함한다. 예를 들어, 조성물에서 가소제의 양은 건조 중량으로 가소제 없음에서 약 40% 가소제, 더 바람직하게는 건조 중량으로 약 1% 내지 약 35% 가소제, 보다 바람직하게는 약 2% 내지 약 30%, 더욱 바람직하게는 건조 중량으로 약 5% 내지 약 25%의 범위일 수 있다.
유동성 개질제는 전형적으로 본 발명의 건축 자재의 전체 결합 강도의 50% 미만을 부여할 것이다. 그러나 이는 유효 물/시멘트 비율을 감소시킴으로써 간접적으로 시멘트 페이스트의 강도를 증가시킬 수 있다. 유동성 개질제에 의해 결속된 물은 일반적으로 수경성 시멘트 결속의 수화를 쉽게 허용하지 않고, 이에 의해 시멘트 수화를 허용하는 전체 물의 양을 감소시킨다.
E. 충전재
일 실시예에서, 압출 가능한 조성물, 소재 압출물 및 양생된 시멘트질 복합체는 충전재를 포함할 수 있다. 이와 달리 충전재 물질이 특별히 제외되는 경우가 있다. 충전재는 사용되는 경우, 일반적으로 적은 양으로 포함되고 주로 압출된 자재의 가격을 낮춘다. 목재 특성을 갖는 목재형 건축 재료의 형태로 압출된 자재를 얻는 것이 바람직하기 때문에, 너무 딱딱하여 작업이 어려운 자재를 생성하지 않는 충전재가 선택될 수 있다. 충전재의 예는 상술한 바와 같이 톱밥 뿐아니라, 팽창 클레이, 펄라이트, 질석, 고령토, 규회석, 규조토, 플라스틱 스피어, 글래스 스피어, 그래뉼레이티드 러버, 그래뉼레이티드 플라스틱, 박리된 질석, 활석(talk), 마이카를 포함하고 시멘트질 건축 자재의 중량 및 밀도를 감소시키기 때문에 더욱 바람직하다. 질석, 러버, 플라스틱 스피어와 같은 몇몇 충전재는 탄성을 갖고, 패스닝 로드(fastening rod)에 우수한 파지 강도를 제공하기 위해 탄성 스프링-백을 제공할 수 있다. 패스닝 로드에서 구동시 뭉개지도록 하거나 이를 허용하는 펄라이트 및 글래스 스피어와 같은 다른 충전재는 잘 부서질 수 있고, 이에 의해 인발에 저항하는 마찰을 증가시키거나 제공한다. 시멘트질 조성물에 사용될 수 있는 충전재의 양 및 타입에 관한 부가적 정보는 통합된 참고 문헌에서 획득 가능하다. 박리된 질석, 활석 및 마이카와 같은 충전재는 판상(platelet) 형상일 수 있고, 압출기에 의해 소재 압출물 내에 길이 방향으로 정렬될 수 있다.
일 실시예에서, 압출 가능한 시멘트질 조성물은 충전재의 양을 크게 변화시켜 포함할 수 있다. 구체적으로, 사용시, 충전재는 습윤 중량으로 약 10% 미만, 바람직하게는 습윤 중량으로 약 7% 미만, 보다 바람직하게는 습윤 중량으로 약 3% 미만, 더욱 바람직하게는 습윤 중량으로 약 2% 내지 약 12% 사이에서 독립적으로 각각 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 양생된 시멘트질 조성물은 충전재의 양을 크게 변화시켜 포함할 수 있다. 구체적으로, 사용시 충전재는 건조 중량으로 약 15% 미만, 바람직하게는 건조 중량으로 약 10% 미만, 보다 바람직하게는 건조 중량으로 약 5% 미만, 더욱 바람직하게는 건조 중량으로 약 3% 내지 약 15% 사이에서 독립적으로 각각 존재할 수 있다. 몇몇 예에서, 석회석과 같은 충전재는 건조 중량으로 약 70%까지 존재할 수 있다. 예를 들어, 양생된 시멘트질 조성물에 포함될 때, 질석은 건조 중량으로 약 2% 내지 건조 중량으로 약 20%, 바람직하게는 건조 중량으로 약 3% 내지 건조 중량으로 약 16% 존재할 수 있다.
F. 다른 재료
일 실시예에서, 응고 가속제가 압출 가능한 조성물, 소재 압출물 및 시멘트질 건축 자재에 포함될 수 있다. 본 명세서 및 통합된 참조 문헌에 개시된 바와 같이, 응고 가속제는 유도 기간의 지속을 감소시키고 신속한 반응 기간의 시작(onset)을 앞당기기 위해 포함될 수 있다. 따라서, MgCl2, NaCO3, KCO3, CaCl2 등과 같은 전통적인 응고 가속제가 사용될 수 있지만, 시멘트질 건축 자재의 압축 강도의 감소가 발생될 수 있고, 그러나, 이는 목재처럼 톱질되고, 샌딩되고, 못이 박히고, 나사 가공될 수 있는 자재를 생성하기 위해 바람직한 부산물일 수 있다. 예를 들어, 전통적인 응고 가속제는 소재 압출물 내에 전체 건조 중량으로 약 0.001% 내지 약 5%, 더 바람직하게는 건조 중량으로 약 0.05% 내지 약 2.5%, 더욱 바람직하게는 건조 중량으로 약 0.11% 내지 약 1%로 존재할 수 있다.
상술한 바와 같이, 리타더(retarder), 지연된 세팅 또는 수화 제어 혼합물이라고도 공지된 지연제는 시멘트 수화율을 지연, 연기 또는 늦추도록 선택적으로 사용될 수 있다. 이는 압출 가능한 조성물, 소재 압출물 및 시멘트질 건축 자재에 추가될 수 있다. 지연제의 예는 리그노설포네이트 및 그 염, 하이드록시레이티드, 카르복실 산, 보락스, 글루코닉산, 타르타르산, 점액산, 및 다른 유기산 및 그들의 대응 염, 포스포네이트, 단당류, 이당류, 삼당류, 다당류, 슈거 및 슈거-산과 같은 임의의 다른 탄수화물, 스타쉬 및 그 파생물, 셀룰로오스 및 그 파생물, 붕산의 수용성 염, 수용성 실리콘 화합물, 슈거-산, 및 그 혼합물을 포함한다. 예시적인 지연제는 마스터 빌더스(Masterbuilders)[오하이오주 클리브랜드의 화학 회사인 바스프(BASF)의 지사]로부터 상표명 델보(Delvo®)로 상업적으로 입수 가능하다.
일 실시예에서, 시멘트질 조성물은 첨가 물질을 포함할 수 있다. 이와 달리 첨가 물질이 구제적으로 배제되는 예가 있다. 사용되는 경우, 첨가 물질은 일반적으로 소량으로 주로 압출 자재의 비용을 낮추기 위해 포함된다. 몇몇 예에서, 첨가 물질은 양생된 자재의 강도를 변경하기 위해 사용될 수 있다. 첨가제의 몇몇 예는 물과 반응하고, 높은 pH를 갖고, 다소 시멘트질인 포졸란(pozzolanic) 물질일 수 있다. 포졸란 물질의 예는 포졸란 애쉬(ash), 슬레이드(slade), 플라이 애쉬, 실리카 프룸(flume), 슬래그 등을 포함한다.
또한, 시멘트질 조성물은 색을 변경하거나 특별 채색된 시멘트질 복합체를 제공하기 위해 염색제 또는 착색제를 포함할 수 있다. 시멘트질 조성물에 일상적으로 사용되는 염색제 또는 착색제가 본 발명에 적용될 수 있다.
시멘트질 조성물에 존재할 수 있는 다른 특정 재료는 구아 검, 다라우에어(darauair), TiO2, 델보(Delvo®), 글래늄(glenium) 30/30, 라텍스Ac 100, 포졸리스(pozzilith) NC534, 및 다른 유사한 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, TiO2는 건조 중량으로 약 0.5% 내지 약 1.5%, 바람직하게는 건조 중량으로 약 0.7% 내지 약 1.3% 존재할 수 있고, 델보는 건조 중량으로 약 0.05% 내지 약 0.5%, 바람직하게는 건조 중량으로 약 0.06% 내지 약 0.37% 존재할 수 있고, 글래늄 30/30은 건조 중량으로 약 0.25% 내지 약 0.5% 존재할 수 있고, 바람직하게는 건조 중량으로 약 0.3% 내지 약 0.4% 존재할 수 있고, 라텍스Ac 100은 건조 중량으로 약 0.75% 내지 약 3%, 바람직하게는 건조 중량으로 약 0.95% 내지 건조 중량으로 약 2.80% 존재할 수 있고, 포졸리스 NC534는 건조 중량으로 약 1.25% 내지 약 4%, 바람직하게는 건조 중량으로 약 1.4% 내지 약 1.5% 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 시멘트질 조성물은 분산제, 폴리머릭 바인더, 조핵제, 휘발성 솔벤트, 염, 완충제, 산성제, 채색제 등과 같은 추가 선택 재료를 포함할 수 있다. 특히, 통합된 문헌에서 언급된 이들 추가 선택 재료의 몇몇은, 사용될 때 각각 독립적으로 건조 중량으로 약 10% 미만, 더 바람직하게는 건조 중량으로 약 5% 미만, 더욱 바람직하게는 건조 중량으로 약 1% 미만 존재할 수 있다.
일 실시예에서 섬유에 의해 강화된 실질적으로 양생된 시멘트질 압출물은 페인트, 스테인(stain), 바니쉬, 텍스처라이징(texturizing) 코팅 등과 같은 보호 또는 밀봉 물질로 코팅될 수 있다. 따라서, 실질적으로 양생된 이후 시멘트질 건축 자재에 이 코팅이 적용될 수 있다. 예를 들어, 시멘트질 건축 자재는 표면 상에 존재하는 섬유가 자재의 색조와 상이하도록 스테인 처리되고, 그리고/또는 목재 자재과 비슷하도록 텍스처라이징 처리될 수 있다.
콘크리트 산업에서 공지된 실란트(sealant)는 방수성을 제공하기 위해 표면에 도포되고 그리고/또는 시멘트질 매트릭스에 통합될 수 있다. 이는 실란 및 실록세인을 포함한다.
건축 자재 제조 방법
도 1a는 압출 가능한 조성, 소재 압출물, 시멘트질 조성물, 그리고/또는 건축 자재의 형성 중 사용될 수 있는 제조 시스템 및 장비의 실시예를 도시한다. 이는 일반적인 제조 시스템 및 장비를 설명하기 위한 목적으로 도시되는 일 예일 뿐이며, 시멘트질 조성물 및 건축 자재를 준비하기 위해 다양한 추가예 및 변형예가 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 또한, 개략적인 설명은 이와 관련하여 설명된 임의의 구성의 위치, 배열, 형상, 배향 또는 크기에 관해 임의로 한정하는 방식으로 이해되어서는 안 된다. 상기 내용과 함께, 본 발명에 따르는 시멘트질 조성물 뿐아니라 시멘트질 건축 자재를 준비할 수 있는 시스템 및 장비의 더 상세한 설명이 이제 제공된다.
본 발명에 따르는 압출 시스템(10)의 실시예를 도시하는 도 1a에 도시된 바와 같이, 이러한 압출 시스템(10)은 제1 믹서(16), 선택적 제2 믹서(18) 및 압출기(24)를 포함한다. 제1 믹서(16)는 제1 혼합물(20)로 혼합되기 위해 적어도 제1 공급 스트림(12)을 통해 물질의 적어도 하나의 공급부를 수납하도록 구성된다. 수화를 가속화하는 온도 아래를 유지하면서 높은 전단 하에서 실행될 수 있는 적절한 공급 이후, 제1 혼합물(20)은 추가 처리될 물질의 유동으로서 제1 믹서(16)로부터 제거된다.
임의의 추가 구성 요소를 제외하고 제1 혼합물(20)을 혼합함으로써, 각각의 혼합된 구성 요소는 조성물 전체에 걸쳐 균일하게 분산될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 구성 요소와 함께 이들를 결합하기 전에 적어도 유동성 개질자 및 물과 함께 섬유를 균일하게 혼합하는 것은 유리할 수 있다. 따라서, 유동성-개질자, 섬유, 및/또는 물은 그 안에서 섬유의 균일 분산을 증가시키기 위해 높은 전단 하에서 혼합될 수 있다. 유동성 개질제 및 물은 믹서로부터의 전단력을 섬유 수준까지 낮춰 전송할 수 있는 점성 및 높은 항복 응력을 갖는 소성 조성물을 형성한다. 이러한 방식으로, 섬유를 분산하기 위해 전형적으로 99%까지의 물을 필요로 하는 하체크(Hatschek) 및 전통적인 제지 공정에서 요구되는 것보다 물을 적게 사용하여 섬유는 혼합물 전체에 균일하게 분산될 수 있다.
선택적 제2 믹서(18)는 제2 혼합물(22)로 혼합될 물질을 공급하는 제2 공급 스트림(14)을 갖고, 이러한 혼합은 가열 요소를 포함함으로서 향상될 수 있다. 예를 들어, 제2 믹서(18)는 압출 가능한 조성물을 형성하기 위해 다른 구성 요소와 함께 이들을 결합하기 전에, 추가 물, 응고 가속제, 수경성 시멘트, 가소제, 골재, 조핵제, 분산제, 폴리머릭 바인더, 휘발성 솔벤트, 염, 완충제, 산성제, 채색제, 충전재 등과 같은 추가 구성 요소를 수납하고 혼합할 수 있다. 추가 구성 요소가 제1 믹서(16) 내에서 섬유질 혼합물과 함께 혼합될 수 있기 때문에 제2 믹서(18)는 선택적이다.
도시된 개략적인 도면에서와 같이, 압출기(24)는 압출기 스크류(26), 선택적 가열 요소(도시 생략), 다이 개구(30)를 구비한 다이 헤드(28)를 포함한다. 선택적으로, 압출기는 단일 스크류, 트윈 스트류, 및/또는 피스톤-타입 압출기일 수 있다.
제1 혼합물(20) 및 제2 혼합물(22)이 압출기로 진입한 이후, 이들은 압출 가능한 조성물로 결합 및 혼합될 수 있다.
구성 요소들을 혼합함으로써, 유동성-개질제 및 섬유와 같이 상이한 구성 요소들 사이에 경계면이 형성되고, 개별 섬유들이 서로 이격되어 당기는 것을 허용한다. 유동성-개질제와 함께 일드 스러스트(yield thrust) 및 점성을 증가시킴으로써, 더 많은 섬유가 혼합물 및 최종 양생된 자재에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분산될 수 있다. 또한, 압출 이후 향상된 혼합 및 형상 안정성을 위해 입자간 및 모세관압을 증가시키도록 상이한 구성 요소들 사이의 응집력이 증가될 수 있다. 예를 들어, 상이한 구성 요소들 사이의 응집력은 클레이에 비교될 수 있어서, 소재 압출물은 포터리 휠(pottery wheel) 상에 배치되고 포터리로 제조되는 통상의 클레이와 유사하게 작업될 수 있다.
일 실시예에서, 추가적인 이송 스트림(도시 생략)이 압출기(24)의 길이를 따르는 임의의 위치에 배치될 수 있다. 추가적인 이송 스트림의 유용성은 믹싱 및 압출 중 압출 가능한 조성물의 특성뿐 아니라 압출 이후 소재 압출물의 특성을 변경하기 위해 임의의 위치에서 제조 프로세스에 특정 구성 요소를 추가할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 일 실시예에서 조성물이 특히 C-S-H일 때 압출되기 전 약 60분 이내 내지 약 1초 이내에 응고 가속제를 조성물에 공급하는 것이 유리할 수 있다. 더 바람직하게는, 응고 가속제는 압출되기 전 약 45분 이내 내지 약 5초 이내에, 보다 바람직하게는 약 30분 이내 내지 약 8초 이내에, 더욱 바람직하게는 압출되기 전 약 20분 이내 내지 약 10초 이내에 조성물에 혼합된다. 이는 신속한 반응 기간의 시작 이전에 소재 압출물이 형상-안정성이 증가되고 유도 기간이 단축되도록 할 수 있다.
따라서, 사후-압출 유도 기간은, 신속한 반응 기간의 시작을 유도하여 압출된 이후 약 30초 내지 약 30분, 더 바람직하게는 약 20분 미만, 보다 바람직하게는 약 10분 미만, 더욱 바람직하게는 압출된 이후 약 5분 미만 이내에 개시되도록 실질적으로 단축될 수 있다.
다른 실시예에서, 응고 가속제는 다른 구성 요소로부터 압출기로 각각 공급될 수 있어, 유도 기간은 약 2시간 미만, 더 바람직하게는 1시간 미만, 보다 바람직하게는 약 40분 미만, 더욱 바람직하게는 30분 미만의 지속 시간을 갖는다.
도 1a를 계속 참조하면, 시멘트질 조성물은 압출기(24)의 단부로 이동할 때, 다이 개구(30)에서 압출되기 이전에 다이 헤드(28)를 통과한다. 다이 헤드(28) 및 다이 개구(30)는 추가로 건축 자재로 처리되거나 마무리될 수 있는 압출물을 생성하는 한 임의의 형상 또는 배열체로 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 압출물(32)이 로드(rod)형 형상을 갖도록 다이 개구(30)는 원형 직경을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 다른 예시적인 단면적 형상은 6각형(42), 직사각형(44), 정사각형(46), 또는 아이-비임(48)을 포함하는 도 1c에 도시된다. 압출된 건축 자재는 소재 상태인 동안 곧바로 형상-안정하게 되는 특징을 가질 수 있다. 즉, 압출물은 변형없이 곧바로 처리될 수 있고, 처리는 절단, 톱질, 성형(shaping), 밀링, 형상화(forming), 드릴링 등을 포함할 수 있다. 따라서, 소재 상태의 압출물은 완성된 시멘트질 건축 자재의 크기, 형상 또는 형태로 준비되기 전에 양생될 필요가 없다. 예를 들어, 소재-상태 처리는 다음의 단계 : (a) 밀링, 톱질, 절단 등에 의해 폭, 두께, 길이, 반경, 직경 등과 같은 특정 치수를 갖는 보드를 생성하는 단계, (b) 만곡된 의자 다리, 만곡된 아치, 그리고 다른 장식용 및/또는 구조 부재와 같은 임의의 크기 및 형상일 수 있는 만곡된 시멘트질 자재를 형성하기 위해 압출물을 구부리는 단계, (c) 6 ft 9 in(2.03 m), 8 ft 8 in(2.64 m), 9 ft 1 in(2.77 m), 27 ft(8.23 m), 40 ft(12.20 m), 41 ft(12.50m), 60ft(18.30m), 61 ft(18.60m), soft, 81 ft(24.69 m) 등 보다 더 짧거나 더 긴 보드 길이를 포함할 수 있는 표준 목재 보드 길이를 초과하거나 이와 상이한 길이를 갖는 보드를 생성하는 단계, (d) 시멘트질 건축 자재에 목재 그레인-형 표면을 부여할 수 있는 롤러로 텍스처라이징하는 단계, (e) 페인팅되고, 방수처리되고, 또는 이와 달리 실란, 실록세인, 라텍스, C-S-H 등으로 구성된 코팅을 도포할 수 있는 코팅 처리된 표면을 갖는 단계, 및 (f) 이송, 선적, 또는 이와 달리 이동 및/또는 취급되는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 소재-상태 처리로 제조된 부산물은 공급 조성물로 배치되어 재처리될 수 있다. 따라서, 소재 시멘트질 부산물은 재이용될 수 있어, 제조 비용을 크게 낮출 수 있다.
도 1b는 도 1a의 압출 과정에서 사용될 수 있는 다이 헤드(29)의 개략도이다. 이와 같이, 다이 헤드(29)는 구멍 형성 부재(31)를 갖는 다이 개구(30)를 포함한다. 구멍 형성 부재(31)는 도시된 바와 같이 원형일 수 있거나, 임의의 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 같이, 구멍 형성 부재(31)는 도 1c에서 도시되어 있는 압출물 내의 구멍을 형성할 수 있다. 압출물이 압출 시에 바로 형상 안정화될 수 있기 때문에, 구멍은 구멍 형성 부재(31)의 크기 및 형상을 보유할 수 있다. 추가로, 환상형 압출물을 생성할 수 있는 구멍 형성 부재들을 갖는 다양한 다이 헤드들이 점토 산업에서 공지되어 있고 본 개시내용과 일치하여 압출 과정에 사용될 수 있도록 필요하다면 적응될 수 있거나 변형될 수 있다.
이제 도 1c를 참조하면, 압출물(40)의 추가 실시예들이 도시된다. 이에 따라, 도 1a 또는 도 1b의 다이 헤드 및 다이 개구는 다양한 단면적을 갖는 압출물(40)을 제공하기 위해서 변형되거나 수정될 수 있으며, 여기서 압출물(40)은 다이 개구의 단면적과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 단면적은 육각형(42), 직사각형(44)(예를 들어, 2×4, 1×10 등등), 사각형(46), I-비임(48), 또는 원통형(50)일 수 있고, 선택적으로 연속적인 구멍(49)을 갖는다. 또한, 추가적인 단면 형상은 압출을 통해 준비될 수 있다. 특히, 도 1b의 다이 헤드 및 다이 개구는 육각형(42), 직사각형(44)(예를 들어, 2×4, 1×10 등등), 사각형(46), I-비임(48), 또는 원통형(50)이 선택적으로 연속적인 원형 구멍(51)을 포함할 수 있도록 사용될 수 있다. 또한, 복잡한 다이 헤드들 및 개구들은 연속적인 구멍(49) 및 복수의 소형 구멍(51)을 갖는 원통형(50)을 준비하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 임의의 일반적인 단면 형상은, 예를 들어, 4×4 사각형 형상으로부터 2×4와 같은 특정한 형상으로 추가 처리될 수 있다. 대안적으로, 다이 오리피스는 더 큰 균일성을 보장하기 위해서 원하는 제원으로 추후에 잘라지는 초과 크기를 갖는 자재를 생성할 수 있다.
이에 따라, 전술의 과정들은 하나 이상의 연속적인 구멍들을 갖는 건축 자재들을 압출하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 2×4 또는 다른 보드는 소재 상태에 있는 동안 또는 양생 이후에 철근이 삽입될 수 있는 하나 이상의 구멍들을 갖는 상태로 압출될 수 있다. 양생된 보드의 경우에, 철근이 철근과 보드 사이에서 강한 접합(bonding)을 제공하도록 에폭시 또는 다른 접착제를 이용하여 구멍 내에서 적소에 유지될 수 있다. 예를 들어, 도 1c의 원통형(50)뿐만 아니라 다른 형상들이 유틸리티(utility), 전화 또는 전력선 극(power line poles)과 같은 대형 건축 구조들 내로 제작될 수 있다. 이들 구조들은 도시된 바와 같은 강화 철근의 삽입을 허용하도록 벽 내에 소형 구멍(51)들과 함께 중량 및 비용을 감소시키기 위해서 대형 내부 개구(49)를 선택적으로 포함한다. 일 실시예에서, 전화 극(telephone pole)은 약 35.56cm(14인치)의 외부 직경, 약 7.62cm(3인치)의 벽 두께, 및 약 20.32cm(8인치)의 내부 구멍 직경을 갖는다. 이격된 복수의 1.27cm(0.5인치) 구멍들은 철근의 위치설정을 보조하기 위해서 7.62cm(3인치) 벽 내에서 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 압출가능한 조성물은 압출되기 이전에 통기된다. 몇몇 과정들은 압축가능한 조성물 내의 공기의 양을 증가시키도록 작동식 통기 과정을 채용할 수 있고, 이에 의해 공기 틈새 또는 다수의 셀 방식(multi-cellular) 형태를 형성한다.
예시적인 과정들은 베이킹 소다(NaHCO3), 암모니움카보네이트((NH4)2CO3), 암모니움히드로겐카보네이트(NH4HCO3), 암모니움카바메이트(NH2COONH4), 및 알루미늄 파우더와 같은 상승된 온도에서 가스를 분해시키고 형성하는 추가 반응 재료를 포함할 수 있다. 작동식 또는 수동식 통기를 대형 공기 틈새 또는 셀 방식 형태보다 작은 압출물 및/또는 시멘트질 건축 자재를 제공할 수 있다. 예를 들어, 통기식 시멘트질 조성물이 약 40% 내지 약 75%, 더 바람직하게 약 45% 내지 약 65%, 가장 바람직하게 약 50% 내지 약 60%의 다공성을 가질 수 있다. 따라서, 압출가능한 조성물의 통기 또는 탈기는 시멘트질 건축 자재의 밀도를 증가시키거나 감소시키는 능력을 제공할 수 있다.
시멘트질 건축 자재의 다공성은 특정하고 관습적인 필요에 따라 재단될 수 있다. 이것은 시멘트질 건축 자재의 의도된 사용에 의해 상관 있는 다공성을 제공하도록 제작 공정에서 재단될 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 나무형 보드들이 더 높은 다공성들을 갖도록 구성될 수 있어, 향상된 못박기, 나사결합, 절단, 드릴링, 밀링, 톱질 등을 가능하게 한다. 이와 같이 증가된 다공성은 시멘트질 재료의 나무형 특성을 향상시키도록 사용될 수 있다. 따라서, 섬유 내용물과 함께 다공성이 의도된 사용에 의해 상관하도록 변형될 수 있다.
일 실시예에서, 압출물은 건조기 또는 오토클레이브(autoclave) 내에서 추가로 처리될 수 있다. 건조기는 과도한 물을 제거하기 위해서 압출물을 건조하는데 유용할 수 있고, 이는 다공성 및/또는 형태 안정성을 증가시킬 수 있다. 다른 한편으로, 압출물은 양생율을 증가시키기 위해서 오토클레이브을 통해 처리될 수 있다.
도 2는 본 개시내용과 일치하여 시멘트질 건축 자재들을 준비하도록 사용될 수 있는 대안적인 압출 공정을 도시하는 개략도이다. 이와 같이, 압출 공정은 소재 중간 압출물 내로 습식 시멘트질 재료를 압출하도록 롤러들을 사용하는 롤러 압출 시스템(200)을 사용하는 것이 고려될 수 있다. 이러한 롤러 압출 시스템(200)은 혼합물(220) 내로 혼합되기 위하여 공급 증기(212)를 통해 적어도 하나의 공급 재료를 수용하도록 구성된 혼합기(216)를 포함한다. 본 명세서에서 기술된 바와 같이 수행될 수 있는, 적절한 혼합 이후에, 혼합물(220)은 재료의 유동이 추가 공정을 위해 재료 준비될 때 혼합기(216)로부터 제거된다.
이어서, 혼합물(220)은 적용 영역으로부터 재료를 이동시키기 위해서 컨베이어(222) 또는 다른 유사한 이송기에 인가된다. 이것은 처리될 수 있는 시멘트질 유동(224) 내로 혼합물이 형성되게 한다. 이와 같이, 시멘트질 유동(224)은 컨베이어(222)로부터 미리 한정된 거리에서 설정되고 그에 대하여 미리 한정된 단면적을 갖는 제1 롤러(226) 하에서 통과될 수 있고, 이는 소재 중간 압출물(228) 내로 시멘트질 유동(224)을 가압할 수 있거나 성형할 수 있다. 선택적으로, 컨베이어(222)는 상부 롤러(230a) 및 하부 롤러(230b)를 포함하는 제1 카렌더(230)를 통해 소재 중간 압출물(228)을 운반할 수 있다. 카렌더(230)는 소재 중간 압출물(228)이 성형된 소재 중간 압출물(242) 내로 추가로 성형되고 그리고/또는 압축되도록 미리 한정된 단면적을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 롤러(240a) 및 제2 롤러(240b)를 포함하는 선택적인 제2 카렌더(240)가 제1 카렌더(230)의 위치에서 또는 그에 추가하여 사용될 수 있다. 카렌더(230, 240)의 조합은 원하는 바로 실질적으로 성형되는 소재 압출물을 제공하는데 바람직할 수 있다. 대안적으로, 제1 롤러(226)는 압출될 수 있고, 시멘트질 유동(224)은 임의의 개수의 카렌더(230, 240)를 통해 처리될 수 있다.
추가로, 도 1a에서 예시된 공정으로부터와 같이, 성형된 소재 압출물(242) 또는 여기서 기술된 다른 압출물이 처리 장치(244)에 의해 추가로 처리될 수 있다. 처리 장치(244)는 본 명세서에서 기술된 바와 같은 소재 압출물 재료들을 처리하도록 채용되는 임의의 형태의 장비 또는 시스템일 수 있다. 이와 같이, 처리 장치(244)는 소우(saw), 밀(mil), 절단(cut), 벤드(bend), 코트(coat), 건조(dry) 또는 다른 형상일 수 있거나, 처리된 압출물(246) 내로 성형된 소재 압출물(242)을 추가로 처리할 수 있다. 또한, 처리 장치(244)로부터 얻어진 부산물(260)은 공급 조성물(212) 내로 재활용될 수 있거나, 혼합물(220)과 함께 컨베이어(222)로 인가될 수 있다. 처리 장치(244)가 건조기일 때, 성형된 소재 압출물(242)은 처리된 압출물(246) 내에 틈새를 형성하기 위해서 물을 빠르게 제거하는 소정의 온도로 가열될 수 있고, 이는 다공성을 증가시킨다.
일 실시예에서, 조합된 양생/건조 공정은 압출된 시멘트질 조성물을 형성하도록 수경 시멘트를 양생하고 건조시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 조합된 양생/건조 공정은 최종 강도의 약 80%를 얻기 위해서 48시간 동안 약 75 내지 99℃의 온도에서 수행될 수 있다. 그러나, 대형 블록들은 임의의 양생 및/또는 건조 공정에서 추가적인 시간이 걸릴 수 있다.
다른 실시예에서, 조합된 증기 양생 및 오토클레이브 공정들은 수경 시멘트를 양생하도록 사용된다. 전형적으로, 시멘트는 수경 시멘트의 온도를 약 65℃ 내지 99℃의 온도가 되도록 초기에 증기 양생되고, 이어서 대략 12시간 동안 12바아에서 약 190℃ 이상의 온도에서 오토클레이브 내에서 가열된다. 오토클레이브에 의해 얻어지는 시멘트질 자재는 최종 28일 강도의 약 150%, 몇몇 실시예에서, 200%보다 더 크게 얻는다.
도 3a 내지 도 3d에 따르면, 도 1a에서 도시된 압출 시스템은 철근(금속 도는 섬유유리), 와이어, 와이어 메쉬, 패브릭 등등과 같은 보조 지지 요소 또는 강화 부재 둘레에 압출물을 압출할 수 있게 하기 위해서 변형될 수 있다. 강화 와이어, 패브릭 또는 철근과 시멘트질 조성물을 공-압출함으로써, 얻어지는 시멘트질 건축 자재는 파손 이전에 더 큰 편향 및 굽힘 강도를 가질 수 있다. 대안적으로, 롤러 압출 시스템(200)은 이하에서 기술한 바와 같이 강화된 소재 본체들 및 시멘트질 건축 자재들을 준비하도록 구성될 수 있다.
도 3a를 이제 참조하면, 공-압출 시스템(300)의 일 실시예가 기술되어 있다. 공-압출 시스템(300)은 적어도 두 개 이상의 다이 헤드(302a 및 302b)를 포함한다. 다이 헤드(302a 및 302b)들은 각각의 다이 개구(303a 및 303b)들이 균일한 압출물(308) 내로 함께 혼합되는 압출물을 생성한다. 추가로, 공-압출 시스템(300)은 균일한 압출물(308) 내에서 철근(304)과 같은 보조 지지 요소를 위치시키기 위한 수단을 포함하며, 수단은 컨베이어, 풀리, 구동 기구, 이동가능한 다이 헤드, 철근 푸싱 기구, 철근 풀링 기구 등을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 철근(304)은 제1 다이 개구(303a) 및 제2 다이 개구(303b) 사이를 통과한다. 이것은 균일한 압출물(308) 내에서 적어도 부분적으로 또는 완전하게 철근(304)이 캡슐화되게 하며, 캡슐화된 철근(306)은 점선으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 철근(304)은 제1 단부(310)가 캡슐화되지 않도록 임의의 압출물이 철근(304)에 인가되기 이전에 다이 개구(303a 및 303b)들을 지나서 배향되는 제1 단부(310)를 가질 수 있다. 벗겨진 철근은 다이 개구(303a 및 303b)들을 지나서 철근이 끌어당겨지게 할 수 있어서, 용이한 조작 및 핸들링 후-압출을 용이하게 한다.
도 3b를 이제 참조하면, 공-압출 시스템(320)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 공-압출 시스템(320)은 하나의 다이 헤드(322)와 압출물(326) 내로 와이어 또는 패브릭 메쉬(324)를 공급하기 위한 수단을 포함하며, 수단은 컨베이어, 풀리, 구동 기구, 이동가능한 다이 헤드, 메쉬 푸싱 기구, 메쉬 풀링 기구 등을 포함할 수 있다. 이와 같이, 수단은 압출물(326)이 메쉬(324) 둘레에 압출되고 캡슐화하도록 다이 개구(321)에 메쉬(324)를 연속적으로 공급할 수 있다. 캡슐화된 메쉬(328)는 압출물(326) 내에서 라인들에 의해 제공된다. 추가로, 메쉬(324)는 강화된 압출물이 균일하게 형성되도록 압출물의 비율이 실질적으로 동등한 비율로 공급될 수 있다.
도 3c를 이제 참조하면, 공-압출 시스템(340)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 공-압출 시스템(340)은 다이 개구(348)를 갖는 다이 헤드(342)를 포함한다. 다이 헤드(342)와 다이 개구(348)는 보조 지지 요소(344)(즉, 적어도 하나의 철근)가 채널(346)을 통해 다이 헤드(342)를 통과할 수 있도록 구성된다. 채널(346)은 채널 개구(350)를 통해 다이 개구(348)를 철근(344)이 관통할 수 있게 한다. 철근(344)이 채널 개구(350)를 통과할 때, 캡슐화된 철근(354)을 형성하기 위해서 철근이 압출물(352)로 캡슐화된다.
도 3d를 이제 참조하면, 공-압출 시스템(360)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 공-압출 시스템(360)은 다이 개구(363)를 갖는 다이 헤드(362)와 개구 몰드(364)를 포함한다. 개구 몰드(364)는 몰드 본체(368)에 의해 형성된 개구 캐비티(366)를 포함하도록 구성된다. 사용시, 개구 몰드(364)는 와이어 또는 패브릭 메쉬와 같은 보조 지지 요소(370), 복수의 철근 또는 와이어들을 개구 캐비티(366) 내에서 수용한다. 압출물(374) 내에서 점선으로 도시된 바와 같이, 이것은 캡슐화된 메쉬(376)를 형성하기 위해서 메쉬(370) 상으로 그리고 둘레에서 압출물(374)이 압출되도록 허용한다.
개구 몰드(364)가 압출물(374)의 단면 형상을 형성하도록 사용될 수 있지만, 이것이 그렇게 필수적이지는 않다. 이것은 개구 몰드(365)가 메쉬(376)를 단지 지지하고, 다이 개구(363)를 지나서 메쉬(370)가 지나가도록 공-압출 시스템(360)이 구성될 수 있기 때문이다. 따라서, 압출물(374)은 컨베이어 시스템, 풀리, 구동 기구, 이동가능한 다이 헤드, 철근 푸싱 기구, 철근 풀링 기구 등(도시 생략)과 같은 몇몇 다른 특징부 상에서 또는 개구 몰드(364) 내에서 메쉬(370)를 자체로 지지하고 캡슐화시킨다.
도 4는 철근형 구조를 갖는 시멘트질 건축 자재를 구조적으로 강화하기 위한 다른 실시예를 예시하는 개략도이다. 이와 같이, 강화 공정(400)은 금속, 유리, 세라믹, 플라스틱 등과 같은 임의의 강화 재료로부터 준비된 철근(402)을 사용할 수 있다. 철근(402)은 철근(402)에 에폭시(406)의 코팅을 인가하는 처리 장치(404)를 통해 처리될 수 있다. 도 1b에 연결하여 기술된 공정들에 의해서와 같은 본 명세서에서 형성된 연속적인 구멍(410)을 갖는 시멘트질 건축 자재(408)은 에폭시(406) 코팅된 철근(402)을 수용하기 위해 얻어질 수 있다. 이어서, 에폭시(406) 코팅된 철근(402)은 구멍(410) 내로 삽입된다. 이것은 구멍 내로 에폭시(406) 코팅된 철근(402)을 구동, 가압 또는 강제적으로 푸싱하는 것을 포함한다. 이에 따라, 철근(402)을 갖는 시멘트질 건축 자재(408)은 상당히 강화될 수 있고 구조적으로 강화될 수 있다. 대안적으로, 에폭시는 철근(402)이 내부에 삽입되기 전에 시멘트질 건축 자재(408)의 구멍(410) 내로 삽입될 수 있다.
일 실시예에서, 보조 지지 요소를 갖거나 갖지 않는 소재 압출물은 고형화된 시멘트질 건축 자재를 형성하기 위해서 위에서 기술한 바와 같이 소재 압출물 내에서의 수경 시멘트가 수화되거나 양생되도록 허용하거나 초래하게 함으로써 또한 처리될 수 있다. 이와 같이, 시멘트질 건축 자재는 파손없이 그의 핸들링을 허용하기 위해서 압출된 이후에 중간 형태 안정화되게 하기 위해서 준비될 수 있다. 특히, 시멘트질 조성물 또는 소재 압출물은 압출된 이후에 몇 분, 더욱 바람직하게 10분 내에서, 더욱 바람직하게 5분 내에서, 가장 바람직하게 1분 내에서 형태 안정화될 수 있다. 가장 최적화되고 양호한 조성물 및 처리는 압출시에 형태 안정화되는 소재 압출물을 초래할 수 있다. 유동학-변형 제제가 수경 시멘트 결합제의 수화의 부재에서도 즉시 형태 안정화되는 압출물을 생성하도록 사용될 수 있다.
형태 안정성을 달성하기 위해서, 제작 시스템은 위에서 기술한 바와 같이 소재 압출물을 수화시키거나, 설정시키거나 양생시키게 하도록 건조기, 히터 또는 오토클레이브를 포함할 수 있다. 건조기 또는 히터는 압출물의 강성 및 다공성을 증가시키거나 급속한 반응 기간의 개시를 유도하기 위해서 압출물로부터 물을 제거하거나 증발시키도록 위에서 기술한 바와 같이 충분한 열을 발생시키도록 구성될 수 있다. 다른 한편으로, 오토클레이브가 빠른 반응 기간의 개시를 유도하도록 가압된 증기를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 소재 압출물은 시멘트질 조성물 내에서 응고 가속제를 포함하는 것에 부가하여 본 명세서에서 기술한 바와 같이 급속한 반응 기간을 개시하도록 유도될 수 있다. 이와 같이, 소재 압출물은 압출물의 온도를 변화시키거나 압력 및/또는 상대 습도를 변화시킴으로써 급속한 반응 기간을 개시하도록 유도될 수 있다. 또한, 급속한 반응 기간은 압출 후에 소정 기간의 시간 내에서 반응을 개시하도록 응고 가속제를 구성함으로써 유도될 수 있다.
일 실시예에서, 시멘트질 조성물 또는 건축 자재의 준비는 종래의 콘크리트 또는 다른 유압식으로 설정가능한 재료들에 비교하여 짧은 기간 내에서 또는 빠른 반응률로 시멘트질 건축 자재 내로 소재 압출물을 실질적으로 수화시키거나 양생시키는 것을 포함할 수 있다. 결과적으로, 시멘트질 건축 자재는 약 48시간 내에서, 더욱 바람직하게 약 24시간 내에서, 더욱 바람직하게 12시간 내에서, 그리고 가장 바람직하게 6시간 내에서, 사용되는 결합제의 형태에 따라 실질적으로 양생되거나 단단해질 수 있다. 따라서, 제작 시스템 및 공정은 시멘트질 건축 자재가 추가로 처리되거나 완성될 수 있도록 빠른 양생율을 얻기 위해서 구성될 수 있다.
또한, 위에서 기술한 바와 같이 더 높은 양생 온도에 의해, 더 빠른 양생 공정이 달성될 수 있다. 특히, 위에서 알 수 있는 바와 같이, 수화, 응고, 또는 양생이 65℃보다 크고 99℃보다 작은, 더욱 바람직하게 70℃보다 크고, 더욱 바람직하게 80℃보다 큰 온도에서 수행될 수 있다. 이들 높은 온도들에 의해, 시멘트질 조성물(즉, 시멘트질 건축 자재)은 48시간 내에서, 더욱 바람직하게 40시간 내에서, 더욱 바람직하게 32시간 내에서, 그리고 더욱 바람직하게 24시간 내에서 그들의 강도의 적어도 약 100%를 가지면서 형성될 수 있다.
종래에는, 더 높은 온도는 에트린자이트(ettringite)들의 형성을 지연시킬 수 있다는 것이 알려져 있기 때문에, 상술한 온도에서 수화하고 그리고/또는 양생하는 것이 가능하지 않았다. 이러한 현상은 시멘트질 건축 자재 내에서 시간에 걸쳐서 응력을 초래하여, 크랙이 발생할 때까지 자재를 팽창시킨다. 이에 따라, 이전의 시멘트질 건축 자재들은 낮은 양생 온도들에서 제작되었다.
그러나, 본 개시내용에서, 위에서 기술한 바와 같은 특정한 조성물은 에트린자이트 형태의 크랙 효과를 제어하는 더 높은 점성을 제공한다.
추가로, 제2 에트린자이트들이 물의 존재 시에 발생하는 것이 알려져 있다. 본 개시내용의 방법들의 하나의 추가 장점은, 준비한 자재들이 적은 습기를 갖고, 시간에 걸쳐서 에트린자이트들의 형성을 또한 방지한다는 점이다. 구체적으로, 본 개시내용의 방법들에서 사용된 양생 온도들은 약 10%보다 작은 물을 갖는 자재를 허용한다.
높은 양생 온도들을 이용하는 다른 장점은 메토셀(methocel) 등과 같은 공통으로 사용된 지연제 및 위에서 기술된 바와 같은 유동학 변형기들이 약 70℃ 이상의 온도에서 용제의 배출을 촉진시켜서, 압출물 내에서 수경 시멘트의 빠른 수화, 응고 및 양생율을 허용한다는 것을 발견하였다는 것이다. 이것은 짧은 기간의 시간 내에서 대부분의 강도를 갖는 시멘트질 조성물을 제공한다.
추가로, 높은 양생 온도들은 아래에 기술한 바와 같이 낮은 용적 밀도 및 높은 휨 강도를 갖는 건축 자재를 생산하는 것을 발견하였다. 특히, 휨 강도는 적어도 약 50%까지 증가될 수 있어서, 강하고 내구성있는 자재를 제공한다.
일 실시예에서, 양생 또는 양생된 시멘트질 조성물은 추가 처리될 수 있거나 완성될 수 있다. 이러한 처리는 시멘트질 조성물을 원하는 형태로 톱질(sawing), 샌딩(sanding), 절단, 드릴링, 및/또는 성형하는 것을 포함할 수 있으며, 조성물은 이러한 성형를 제공한다. 이에 따라, 시멘트질 건축 자재가 톱질될 때, 섬유들 및 유동학-변형기가 재료의 절단 표면 또는 내부 외양을 크랙킹하거나 치핑(chipping)하지 않고 형성될 수 있는 직선 절단 라인들을 보조할 수 있다. 이것은 2×4 형상의 자재가 소비자에 의해 구매될 수 있고 원하는 형상 및 길이로 표준 장비에 의해 절단될 수 있기 때문에 목재 구성이 되는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에서, 형태 안정가능한 소재 압출물은 자재의 외부 표면을 변형시키는 시스템을 통해 처리될 수 있다. 이러한 변형의 하나의 예는 목재형 외형을 부여할 수 있는 카렌더 또는 일련의 롤러들을 통해 소재 압출물을 지나가게 하는 것이다. 이와 같이, 시멘트질 건축 자재는 목재의 심미적 외양 및 조직을 갖는 목재 대체물일 수 있다. 또한, 특정한 색채, 염색 및/또는 착색은 다양한 형태들의 목재들의 색상을 달성하기 위해서 시멘트질 건축 자재들 내에서 분산시키거나 표면에 인가될 수 있다./
또한, 소재 압출 건축 자재는 소재 상태에서 예를 들어, 반경을 갖는 다른 건축 자재를 생산하도록 재성형될 수 있다. 이것은 만곡되기 어렵고, 및/또는 만곡된 프로파일을 갖기 위해서는 밀링 가공되어야만 하는 종래의 목재 자재에 비해 상당한 이점이다. 일 실시예에 있어서, 시멘트질 건축 자재는 표면에 섬유를 노출시키는 방식으로 샌드(sand) 가공 및/또는 버프(buff) 가공될 수 있다. 자재 내의 높은 퍼센트의 섬유로 인하여, 다량의 섬유가 표면에서 노출될 수 있다. 이것은 흥미롭고 독창적인 텍스쳐를 위해 제공될 수 있으며, 자재의 심미적 품질을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 시멘트질 건축 자재는 스웨드(suede) 또는 직물류 외관 및 텍스쳐를 갖도록 샌드 및 버프 가공될 수 있다.
건축 자재
본 발명은 원하는 형상으로 압출되거나, 또는 이 후 원하는 크기 및 형상으로 절삭되거나, 밀링 가공되거나, 또는 그렇지 않으면 성형되든, 실제로 임의의 원하는 크기 및 형상을 갖는 시멘트질 건축 자재를 제조하는 능력을 제공한다. 예로는, 트림 보드, 2 x 4, 다른 크기의 판재, 패널, 모조 합판, 모조 섬유판, 도어, 판자(shingles), 몰딩, 테이블 상부, 테이블 다리, 창틀, 도어 케이싱, 지붕 타일, 벽판, 킥 플레이트(kick plate), 비임, I-비임, 장선(floor joist) 등이 있다. 따라서, 시멘트질 건축 자재는 하중 베어링(예를 들어, 2 x 4) 또는 비하중 베어링(예를 들어, 트림 보드)일 수 있다. 이에 따라, 시멘트질 건축 자재는 거의 모든 건축용도에서 목재 대용품으로서 사용될 수 있다.
양생된 시멘트질 합성물은 목재 대용품으로서 기능하도록 다양한 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 목재 대용품으로서 기능하는 양생된 시멘트질 합성물의 일 예는, 해머 또는 탄도체(ballistic)에 의해 못을 수용할 수 있고, 특히 다른 물체와 연결될 때에 못을 보유 또는 유지할 수 있으며, 나사드라이버 또는 기계적 나사 장치에 의해 나사를 수용할 수 있고, 특히 다른 물체와 연결될 때에 나사를 보유 또는 유지할 수 있고, 목재 자재에 대해 중량이 비슷하지만, 다소 더 무거울 수 있으며, 떨어뜨렸을 때에 파괴되지 않도록 충분히 강하고, 중간부에서 유지 또는 지지될 때에 단부가 상당히 구부려지거나 파괴되지 않도록 충분히 강하며, 및/또는 목재를 절단하도록 구성된 수동톱(handsaw) 또는 다른 톱으로 베어지거나 절삭될 수 있다는 특성을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 소재 압출물 또는 시멘트질 합성물은 전술한 바와 같은 건축 자재로 준비될 수 있다. 이와 같이, 기공성 또는 다공성 형성부(cellular formation)를 포함하는 양생된 합성물의 비중량은, 약 0.4 또는 약 0.4 내지 약 0.85 보다 크고, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 약 0.75 보다 크며, 가장 바람직하게는 약 0.6 내지 약 0.75 보다 클 수 있다.
양생된 합성물의 일 실시예는 약 1500psi, 보다 바람직하게는 약 1750psi, 보다 바람직하게는 약 2000psi, 보다 더 바람직하게는 약 3000psi, 보다 더 바람직하게는 약 4000psi 보다 큰 휨 강도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 양생된 합성물은 약 1500psi 내지 약 5000psi의 휨 강도를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 더 높은 온도의 양생 처리에 의해 더 높은 휨 강성을 갖는 양생된 시멘트질 합성물이 가능하게 될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 양생된 합성물은 약 160,000psi 내지 약 850,000psi, 바람직하게는 약 200,000psi 내지 약 800,000psi, 보다 바람직하게는 약 3,000psi 내지 약 700,000psi, 가장 바람직하게는 약 400,000psi 내지 약 600,000psi의 휨 강성을 가질 수 있다.
추가로, 일 실시예에 있어서, 양생된 합성물은 약 200,000psi 내지 약 5,000,000psi, 보다 바람직하게는 약 300,000psi 내지 약 3,000,000psi, 가장 바람직하게는 약 500,000psi 내지 약 2,000,000psi의 휨 계수를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 양생된 합성물은 약 5lbf-in 내지 약 50lbf-in, 바람직하게는 약 10lbf-in 내지 약 30lbf-in, 보다 바람직하게는 약 12lbf-in 내지 약 25lbf-in, 가장 바람직하게는 약 15lbf-in 내지 약 20lbf-in의 탄성 에너지 흡수도를 가질 수 있다.
또한, 시멘트질 건축 자재는 종래의 콘크리트 건축 자재과 구별될 수 있다. 도 5a는 이러한 종래의 콘크리트 건축 자재(60)의 표면(62) 내로 고정용 막대(64)(예를 들어, 못 또는 나사)를 삽입함(예를 들어, 해머링, 드라이빙, 또는 발리스틱 포스)으로써 발생될 수 있는 대표적인 문제를 도시하고 있는데, 여기서 고정용 막대(64)는 삽입 중에 구멍(66)을 형성한다. 차도부터 토대에 걸쳐 다양한 용도로 사용되는 일반적인 콘크리트와 유사하게, 콘크리트(60)가 그 내부에 삽입되는 고정용 막대(64)를 구비할 때에, 표면(62)의 구조는 손상된다. 도시한 바와 같이, 콘크리트(60) 및/또는 표면(62)은 구멍(66) 둘레를 깎아내는 것으로부터 크랙(68)과 디벗(divot)(70)을 형성하는 경향이 있다.
콘크리트(60)는 구멍(66) 둘레에서 손상되기 때문에, 구멍(66)의 표면은 상당한 크랙, 디벗, 및/또는 칩에 의해 형성된 불규칙하고 파열된 형상을 갖는 것으로 보일 수 있다. 추가로, 해머로 못(64)의 헤드를 반복적으로 타격함으로써 못 고정용 막대(64)를 콘크리트 내로 삽입하는 데에 필요한 힘은 종종 못이 대체로 무용하게 되도록 못(64)을 손상 또는 굴곡시킨다. 추가로, 고정용 막대(64)가 나사인 경우, 나사 작용이 크랙 및 칩 투성이인 표면 내에 구멍(66)을 보어링할 수 있다. 이에 따라, 종래의 콘크리트 건축 자재(60)은 고정용 막대(64)를 수용할 수 있는 점에 있어서 적절한 목재 대용품이 아니었고, 이러한 삽입 중에 깎여지고 크래킹됨으로써 일반적인 콘크리트와 유사하게 거동한다.
이제 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따라 목재 대용품으로서 사용되는 대표적인 시멘트질 건축 자재(80)이 도시되어 있다. 따라서, 시멘트질 건축 자재(80)의 표면(82) 내의 고정용 막대(84)(예를 들어, 못 또는 나사)의 삽입 결과는 도 5a의 일반적인 콘크리트와 비교하여 보다 바람직하다. 보다 구체적으로, 고정용 막대(84)가 표면(82) 내로 삽입될 때에, 고정용 막대(84)에 의해 형성되는 결과적인 구멍(86)은 형상이 실질적으로 라운드형일 수 있다. 목재 내로의 이러한 삽입 중에 통상적으로 발생될 수 있는 사소한 치핑 또는 크래킹이 있을 수 있지만, 구멍(86)은 일반적인 콘크리트의 결과와 비교해 볼 때 훨씬 더 라운드형이고 덜 손상된다. 시멘트질 건축 자재(80)은 목재 대용품으로서 구성되기 때문에, 못 고정용 막대(84)는 못(84)을 손상시키거나 굴곡시키지 않고 못 헤드를 반복적으로 타격함으로써 그 내부에 주입될 수 있다.
여하튼, 본 명세서에 기재되어 있는 시멘트질 건축 자재는 목재 대용품으로서 사용될 수 있고, 그 내부에 고정용 막대가 삽입될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 시멘트질 건축 자재는 다중 부재 결합 구성요소를 연결시키기 위해 사용되거나, 또는 못 또는 나사에 전형적인 다른 용도에 사용될 수 있다.
또한, 도 6a 및 도 6b에는 고정용 막대(94)(예를 들어, 못 또는 나사)가 종래의 또는 일반적인 콘크리트 건축 자재(92)에 삽입될 때에 발생되는 공통의 결과의 다른 대표예(90)가 도시되어 있다. 고정용 막대(94)가 콘크리트(92)의 표면(96) 내로 삽입될 때에, 삽입에 의해 형성되는 구멍(95)이 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있는 바와 같이 파열되고 톱니 형상으로 형성된다. 이에 따라, 도 6a에서 대표예(90)는 일반적인 콘크리트(92)에 대한 결과적인 손상의 종방향 단면도를 도시하고, 도 6b에서 대표예(90)는 결과적인 손상된 구멍(95)에 대한 중간 레벨의 횡단면도를 도시한다.
도시되어 있는 바와 같이, 고정용 막대(94)는 표면(96)이 크래킹되거나 디봇(98)을 형성하게 하지 않지만, 구멍(95)의 전체 길이의 내부 표면(100)이 유사하게 손상된다. 보다 구체적으로, 고정용 막대(94)를 삽입하면 내부 표면(100)은 크랙(102), 분쇄된 콘크리트(104) 및 깎여진 콘크리트(106)가 다수 형성된다. 고정용 막대(94)를 콘크리트 내로 삽입할 수 있을지라도, 일반적인 해머링에 의해 종종 못 고정용 막대(94)가 굴곡되고, 나사 체결에 의해 내부 표면(100)이 상당히 손상되기 때문에, 해머링 또는 나사체결 대신에, 이것에는 종종 일종의 탄도 또는 폭발력(ballistic or explosive charge)이 필요하다.
또한, 일반적인 콘크리트(92) 내로 삽입되는 고정용 막대(94)는, 전술한 바와 같은 공구 또는 장치를 사용하지 않고도 그것으로부터 용이하게 추출될 수 있다. 요약하면, 이것은, 내부 표면(100)에 대한 손상이 고정용 나사를 적소에 유지하기 위해 필요한 고정용 나사(94)에 적용되는 압축력을 감소시키기 때문이다. 이와 같이, 일반적인 콘크리트(92)는 작은 또는 낮은 인발 저항을 가지며, 못 또는 나사(94)가 그것으로부터 쉽게 추출될 수 있다. 이에 의해 일반적인 콘크리트(92)가 목재 대용품으로 사용될 수 없고, 2개의 이러한 부재는 쉽게 분리되지 않고 적절하게 못에 의해 결합될 수 없다.
또한, 도 7a 및 도 7b에는 고정용 막대(112)가 본 발명에 따른 섬유 강화 시멘트질 건축 자재(114) 내로 삽입된 것에 대한 공통의 결과의 대표예(110)가 도시되어 있다. 도 6a 및 도 6b의 대표예와 달리, 고정용 막대(112)가 본 발명의 건축 자재(114)의 표면(115) 내로 삽입될 때에, 삽입에 의해 형성된 구멍(116)이 손상되거나, 실질적으로 파열되지 않고, 이것이 도5b에 도시되어 있다. 따라서, 도 7a에는 결과적인 구멍(116)의 종방향 단면도가 도시되어 있고, 도 7b에는 결과적인 구멍(116)의 중간 레벨 횡단면도가 도시되어 있다.
도시되어 있는 바와 같이, 고정용 막대(112)는 구멍(116)의 전체 길이의 내부 표면(118) 또는 표면(115)에 어떠한 실질적인 손상도 일으키지 않는다. 보다 구체적으로, 고정용 막대(112)를 삽입하면 내부 표면(118)의 섬유(120)가 노출 및 변형되거나 고정용 막대(112)에 의해 밀려날 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 섬유(120)는 변형되거나 밀려나서 고정용 막대(112)가 통과할 수 있게 되지만, 그 후 삽입 후에 고정용 막대(112)에 대한 파지력을 가할 수 있게 된다. 또한, 삽입 시에 못에 의해 변형되고, 삽입 후에 못에 대해 파지력을 가하도록 유동성 개질자(heology-modifier)가 건축 자재에 제공될 수 있다.
또한, 못 고정용 막대(112)에 의해 형성되는 구멍(116)이 손상되지 않고, 그것으로부터의 추출에 저항하도록 못에 대한 충분한 압축력을 제공할 수 있다. 이것은 못(112)이 구멍의 형성 동안에 변형되는 다른 재료 및 섬유에 의해 삽입 중에 구멍(116)의 벽을 손상시키지 않기 때문이다. 또한, 고정용 막대(112)가 나사인 경우, 구멍(116)의 벽은 나사 상의 치형부 및 홈과 상호체결되는 릿지 및 홈을 구비할 수 있다. 더욱이, 나사(112) 홈 내의 상당양의 합성 재료가 증가된 인발 저항을 제공하는 데에 도움을 주도록 벽에 부착될 수 있다. 이에 따라, 구멍(116)의 벽은 레버, 나사드라이버, 또는 못 또는 나사를 제거하는 다른 추출 장치의 도움이 필요하도록 충분히 압축력이 있다.
시멘트질 건축 자재는 복수의 건축 자재가 함께 못, 나사, 또는 볼트 체결되는 용례에서 목재 대용품으로 사용될 수 있다. 이에 속박되지 않고, 전술한 바와 같은 높은 중량 퍼센트 및/또는 체적 퍼센트의 섬유의 조합체가 못, 나사, 및/또는 볼트에 의한 바람직한 상호작용을 위해 제공된다고 생각된다. 이것은 다량의 섬유가 목재의 특성을 흉내내기 때문이다. 보다 구체적으로, 각 개별적인 섬유는 먼저 못 또는 나사에 의해 작용될 때에 변형되고, 이어서 그것에 대해 파지력을 제공하도록 못 또는 나사에 압축될 수 있다. 이것은 못 또는 나사가 실질적인 치핑 또는 크래킹을 유발시키는 일 없이 시멘트질 건축 자재 내에 삽입될 수 있게 한다.
또한, 높은 농도의 유동 개질제의 사용은 이러한 기능을 제공하는 데에 도움을 준다. 섬유에서와 같이, 유동 개질제는 적어도 부분적으로 실질적인 크래킹 또는 치핑 없이 변형될 수 있게 하는 시멘트질 건축 자재에 대한 특성을 제공한다. 부분적으로, 유동 개질제는 못 또는 나사가 삽입되는 지점과 같이 응력이 가해지는 위치 주변에 재료를 함께 유지시키는 성형(plastic-like) 특성을 부여할 수 있다. 이와 같이, 못 또는 나사는 시멘트질 건축 자재 내에 삽입될 수 있고, 유동 개질제는 실질적인 치핑 또는 크래킹 없이 불가피한 변형을 허용한다.
예를 들어, 고농도의 섬유 또는 다른 충전 재료는 시멘트질 건축 자재에 상당한 인발 저항을 부여할 수 있다. 시멘트질 합성물 내에 1인치에 매립되는 10d 못(예를 들어, 직경이 9 게이지 또는 0.128 인치이고, 길이가 3인치인 특성을 갖는 못)에 대한 인발 저항이 약 30lbf/in 내지 약 105lbf/in, 보다 바람직하게는 약 40lbf/in 내지 약 95lbf/in, 가장 바람직하게는 약 50lbf/in 내지 약 85lbf/in 범위에 있을 수 있다. 보다 기공성 있는 시멘트질 합성물에 대한 인발 저항은 약 25lbf/in 내지 약 90lbf/in, 보다 바람직하게는 약 30lbf/in 내지 약 70lbf/in, 가장 바람직하게는 약 40lbf/in 내지 약 60lbf/in 범위에 있을 수 있다. 보다 경질의 시멘트질 합성물에 대한 인발 저항은 약 15lbf/in 내지 약 60lbf/in, 보다 바람직하게는 약 18lbf/in 내지 약 50lbf/in, 가장 바람직하게는 약 20lbf/in 내지 약 50lbf/in 범위에 있을 수 있다. 그러나, 소정 밀도에서의 자재의 인발 저항은 섬유, 기공, 충전재, 못의 종류 등을 변경함으로써 변화될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
유사하게, 시멘트질 합성물 내의 1인치에 매립된 나사에 대한 인발 저항은 약 200 내지 약 1000lbf/in, 보다 바람직하게는 약 300lbf/in 내지 약 950lbf/in, 가장 바람직하게는 약 400lbf/in 내지 약 900lbf/in 범위에 있을 수 있다. 그러나, 소정 밀도에서의 자재의 인발 저항은 섬유, 기공, 충전재, 못의 종류 등을 변경함으로써 변화될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
또한, 시멘트질 합성물은 주로 목재와 비교하여 습한 환경에 보관될 때에 덜 부패하는 경향이 있는 비유기 재료를 포함하고 있다. 유기 섬유가 소정의 조건에서 열화되는 경향을 가질 수 있을지라도, 수경성 시멘트(hydraulic cement)의 일반적으로 높은 알칼리도는 대부분의 환경에서 변질 및 부패를 방지할 것이다.
발명의 실시예
예 1
상이한 성분 농도를 갖는 다양한 압출가능한 조성물을 본 발명에 따라 준비하였다. 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 전술한 정상 혼합 과정에 따라 조성물의 성분을 혼합하였다. 압출가능한 조성물을 표 1에 기재한 바와 같이 조성하였다.
성분 조성 1 조성 2 조성 3
재료(습성)(Kg) 44.80 45.16 48.30
물(Kg) 20.00 20.00 2350
시멘트(Kg) 16.00 16.00 16.00
PVA 섬유(Kg) 0.60 0.60 0.60
경질목재 섬유 7.00 7.00 0.00
신문지 0.00 0.00 7.00
메토셀(Methocel)(240 HPMC) 1.20 1.20 1.20
익스펜셀(Expencel) 0.00 0.36 0.00
이어서 혼합하고, 조성물을 약 1인치x 약 4인치의 직사각형 개구를 갖는 다이 헤드를 통해 압출하였다. 1x4 형상의 합성물 건축 자재를 준비하기 위해 각각의 3개의 조성물 중 3개의 샘플을 사용하였다. 7일 동안 대기 상태에서 가소성 상태로 샘플 자재를 양생하였다. 그 후, 가소성을 제거하고, 샘플을 스팀 챔버 내에 8일 동안 배치하였다. 이어서, 중량 평형 상태에 도달할 때까지 약 7일 동안 건조 오븐 내에 샘플을 배치하였다. 마지막으로, 샘플은 밀도 및 시험 휨 강도와, 휨 계수를 측정하고, 못에 의해 체결되고 나사를 유지시키는 그 능력을 특징으로 한다. 유사한 치수의 목재 자재과 함께 작업하는 데에 사용되는 통상적인 공구를 사용하여 못과 나사를 샘플 내에 도입할 수 있다. 결과(각 조성물에 대한 샘플 평균)가 표 2에 기재되어 있다.
조성 1 조성 2 조성 3
시험 시의 밀도(g/cc) 0.89 0.46 0.86
휨 강도(psi) 5,501.81 469.57 2,421.21
휨 계수(psi) 576,842.00 94,862.50 521,910.00
못 유지력(lbf/in) 315.42 35.42 243.61
나사 유지력(lbf/in) 348.42 86.12 376.57
표 2에 기재되어 있는 바와 같이, 익스펜셀(미소구체 충전재)을 조성 2의 압출가능한 조성물에 추가함으로써, 벌크 밀도가 조성 1 및 조성 3에 비하여 격심하게 감소되었지만, 휨 강도 또한 저하되었다. 또한, 조성 1 및 조성 3과 비교하여 도시되어 있는 바와 같이, 신문 인쇄용의 경질 목재를 교체함으로써, 벌크 밀도는 약간 감소하였지만, 다른 어떠한 특성도 영향을 받지 않았다. 이것은 고강도 및 저밀도를 가지면서 환경에 대해 더 안전한 조성물의 제조를 가능하게 한다.
예 2
본 발명에 따라 변화하는 메토셀 대 시멘트 비율을 갖는 다양한 압출가능한 조성물을 준비하였다. 모든 조성물을 본 명세서에 참조로서 통합되어 있는 전술한 정상 혼합 과정에 따라 혼합하였다. 압출가능한 조성물을 표 3에 기재되어 있는 바와 같이 조성하였다.
성분 조성 4 조성 5 조성 6 조성 7
재료(습식)(Kg) 48.30 44.80 45.40 56.40
물(Kg) 23.50 20.00 21.00 24.00
시멘트(Kg) 16.00 16.00 16.00 24.00
PVA 섬유(8mm) 0.60 0.60 0.06 0.60
HW 0.00 7.00 7.00 7.00
신문지 7.00 0.00 0.00 0.00
메토셀(240 HPMC) 1.20 1.20 0.80 0.80
SW = 연목재, HW = 견목재
이어서 혼합하고, 약 1인치x약 4인치의 직사각형 개구를 갖는 다이 헤드를 통해 조성물을 압출하였다. 1x4 자재의 형상으로 합성물 건축 자재를 준비하기 위해 각각의 조성물에 대한 8개의 샘플을 사용하였다. 샘플 자재를 약 7일 동안 대기 상태에서 가소성 상태로 양생시켰다. 이어서, 가소성을 제거하였고, 샘플을 8일 동안 스팀 챔버 내에 배치하였다. 중량 평형 상태에 도달할때까지 7일 동안 건조 오븐 내에 샘플을 배치하였다. 또한, 조성물 당 8개의 샘플 중에, 3개의 샘플이 건조 휨 강도 및 못/나사 유지 테스트에서 코팅되지 않은 상태로 남아 있고, 1개의 샘플은 습성 휨 강도, 못/나사 유지 테스팅 및 물 흡수에 대해 코팅되지 않은 상태로 남아 있으며, 2개의 샘플은 습성 휨 강도, 못/나사 유지, 및 물 흡수에 대해 Protectosil® BHN Plus (4 브러쉬 코트)(뉴저지주 파르시파니에 소재하는 Evonik Degussa Corporation으로부터 입수 가능함)으로 코팅되었으며, 2개의 샘플은 습성 휨 강도, 못/나사 유지, 물 흡수에 대해 Xylexin XL(2 브러쉬 코트)(유타주 프로보에 소재하는 Shield Master로부터 입수 가능함)으로 코팅되었음.
마지막으로, 샘플은 밀도 및 시험 건성 및 습성 휨 강도와, 휨 계수를 측정하고, 못에 의해 체결되고 나사를 유지시키는 그 능력을 특징으로 한다. 습성 휨 강도는 샘플을 약 48 시간 동안에 물 내에 침지시킴으로써 테스팅되었다. 유사한 치수의 목재 자재과 함께 작업하는 데에 사용되는 통상적인 공구를 사용하여 못과 나사를 샘플 내에 도입할 수 있다. 결과(각 조성물에 대한 샘플 평균)가 표 4 및 표 5에 기재되어 있다.
조성물 4 조성물 5 조성물 6 조성물 7
테스트시의 밀도(g/cc) 0.87 0.95 091 1.01
건조시 굴곡 강도(psi) 2,754.11 2,538.00 2,063.13 2,303.86
굴곡 모듈러스(psi) 560,308.00 617,844.00 543,103.00 651,748.00
못 보유(lbf/in) 253.53 295.98 269.03 376.79
나사 보유(lbf/in) 415.03 427.51 345.81 463.89
조성물 습윤시 굴곡 강도(psi) 물 흡수(%)
조성물 4

 비코팅 샘플 1165 24.42
BHN Plus 코팅 1589 10.6
Xylexin XL 코팅 2668 6.96
조성물 5

 비코팅 샘플 992
BHN Plus 코팅 1359
Xylexin XL 코팅 2260
조성물 6

 비코팅 샘플 871
BHN Plus 코팅 1136
Xylexin XL 코팅 1252
조성물 7

 비코팅 샘플 1149
BHN Plus 코팅 1440
Xylexin XL 코팅 2037
표 4에 나타난 바와 같이, 메토셀에 대한 시멘트의 비율은 양생된 시멘트질 자재의 굴곡 강도에 영향을 주지 않는다. 그러나, 메토셀에 대한 시멘트의 비율은 못 보유에 영향을 준다. 구체적으로, 메토셀에 대한 시멘트의 비율이 최고인(43:1) 조성물 7은 다른 조성물에 비해 상당히 높은 못 보유 기능을 갖는다.
또한, 표 5에 나타난 바와 같이, 비코팅 샘플은 물에 침지되었을 때 상당한 양의 강도를 소실하였다. 그러나, 코팅된 샘플은 물을 많이 흡수하지 않으며, 따라서, 그 강도를 양호하게 유지하고, Xylexin XL로 코팅된 샘플은 BHN Plus로 코팅된 것들보다 양호하게 강도를 유지한다.
예 3
두 개의 시멘트질 조성물이 준비되고 시멘트질 건축 자재로 처리되었으며, 건축 자재는 물리적 특성을 판정하기 위해 테스트되었다.
간단하게, 두 개의 시멘트질 건축 자재(16' 길이 1 x 4 보드)는 표 3에 설명된 바와 같이 조성물 7을 혼합 및 압출함으로써 준비되었다. 압출된 조성물 내에 핀/로드를 포함하는 하나의 보드가 제조되고, 두 번째 보드는 핀 없이 제조되었다. 자재들은 플라스틱으로 덮여지고, 실온에서 약 28일 동안 양생을 위해 보관되었다. 양생된 압출물은 그후 추가적 7일간 플라스틱 내에 배치되었고, 플라스틱이 제거되고, 그후, 보드가 약 5일 동안 스팀 양생되었다. 양생된 보드는 그후 약 3일 동안 건조 챔버 내에 배치되었고, 굴곡 강도 및 나사/못 보유 테스트를 위해 보낼 수 있도록 평면화 및 절단되었다. 구체적으로, 6" 세그먼트가 밀도 및 수분 함량 테스트를 위해 각 보드의 단부로부터 절단되었다. 테스트는 보드 각각이 약 0.99 g/cc의 벌크 밀도를 가지며, 약 2700 psi의 굴곡 강도를 가진다는 것을 보여주었다. 평균 나사 인출력은 약 450 lbf/in이며, 평균 못 인출력은 350 lbf/in이었다.
나머지 보드(~15.5')는 그후 파단시까지 길이에 걸친 처짐에 대해 테스트되었다. 구체적으로, 보드는 10'가 에지를 넘어 돌출하여 배치되는 경우를 통과하는 것으로 고려되며, 여전히 그 자중을 지탱한다. 핀을 포함하는 보드는 테이블 밖으로 13' 초과 연장될 수 있고, 지면에 접촉하는 경우 약 54"의 처짐을 갖는다. 핀이 없는 보드는 테이블로부터 약 12' 연장되고나면 파괴되었고 약 34"의 처짐을 갖는다.
예 4
본 예에서, 예 3의 두 개의 보드가 조성물 내에 PVA 섬유를 포함하지 않는 점을 제외하고는 조성물 7과 동일한 조성물을 사용하여 다시 준비되었다. 역시, 보드는 밀도 및 수분 함량에 대해, 그리고, 예 3에서 설명된 바와 같이 파단시까지 길이에 걸친 처짐에 대해 테스트되었다.
테스트는 섬유가 시멘트질 복합 자재의 굴곡 강도 및 나사 및 못 보유에 영향을 준다는 것을 보여주었다. 구체적으로, 두 보드(핀을 포함하는 하나와 핀을 포함하지 않는 하나)의 결과(평균화됨)는 약 2100 psi까지의 굴곡 강도의 감소와 약 395 lbf/in의 평균 나사 보유 및 약 285 lbf/in의 평균 못 보유를 나타내었다. 보드는 또한 11'에서의 파괴 이전에 10' 연장시 약 21 7/8"의 평균 처짐을 갖는다.
본 내용은 그 개념 또는 본질적 특성으로부터 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 관점에서 단지 예시적이며 비제한적인 것으로 고려된다. 따라서, 본 발명의 범주는 상술한 설명이 아니라 첨부된 청구범위에 나타나 있다. 청구범위의 의미 및 균등론의 범주 내에서 이루어지는 모든 변경은 본 발명의 범주 내에 포함된다.

Claims (45)

  1. 목재 대체물로서 사용하기 위한 시멘트질 복합 자재이며,
    경화된 시멘트질 조성물을 포함하고, 경화된 시멘트질 조성물은 수경 시멘트, 유동성 개질제 및 경화된 시멘트질 조성물을 통해 실질적으로 균질하게 분포되고 경화된 시멘트질 조성물의 건조 체적의 약 10%보다 많은 양으로 포함되는 섬유로 구성되고, 상기 경화된 시멘트질 조성물은 적어도 약 1500 psi의 굴곡 강도와 약 1.3 g/cm3 미만의 밀도를 특징으로 하는 시멘트질 복합 자재.
  2. 제1항에 있어서, 시멘트질 조성물에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여진 철근, 와이어, 메쉬 및 페브릭으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 보강 부재를 더 포함하는 시멘트질 복합 자재.
  3. 제2항에 있어서, 보강 부재는 결합제에 의해 시멘트질 조성물에 결합되는 시멘트질 복합 자재.
  4. 제1항에 있어서, 섬유는 시멘트질 조성물의 건조 체적의 약 15%보다 큰 양으로 포함되는 시멘트질 복합 자재.
  5. 제1항에 있어서, 섬유는 시멘트질 조성물의 건조 체적의 약 20%보다 큰 양으로 포함되는 시멘트질 복합 자재.
  6. 제1항에 있어서, 목재 건축 자재의 대체품인 건축 자재인 시멘트질 복합 자재.
  7. 제1항에 있어서, 경화된 시멘트질 조성물은 적어도 약 2000 psi의 굴곡 강도를 갖는 시멘트질 복합 자재.
  8. 제1항에 있어서, 경화된 시멘트질 조성물은 적어도 약 3000 psi의 굴곡 강도를 갖는 시멘트질 복합 자재.
  9. 제1항에 있어서, 경화된 시멘트질 조성물은 적어도 약 4000 psi의 굴곡 강도를 갖는 시멘트질 복합 자재.
  10. 제1항에 있어서, 자재의 압축 강도에 대한 굴곡 강도의 비율은 1:1보다 큰 시멘트질 복합 자재.
  11. 제1항에 있어서, 시멘트질 조성물은 표준 목재용 톱을 사용하여 톱질할 수 있는 시멘트질 복합 자재.
  12. 제6항에 있어서, 건축 자재는 로드, 바아, 파이프, 실린더, 보드, I-비임, 전신주, 트림 보드, 2 x 4, 구조용 보드, 1 x 8, 패널, 편평 시트, 기와, 및 중공 내부를 갖는 보드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상으로 이루어지는 시멘트질 복합 자재.
  13. 제6항에 있어서, 건축 자재는 현저한 굴곡 없이 손 망치를 사용한 망치질에 의해 10d 못을 수용할 수 있는 시멘트질 복합 자재.
  14. 제6항에 있어서, 건축 자재는 10d 못을 위해 적어도 약 50lbf/in의 못 인발 저항을 갖는 시멘트질 복합 자재.
  15. 제6항에 있어서, 건축 자재는 적어도 약 500 lbf/in의 나사 인발 저항을 갖는 시멘트질 복합 자재.
  16. 제1항에 있어서,
    삼 섬유, 코튼 섬유, 식물 잎 또는 줄기 섬유, 견목재 섬유, 연목재 섬유, 유리 섬유, 흑연 섬유, 실리카 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 폴리머 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 섬유와,
    포틀랜드 시멘트, MDF 시멘트, DSP 시멘트, 덴시트형 시멘트, 파이라멘트형 시멘트, 칼슘 알루미네이트 시멘트, 플라스터, 실리케이트 시멘트, 석고 시멘트, 포스페이트 시멘트, 고 알루미나 시멘트, 초미립 시멘트, 슬래그 시멘트, 마그네슘 옥시클로라이드 시멘트 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 수경 시멘트,
    다당류, 단백질, 셀룰로오스, 전분, 메틸하이드록시에틸셀룰로오스, 하이드록신메틸에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 하이드록시셀룰로오스, 하이드록시프로필셀룰로오스, 녹말, 아물로즈, 씨겔, 아세트산 전분, 하이드록시에테르 전분, 이온성 전분, 긴사슬 알킬 전분, 덱스티린, 아민 전분, 인산염 전분, 디알데히드 전분, 점토 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 유동성 개질제,
    KCO3, KOH, NaOH, CaCl2, C02, 염화마그네슘, 트리에탄올아민, 알루미네이트, HCl의 무기염류, HNO3의 무기염류, H2S04의 무기염류 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 응고 가속제, 또는
    모래, 돌로마이트, 자갈, 암석, 바잘트, 그래니트, 라임스톤, 샌드스톤, 글라스비드, 에어로겔, 퍼라이트, 버미큘라이트, 박리된 암석, 크세로겔, 미카, 점토, 인조 점토, 알루미나, 실리카, 플라이 애쉬, 실리카 퓸, 판상 알루미나, 카올린, 글라스 마이크로스피어, 세라믹 스피어, 이수 석고, 칼슘 카보네이트, 칼슘 알루미네이트 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 충전 재료
    중 하나 이상을 포함하는 시멘트질 복합 자재.
  17. 나무 목재 대체물로서 사용하기에 적합한 특성을 갖는 시멘트질 복합 자재를 제조하는 방법이며,
    섬유가 실질적으로 균질하게 분산되어 있는 섬유질 혼합물을 형성하도록 물, 섬유 및 유동성 개질제를 함께 혼합하는 단계와,
    습윤 체적으로 약 0.1%로부터 내지 약 10%까지의 농도의 유동성 개질제와 습윤 체적으로 약 5%보다 큰 농도의 섬유를 포함하는, 점성조도(plastic consistency)를 갖는 압출가능한 시멘트질 조성물을 산출하도록 섬유질 혼합물에 수경 시멘트를 추가하는 단계와,
    압출가능한 시멘트질 조성물을 사전규정된 단면적을 갖는 소재 중간 압출물로 압출하는 단계로서, 소재 압출물은 압출시 형상-안정성이며, 파괴 없이 취급될 수 있도록 실질적으로 단면적을 유지할 수 있는, 소재 중간 압출물을 압출하는 단계와,
    수경 시멘트를 양생하도록 65℃를 초과하고 99℃ 미만인 온도로 소재 압출물을 가열하는 단계를 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 소재 압출물은 증발에 의해 물의 일부를 제거하고, 압출물의 밀도를 감소시키기 위해 약 70℃보다 높은 온도로 가열되는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서, 섬유는 압출가능한 시멘트질 조성물의 습윤 체적에 의거하여 약 7%보다 많은 양으로 포함되는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서, 섬유는 압출가능한 시멘트질 조성물의 습윤 체적에 의거하여 약 8%보다 많은 양으로 포함되는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  21. 제18항에 있어서, 압출가능한 조성물은 가열 이전에 약 0.75보다 큰 명목상 물/시멘트 비율을 가지고, 물의 일부의 증발 이후에 약 0.5 미만의 실제 물/시멘트 비율을 가지는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  22. 제17항에 있어서, 소재 압출물 내에 보강 부재를 적어도 부분적으로 함입시키기 위해 철근, 와이어, 메쉬 및 페브릭으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 보강 부재 둘레로 압출가능한 시멘트질 조성물을 압출하는 단계를 더 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    형상-안정성인 적어도 하나의 연속적 구멍을 갖는 소재 압출물을 압출하는 단계와,
    시멘트질 조성물이 형상-안정성 소재 상태에 있거나 적어도 부분적으로 양생된 상태에서 연속적 구멍 내로 철근 및 결합제를 삽입하는 단계와,
    결합제로 연속적 구멍의 표면에 철근을 결합시키는 단계를 더 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  24. 제17항에 있어서, 시멘트질 복합체를 트림 보드로 구성하는 단계를 더 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  25. 제17항에 있어서, 시멘트질 복합체를
    로드, 바아, 파이프, 실린더, 보드, I-비임, 전신주, 트림 보드, 2 x 4, 구조용 보드, 1 x 8, 패널, 편평 시트, 기와, 및 중공 내부를 갖는 보드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 목재 건축 자재의 대용품이 되도록 시멘트질 복합체를 건축 자재로 가공하는 단계를 더 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  26. 제17항에 있어서, 굽힘, 절단, 톱질, 사포질, 밀링, 텍스쳐라이징, 평면화, 연마, 버핑, 사전 구멍 천공, 도장 및 스테이닝으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가공에 의해 형상-안정성 소재 압출물 및/또는 양생된 시멘트질 복합체를 가공하는 단계를 더 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  27. 제17항에 있어서, 소재 압출물의 가공시에 얻어진 파편 소재 압출물의 일부를 재활용하는 단계를 더 포함하고, 재활용 단계는 파편 소재 압출물을 압출가능한 시멘트질 조성물과 조합시키는 단계를 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  28. 제17항에 있어서, 시멘트질 조성물은 다이 개구를 통해 및/또는 롤러 압출에 의해 압출되는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  29. 제17항에 있어서, 소재 중간 압출물을 다이 스탬핑 또는 임팩트 몰딩하는 단계를 더 포함하는 시멘트질 복합 제품 제조 방법.
  30. 점성조도를 갖는 압출가능한 시멘트질 조성물이며,
    습윤 중량으로 약 0.1 내지 약 10%의 농도의 유동성 개질제와, 습윤 중량으로 약 5%보다 큰 농도의 섬유를 포함하는 압출가능한 시멘트질 조성물.
  31. 제30항에 있어서, 습윤 체적으로 약 7%보다 높은 농도의 섬유를 포함하는 압출가능한 시멘트질 조성물.
  32. 제30항에 있어서, 습윤 체적으로 약 8%보다 높은 농도의 섬유를 포함하는 압출가능한 시멘트질 조성물.
  33. 목재 대체물로서 사용하기 위한 시멘트질 복합 자재이며,
    수경 시멘트와, 유동성 개질제와, 양생된 시멘트질 조성물을 통해 실질적으로 균질하게 분포되고 양생된 시멘트 조성물의 건조 체적으로 약 10%보다 큰 양으로 포함되어 있는 섬유로 구성되는 양생된 시멘트 조성물을 포함하고,
    상기 양생된 시멘트 조성물은 적어도 약 1500 psi의 굴곡 강도를 특징으로 하고,
    섬유가 실질적으로 균질하게 분산되어 있는 섬유성 혼합물을 형성하도록 물과, 섬유와, 유동성 개질제를 함께 혼합하는 단계와,
    압출가능한 시멘트 조성물을 산출하도록 섬유성 혼합물에 수경 시멘트를 추가하는 단계와,
    압출가능한 시멘트질 조성물을 사전규정된 단면적을 갖는 소재 중간 압출물로 압출하는 단계로서, 소재 압출물은 압출시 형상-안정성이며, 파괴 없이 취급할 수 있도록 단면적을 실질적으로 유지할 수 있는, 소재 중간 압출물을 압출하는 단계와,
    수경 시멘트를 양생시키도록 65℃를 초과하고 99℃미만인 온도로 소재 압출물을 가열하는 단계를 포함하는 시멘트질 복합 자재.
  34. 제33항에 있어서, 수경 시멘트는 증발에 의해 물의 일부를 제거하고 압출물의 밀도를 감소시키도록 약 70℃를 초과한 온도로 소재 압출물을 가열함으로써 경화되는 시멘트질 복합 자재.
  35. 제34항에 있어서, 압출가능한 조성물은 가열 이전에 약 0.75보다 큰 명목상 물/시멘트 비율을 가지고, 물의 일부의 증발 이후에 약 0.5 미만의 실제 물/시멘트 비율을 가지는 시멘트질 복합 자재.
  36. 제33항에 있어서, 시멘트질 조성물은 약 1.3 g/cm3 미만의 밀도를 가지는 시멘트질 복합 자재.
  37. 제33항에 있어서, 시멘트질 조성물에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여진 철근, 와이어, 메쉬 및 페브릭으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 보강 부재를 더 포함하는 시멘트질 복합 자재.
  38. 제37항에 있어서, 보강 부재는 결합제에 의해 시멘트질 조성물에 결합되는 시멘트질 복합 자재.
  39. 제33항에 있어서, 목재 건축 자재를 위한 대체물인 건축 자재인 시멘트질 복합 자재.
  40. 제33항에 있어서, 경화된 시멘트질 조성물은 적어도 약 2000 psi의 굴곡 강도를 갖는 시멘트질 복합 자재.
  41. 제33항에 있어서, 경화된 시멘트질 조성물은 적어도 약 3000 psi의 굴곡 강도를 갖는 시멘트질 복합 자재.
  42. 제33항에 있어서, 경화된 시멘트질 조성물은 적어도 약 4000 psi의 굴곡 강도를 갖는 시멘트질 복합 자재.
  43. 제33항에 있어서, 압출가능한 시멘트질 조성물은 습윤 체적으로 약 5%를 초과한 농도로 섬유를 포함하는 시멘트질 복합 자재.
  44. 제33항에 있어서, 압출가능한 시멘트질 조성물은 습윤 체적으로 약 7%를 초과하는 농도로 섬유를 포함하는 시멘트질 복합 자재.
  45. 제33항에 있어서, 압출가능한 시멘트질 조성물은 습윤 체적으로 약 8%를 초과하는 농도로 섬유를 포함하는 시멘트질 복합 자재.
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