KR20180038418A - 콘크리트 내로의 후 배칭 cma 투여 - Google Patents

콘크리트 내로의 후 배칭 cma 투여 Download PDF

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KR20180038418A
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나탄 에이. 트레거
마크 에프. 로버츠
캐티 하즈라티
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베리파이 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 콘크리트 제조에 사용되는 모래 골재, 부순 암석, 자갈 및 기타 골재로부터 유래하여 혼입되는 점토가, 콘크리트 내로 투여되는 시멘트 분산제 또는 기타 혼합물의 투여 효율에 미치는 유해한 효과를 경감시키는 것에 관한 것이다. 채석장 또는 혼합 플랜트 배치(batch)에서 골재에 전체 시멘트 경감제(CMA)를 초기에 한꺼번에 투여하지 않고, 본 발명은 혼합 플랜트에서의 처음 배치와 작업 현장의 하역시 사이의 운송기간 동안 주어진 콘크리트 혼합물 내로 CMA 투여 총량의 51% 내지 100%, 가장 바람직하게는 75% 내지 100% 투여하는 것을 특징으로 한다.

Description

콘크리트 내로의 후 배칭 CMA 투여
본 발명은 콘크리트에 사용되는 점토보유 골재 처리에 관한 것으로, 특히 콘크리트 로드 내로 투여되는 화학제 혼합물 및/또는 물의 투여 효율에 미치는 점토의 유해한 효과를 경감하기 위한 약제의 후 배칭(post-batching) 첨가를 조절하기 위한 자동화 콘크리드 배송 모니터링 프로세스 및 시스템에 관한 것이다.
자딘 등(Jardin et al.)에 허여되고 더블유.알.그레이스 앤드 컴패니(콘넥티 컷)가 소유하는 미국특허 제6,352,952호 및 제6,670,415호에는 콘크리트에 사용되는 분산제의 투여 효율은 존재하는 점토에 의해 감소 될 수 있다고 기재한다. 이 특허는 콘크리트 내의 시멘트 입자를 분산시키기 위해 사용되는 옥시알킬렌 중합체가 콘크리트 제조에 사용되는 모래 및/또는 기타 골재들로부터 유래하여 운반되는 점토입자에 흡착되는 경향이 있다는 사실 발견에 기초한 것이다.
자딘 등은 점토입자에 흡착하는 희생제로 특정 화합물을 사용하여 이 점토문제를 경감하는 방안을 제안하였다. 즉, 이 희생제를 사용함으로써 옥시알킬렌 시멘트 분산제 분자들이 점토입자에 흡착되지 않고 콘크리트 혼합물 내에서 시멘트 입자 분산제로서의 기능을 계속 유지할 수가 있다.
본 발명자들은 본 명세서에서 약어 "CMA(s)"를 사용해서, 소위 점토 경감제(clay mitigation agents)로 불리는 점토활성 변형제(clay activity-modifying agents)를 지칭한다.
자딘 등은 CMA의 첨가순서는 CMA의 화학적 특성에 따라 달라지는 것으로 기재하였다. 따라서, CMA가 양이온이나 극성 유기분자를 함유한 경우에는 CMA를 점토에 물을 투여하기 전에 점토에 첨가하는 것이 바람직하다(미국특허 제6,670,415호 초록 14-16행 참조).
자딘 등은 4급아민(예: 4급아민 중합체)과 같이 점토에 대한 친화성이 아주 높은 CMA는 물이 투여되기 전, 투여되는 도중 또는 투여된 후에 점토 함유 골재에 첨가하는 것으로(미국특허 제6,670,415호 초록 16-20행 참조), 또/또는 이 CMA는 시멘트 분산제 첨가 전에 또는 첨가와 동시에 투여하는 것으로 기재하고 있다(미국특허 제6,670,415호 칼럼 6, 48-58행 참조).
자쿠에트 등(Jacquet et al.)에 허여되고 라파게 에스.에이.가 소유하는 미국특허 제8,257,490B2에는 채석장 또는 레미콘 플랜트에서 점토함유 모래에 바람직하게 투여되는 비활성 약품의 사용을 기재하고 있으며, 이는 고성능 감수제의 과도한 사용을 방지하기 위하여 모래에 먼저 투여하는 것이 바람직 한 것으로 게재하였다.
더블유.알.그레이스 앤드 캄파니(콘넥티커트)가 공유하는 미국특허출원번호 14/378,158(미국공개번호 2015/0065614)와 14/395,603(미국공개번호 2015/0065614)에는 채석장에서 CMA를 사용하여 골재를 처리하는 개념이 추가하여 강조되었다.
본 발명 이전에는 일반적으로 CMA를 첨가하는 가장 효과적인 방식이, 채석장 또는 레미콘 플랜트에서 골재에 물 및/또는 시멘트 분산제를 혼합하기 전에, 점토함유 골재에 직접 첨가하는 것으로 생각하였다. 이 분리 및 사전 첨가 방식으로 한쪽의 CMA와 다른 한쪽의 물 및/또는 시멘트 분산제 간에서의 어떠한 경쟁도 회피할 수가 있다.
CMA에 비하여 시멘트 분산제가 아주 낮은 점토 친화력을 갖는 경우에도 우선적인 목표가 콘크리트의 유동 성능과 강도를 최대화하는 것이기 때문에 CMA의 분리 및 사전 투여가 바람직하다.
종래 사고의 기본은 점토에 의한 CMA의 흡착이 비가역적이라는 가정이었다. 이 같은 가정에서 콘크리트 배송 공정을 신속화할 목적으로는 콘크리트 배합물 내로 시멘트 분산제를 투여하기 전에 우선 점토함유 골재에 CMA를 투여하는 것이 당연시되었다.
그러나 본 발명은 기본적으로 예기치않은 방법으로 이 같은 종래의 사고를 변화시킬 수 있다.
선행기술 접근방식에서의 단점을 극복하는데 있어, 본 발명은 콘크리트가 처음으로 배치(batch) 방식으로 되는 혼합 플랜트로부터 건설 현장까지의 수송 동안에, 콘크리트 혼합물은 골재에서 유래하는 점토가 있으므로, 1개 이상의 점토 경감제(CMA)를 배칭 후 투여해서 수송중에 화학제 혼합물(및/또는 물)의 요구되는 작업성과 투여 효율을 성취하는 자동화 콘크리트 배송 모니터링 프로세스 및 시스템을 제공한다.
본 발명자들은 운송중에 콘크리트 혼합물 내로 물, 시멘트 분산제, 발포제, 소포제 또는 기타 화학제를 조절된 양으로 첨가하는 경우의 투여 효율이 콘크리트 혼합물 중에 존재하는 점토에 의해 약화 되거나 그렇지 않으면 유해하게 작용하며, 이는 작업 현장으로 배송하기 위하여 운반상태로 하적한 레미콘 트럭이 혼합 플랜트를 출발하기 전에 점토를 초기 처리한 경우에도 동일하다는 놀라운 사실을 발견하였다.
또 본 발명자들은 운송 상태 이전인 배치 혼합 플랜트에서 초기에 한꺼번에 CMA를 투여하는 것 보다는 이 투여된 총량의 CMA를 수송중에 후 배치 첨가하는 것이 보다 효율적이라는 놀라운 사실을 발견하였다. 효율은 콘크리트 제조 및 배송 과정 중에 특정된 콘크리트 특성 또는 작동 인자(예: 슬럼프 또는 기타 유동학적 수치, 공기함량 등)를 유지하기 위하여 투여되어야만 하는 CMA, 물, 분산제, 발포제, 소포제 또는 기타 화학제의 총 투여량을 감안하여 측정하였다,
콘크리트를 투여하기 위한 본 발명의 예시적인 방법은, 프로세서 유닛을 사용한 자동화 방식으로, 회전식 혼합기 드럼에서 혼합 플랜트로부터, 콘크리트 슬러리가 전달되는 건설현장으로 수송하는 동안 콘크리트 슬러리의 슬럼프를 모니터하는 단계를 포함하고, 상기 콘크리트 슬러리는 시멘트 결합제, 물, 골재 및 점토를 포함하고, 상기 점토는 점토 경감제 부재시에 화학제 혼합물을 흡수하고, 또한 콘크리트 슬러리에 첨가된 시멘트 분산제 또는 다른 화학제 혼합물의 투여 효율을 감소시키기에 충분한 양으로 콘크리트 슬러리 내에 존재하며, 상기 자동화된 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛은, (i) 수송시 일정 시간(t)에 걸쳐 회전식 혼합기 드럼 내에서의 콘크리트 슬러리의 슬럼프 손실(dS)를 측정하여 dS/dt 값을 얻고, (ii) 상기 측정된 dS/dt 값을 프로세서 유닛에 의해 접근되는 기억 장소에 저장된 임계치 dS/dt 값과 비교하고, (iii) 상기 측정된 dS/dt 값이 저장된 임계치 dS/dt 값을 충족하는지 또는 초과하는지를 검출하며, 상기 측정된 dS/dt 값이 저장된 임계치 dS/dt 값을 충족하거나 또는 초과하면, 프로세서 유닛은 수송시 회전식 혼합기 드럼 내의 콘크리트 내에 제어된 정량의 점토 경감제의 투여를 개시하며, 투여된 CMA는 자동화된 슬럼프 프로세서 유닛으로 측정된 바와 같이 dS/dt 값을 감소시키기에 효과적이다.
운송 동안에 CMA 첨가를 개시하기 위해 프로세서에 의해 사용되고 또 메모리에 저장되는 임계치 dS/dt 값은, 주어진 콘크리트 배치에 사용되는 정해진 종류의 점토함유 골재를 처리하는데 필요한 CMA 계산 양을 바탕으로 한 실증적 증거 또는 개인 경험에 근거해서 사용자가 선택할 수 있다. 예를 들어 CMA의 투여는 산업계에 알려진 메틸렌 블루 값(MBV) 측정(예: ASTM C-1777-14 참조)에 근거하여 수동으로 결정하거나, 벨트 또는 다른 연속 방법으로 빈(bin) 또는 트럭으로 컨베이 되는 골재 위에서 자동화 MBV 측정을 사용(예: 미국특허 제8,561,488호 참조)해서 결정할 수가 있다. 점토함량은 시간이 흐르면 정해진 골재원(aggregate source) 내에서 무작위로 급격히 변화될 수 있다. 더욱이 콘크리트 플랜트는 흔히 여러 공급원의 골재를 사용하는데 이는 매 트럭 단위로 점토함량을 계속 추적해야 할 정도로 측정 능력을 약화시킨다. 통상은 점토의 양을 알 수가 없기 때문에 배치공정 동안 CMA를 정확한 양으로 투여하는 능력이 심히 방해받는다.
대안으로, 운송 동안 시스템에 의해 모니터된 슬럼프 데이터 이력을 근거로 자동화 슬럼프 모니터링 시스템 프로세서가 dS/dt 값을 계산하고 또/또는 조정할 수 있다. 예를 들어 베리파이 엘엘씨가 시판하고 있는 자동화 모니터링 시스템은 골재 재료로부터 유래한 점토, 시멘트의 성질 및 반응성, 주변 온도, 콘크리트 온도 및 기타 인자들과 같은 다수개의 변수를 고려하도록 프로그래밍할 수가 있다.
또한 콘크리트 슬러리의 슬럼프는 콘크리트 혼합물 내로 투여되는 분산제 및/또는 공기 조절제는 물론 공기 함량을 감안하여 모니터하고 또 조정될 수 있다.(예: 더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트의 소유인, 코엘러 및 로버츠의 미국특허 제8,764,273호와 미국특허 8,491,717호 참조).
본 발명의 이 밖의 예시적인 방법에서는 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛이 단계 (i), (ii) 및 (iii)을 반복함으로써, 운송중에 점토 경감제(CMA)가 2개 이상의 상이한 예로 콘크리트에 투여된다.
본 발명의 이 밖의 다른 예시적인 방법에서는 슬럼프 모니터링 컴퓨터 프로세서가 콘크리트에 점토 경감제(CMA)의 투여를 개시하는데, 콘크리트 슬러리로 투여되는 CMA 전체 용적의 21% 이상 100%, 더욱 바람직하게는 51% 이상 100%, 가장 바람직하게는 81% 이상 100%가 콘크리트가 회전식 혼합 드럼으로 배치처리되는 혼합 플랜트가 아니라 수송 중에 투여된다.
이 밖의 예시적인 실시태양에 있어서, 운송중에 콘크리트 슬러리로의 CMA의 후 배치(post-batch) 첨가 또는 첨가들은 콘크리트 슬러리 내로의 화학제 혼합물(예: 시멘트 분산제, 특히 고성능 감수제)의 첨가를 동반할 수 있다. 이 같은 동시 첨가 모드는 CMA의 점토 친화력 (또는 점토 위에서의 흡착률)이 화학제 혼합물에 비하여 훨씬 높은 경우에 실행 가능하다. 다른 예시적인 실시태양에서 배치후 CMA 투여은 이어지는 콘크리트 내로의 물 및/또는 화학제 혼합물(예: 시멘트 분산제, 공기 조절 혼합제 또는 이들의 혼합물)투여와 분리하거나 또는 선행될 수 있다. CMA와 화학제 혼합물 또는 물의 배치후 분리 투여를 반복할 때에는, CMA 투여물(또는 앞서 투여된 다른 화학제 혼합물)이 콘크리트 내로 완전하게 혼합되고 또 콘크리트 혼합물 내 점토분자 상에 흡착되도록 혼합기 드럼을 충분하게 회전시키는 것이 바람직하다(이후 "스태거드" 첨가로 칭한다)
또 본 발명은 앞에 기재한 배치후 CMA첨가 방법을 수행하기 위한 자동화 콘크리트 모니터링 시스템을 제공한다. 예를 들어 본 발명 방법은 미국 마사추세츠 캠브리지에 소재하는 더블유.알.그레이스 앤 캄파니-콘넥티커트의 자회사인 베리파이, 엘엘씨에서 판매하고 있는 슬럼프 제어 시스템에 프로그래밍할 수 있다.
본 발명은 상기 CMA들의 후 배치 첨가(들)(이 경우 후 배치 콘크리트 또는 몰타르 혼합기간 동안)을 프리캐스트(precast) 또는 프리스트레스(prestressed) 콘크리트 산업에서 사용되는 팬 혼합기와 같은 고정식 혼합기에서도 슬럼프 또는 기타 이행인자들을 연장해서 적용할 수 있도록 설계되었다. 따라서 본 발명의 예시적인 방법 및 시스템은 프리캐스트 콘크리트 플랜트 또는 프리스트레스 콘크리트 플랜트에서의 팬 혼합기와 같은 혼합기에서 배치후 CMA들 투여를 1회 이상 실행하는 단계를 포함하며, 콘크리트로 투여되는 CMA들 전체 용적의 21% 이상 100%, 더욱 바람직하게는 51% 이상 100%, 가장 바람직하게는 81% 이상 100%를 콘크리트 슬러리를 형성하는 물, 시멘트 결합제 및 점토함유 골재의 초기 배칭공정 후에 콘크리트에 첨가된다.
본 발명의 이 밖의 장점 및 이점은 다음에 더 상세히 기재하였다.
본 발명의 다른 장점이나 특징들은 다음 예시적인 실시태양의 상세 기재내용및 첨부 도면으로 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 3개 콘크리트 혼합물의 시간(분) 경과에 따른 슬럼프(인치)를 설명하는 것으로, 이중 점선으로 도시한 2개는 본 발명 개시 내용에 따라 CMA와 PC 혼합을 배치후 첨가(혼합기간이 배송을 위한 운송시간과 거의 일치)로 처리하였으나, 직선으로 도시한 나머지 1개는 혼합기간 중에 분산제 만을 첨가하는 종래기술에 따라 처리하였다.
도 2는 초기(배송물 운송시간과 거의 일치하는 혼합기간 이전)에 CMA를 투여하고, 이어 분산제를 단독으로 투여한 콘크리트 혼합물(하방향 기울기를 갖는 2개의 커브로 설명)을 본 발명의 개시내용에 따라 투여된 콘크리트(혼합 중에 CMA와 분산제를 시차를 두고 투여해서 상대적으로 일정한 슬럼프/시간 성능을 유지하였다)의 슬럼프/시간 성능을 비교하여 설명하는 시간 경과에 따른 슬럼프의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 2개의 예시적인 방법(프로토콜 1 및 3)을 설명하는 그래프로, 여기서는 CMA를 시차를 두고 첨가하는 경우 가장 위쪽의 점선 라인 커브로 설명되는 선행기술 방법과 비교해서 누계 투여량이 상당히 낮다. 가장 위쪽의 점선 라인 커브는 초기에 비교적 많은 CMA 만을 투여하고, 혼합 중에는 분산제 만을 투여하였다.
도 4는 본 발명의 예시적인 방법을 설명하는 그래프로, 분산제를 함유하는 콘크리트 혼합중의 CMA 첨가는 슬럼프 감소를 저지 또는 역전시킨다는 사실을 도시하고 있다.
본 발명은 레미콘 플랜트(이곳에서 콘크리트 성분들이 운송 트럭의 회전식 혼합기 드럼 안에 일괄처리된다)로부터 최종 사용처인 건축 현장으로 이송되는 콘크리트 혼합물 내로 투여되는 시멘트 분산제(감수제 또는 고성능 감수제로도 부른다), 발포제와 소포제를 포함하는 공기 조절제, 물 및 이들의 혼합물과 같은 화학제 혼합물의 투여 효율에 영향을 미치는 점토의 유해한 효과를 경감하거나 또는 피하기 위한 자동화된 콘크리트 모니터링 프로세스 및 시스템에 관한 것이다. 콘크리트 내에 존재하는 점토는 모래 골재 또는 콘크리트 제조용으로 사용하는 부순 돌, 암석 및/또는 자갈과 같은 다른 골재에서 유래하거나 운송된다.
용어 수송(transit) 및 운송(transport)은, 콘크리트 배칭공정 혼합이 혼합기 드럼으로부터, 혼합된 콘크리트가 전달되는 건설 현장으로 배송된 때에도 계속 붓기 동작을 행하는, (회전식 혼합기 드럼을 구비한) 사전 혼합 배송 트럭 내에서 콘크리트 슬러리를 형성하기 위해 성분들의 배칭공정(batching) 후의 배송 동작의 국면을 지칭하도록 사용된다.
후 배칭(post-batching) CMA 투여를 포함하는 본 발명 방법은 프리캐스트 콘크리트 및 PS 콘크리트 산업에서 사용하게 되는 고정식 혼합기를 이용해서도 실시할 수 있으나, 본 발명의 가장 탁월한 효과는 레미콘 산업에서 실감하게 되며, 그 이유는 수송 중에 혼합기 드럼 안에서 회전하는 콘크리트 내에 함유된 점토입자 위에 부과되는 누적된 전단에너지가 고성능 감수제로 알려진 고가의 하이 레인지 감수제(HRWR)의 투여 효율 성취와 관련하여 더 큰 영향력을 미치기 때문이다.
본 발명은 모든 형태의 점토 처리에 관한 것이다. 이들 점토는 녹점토와 같은 2:1형, 고령석과 같은 1:1형 또는 녹니석과 같은 2:1:1형을 포함하며, 이에 한정되지 않는다.
용어 '점토'는 엽편상 구조를 갖는 엽상규산염류를 포함하는 알루미늄 및/또는 마그네슘 실리케이트를 의미하지만, 본 명세서에서 사용되는 용어 '점토'는 무정형 점토와 같이 이 같은 구조를 갖지 않은 점토를 의미할 수도 있다.
본 발명에서 '점토'는 또한 에틸렌옥사이드기("EO") 및/또는 프로필렌옥사이드기("PO")를 포함하는 폴리옥시알킬렌 고성능 감수제를 흡수하는 점토만으로 한정하지 않으며, 젖거나 경화된 상태와 관계없이 건축재료 특성에 직접적으로 영향을 미치는 점토를 포함한다. 모래에서 통상적으로 발견되는 점토는 예를들어, 몬모릴로나이트, 일라이트, 카올리나이트, 무스코바이트 및 클로라이트를 포함한다. 이들 또한 본 발명의 방법 및 조성물에 포함된다.
본 발명 방법으로 처리한 점토 함유 모래 및/또는 부순 암석 또는 자갈은 수화되거나 수화되지 않음에 상관없이 시멘트질 재료로 사용될 수 있으며, 이 같은 시멘트질 재료에는 몰타르, 콘크리트 및 아스팔트가 포함되고, 이들은 사전 주조(pre-cast) 및 사전 제조(pre-fabrication) 적용은 물론 구조적 빌딩 및 건설 적용, 철도, 기초공사, 토목공사 적용에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 '모래'는 콘크리트, 몰타르 및 아스팔트와 같은 건설 자재로 통상 사용되는 골재를 의미하고 지칭하며, 이는 전형적으로 0 내지 8mm, 바람직하게는 2 내지 6mm의 평균 입자경을 갖는다. 모래 골재는 탄산석회함유 광물, 규토질 광물 또는 규토질 석회석 광물을 포함할 수 있다. 이 같은 모래는 천연산 모래(예: 빙하기층, 충적토로부터 유래하는 모래, 또는 입자가 평활면을 갖도록 풍화된 해성층으로부터 유래하는 모래)이거나 또는 기계 파쇄기 또는 연마 장치를 사용해서 만들어진 제조품 일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "시멘트"는 포트랜드 시멘트와 수화 가능한 시멘트를 포함하고, 이는 분쇄 첨가제로서 1개 이상 형태의 황산칼슘(예: 석고)과 수경 칼슘실리케이트로 구성되는 클링커를 분쇄해서 제조된다. 전형적으로, 포틀랜드 시멘트는 예를 들어 포틀랜드 시멘드, 플라이 애쉬, 과립화 용광로 슬래그, 석회석, 천연 포졸란 또는 이들의 혼합물과 같은 1개 이상의 보조 시멘트성 재료와 결합해서, 조합물로 제공된다. 용어 "시멘트성(cemetitious)"은 포트랜드 시멘트를 포함하는 재료 또는 그렇지 않으면 미세 골재(예: 모래)와 거친 골재(예: 부순 돌, 암석, 자갈), 또는 이들의 혼합물을 함께 연결하는 결합제로서의 기능을 갖는 재료를 지칭한다.
용어 "수화 가능한"은 물과의 상호 화학작용으로 경화되는 시멘트 또는 시멘트성 재료를지칭한다. 포트랜드 시멘트 클링커는 주로 수화 가능한 칼슘 실리케이트로 구성된 부분적으로 용융된 덩어리(fused-mass)이다. 칼슘 실리케이트는 주로 트리칼슘 실리케이트(시멘트 화학적 표기로 3CaO
Figure pct00001
SiO2 "C3S")과 디칼슘 실리케이트(2CaO
Figure pct00002
SiO2 "C3S")의 혼합물로, 전자가 우성형(dominant form)으로 더 작은 양의 트리칼슘 알루미네이트(3CaO
Figure pct00003
Al2O3,"C3A")와 테트라칼슘 알루미노페라이트 (4CaO
Figure pct00004
Al2O3
Figure pct00005
Fe2O3,"C4AF")를 갖는다[예를 들어, Dodson, Vance H., Concrete Admixtures: Van Nostrand Reinhold, New York NY 1990, 1페이지 참조].
본 명세서에서 용어 "콘크리트"는 일반적으로 물, 시멘트, 모래, 통상 부순 돌, 암석 또는 자갈과 같은 거친 골재와 임의적으로 화학제 혼합물을 포함하는 수화 가능한 시멘트성 혼합물을 지칭하는데 사용된다.
본 발명은 공지된 1개 이상의 혼합물이 본 발명 방법 및 조성물에서 사용 가능하게 설계되었다. 이들 혼합물에는 감수제[리그닌 설포네이트, 나프탈렌 설포네이트 포름알데히드 축합물(NSFC),멜라닌 설포네이트 포름알데히드 축합물(MSFC), "EO" 및/또는 "PO"기와 같은 알킬렌옥사이드기를 함유하는 폴리카복실레이트 콤브 중합체, 글루코네이트 등], 응결 지연제, 응결 촉진제, 발포제, 소포제, 계면활성제 또는 이들의 혼합물을 포함하나 이에 제한하는 것은 아니다.
혼합물 중에서 에틸렌옥사이드("EO") 및/또는 프로필렌옥사이드("PO")기와 폴리카르복실레이트기를 갖고 있는 EO-PO형 중합체가 바람직하다. 본 발명 방법 및 조성물에서 사용하도록 설계된 시멘트 분산제는 예를 들어 자딘 등의 미국특허 제6,352,952 B1 및 미국특허 제6,670,415 B2에 기재된 바와 같은, EO-PO형 중합체 EO-PO형 콤브 중합체를 포함한다. 상기 특허문헌에는 더블유.알.그레이스 앤드 캄파니(콘넥티커트)에 양도된 미국특허 5,393,343호에 개시된 중합체들을 언급하고 있으며, 이들 중합체는 미국 마사추세츠에 소재하는 상기 회사에서 ADVA®상표명으로 판매되고 있다. EO/PO 기를 함유하는 다른 예의 시멘트 분산제 중합체는 미국특허 제4,471,100호에 개시된 바와 같이 말레산 무수물과 에틸렌 중합성 폴리알켄을 중합해서 얻을 수 있다. 이 밖에도, EO/PO 기 함유 시멘트 분산제 중합체는 미국특허 제5,661,206호와 미국특허 제6,569,234호에 개시되어 있다. 이들 중합체는 통상적으로 폴리카복실레이트("PC") 형 시멘트 분산제로 부르고 있다. 콘크리트 내에서 이 같은 PC 분산제가 사용되는 양은 통상적인 사용기준에 따를 수 있다(예: 시멘트성 재료 중량에 대한 활성 중합체 중량 백분율로 0.05% 내지 0.25%).
본 명세서에서 용어 "점토 경감제" 또는 "CMA"는 일반적으로 (1) 수성 환경 내에서 점토 입자에 친화력을 가지며(예: CMA는 점토 입자에 물리적 및/또는 화학적으로 부착된다), (2) 수화 가능한 시멘트성 조성물의 투여 효율 및/또는 성능에 대한 점토의 부정적인 효과를 경감(예: 비활성화, 약화, 희석, 회피)시키는 능력을 가지며, (3) 그 화합물 자체는 수화 가능한 시멘트성 슬러리 또는 페이스트 환경(존재시에 물 또는 화학 분산제를 흡수하는 점토의 부재하)에서 수(水) 경감 능력이 최저이거나 전혀 없는 화합물을 지칭하는데 사용된다.
본 발명자들은 "수 경감 능력이 최저이거나 전혀 없다."라는 개념을 도입함으로써 종래의 감수제, 특히 중성능 감수제(MRWR)와 소위 유동화제[통상 동일한 슬럼프(slump)를 얻으면서 12% 이상의 물을 교체하는 효과로 정의된다]를 포함하는 고성능 감수제(HRWR)와 대비되고 또 구별되는 CMA들을 정의하였다.
정량적으로, CMA는 본 발명의 목적을 위해서 "수 경감 능력이 최저이거나 전혀 없는" 것으로, 또 콘크리트와 같은 수화 가능한 시멘트성 조성물의 감수 요구능력이 0 내지 10%, 바람직하게는 0 내지 5%인 것으로 정의될 수 있다. 환언하면, 본 발명에서 설계된 CMA는 ASTM C494-13에 정의된 HRWR에 대한 표준 사양과는 일치하지 않으며, 종래에 콘크리트 산업에서 이해해 왔던 감수 능력 12%라는 최저치 보다 훨씬 낮은 것이 바람직하다.
미국특허 제6,352,952호와 미국특허 제6,670,415호에 기재된 바와 같이, 본 발명에서 사용하기 적합하게 설계된 CMA는 무기 양이온, 유기 양이온, 점토에 의해 흡수될 수 있는 극성유기분자, 폴리포스페이트와 같은 점토분산제 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 미국특허 제8,257,490호, 미국특허출원번호 11/575,607호(미국공개번호 2008/0060556 A1) 및 자큐에트 등의 WIPO 출원 공개번호 2010/112784 A1(라파게 에스.에이. 소유)에서의 다른 예들은 디알릴디알킬 암모늄, 디알킬아미노알킬의 4급(메트)아크릴레이트 및 4급디알킬아미노알킬로 N-치환된 (메트)아크릴레이트와 같은 4급 아민 기능기를 포함하는 골재내의 "비활성' 점토용 조성물을 기재하였다. 또 디메틸아민과 에피클로로하이드린의 중축합으로 얻어지는 양이온 중합체가 포함되어 있다. 그 밖의 다른 예로는 WIPO 출원(공개번호 2009/127893 A1; 에스.피.씨.엠. 에스에이 소유)에 기재된 것과 같은 기능화 폴리아민, 중량 평균분자량이 70 내지 250,000이며, 폴리옥시알킬렌 기에 대한 카르복시산의 몰비가 2 미만인 카르복실레이트 그래프트 중합체(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트와 르베스타 지에이티 리미티드가 공동 소유하고 있는 미국특허공개 2015/0133584 참조), 미국특허 제8,461,245호(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트 소유)와 미국특허출원번호 13/076,944(미국공개번호 2012/0252953 A1)에 기재된 것과 같은 2개 이상의 단량체들로부터 제조된 양이온 공중합체, 이소시아네이트와 반응하는 1개 이상의 기를 갖는 소수성 화합물로 형성된 화합물, 이소시아네이트와 반응하는 1개 이상의 기를 갖는 소수성 화합물, 마지막으로 WIPO 출원(공개번호 2010/040796 A1; 콘스트럭션 리서치 앤드 테크놀로지 게엠베하 소유)에 기재된 것과 같은 2개 이상의 반응성 이소시아네이트기를 갖는 화합물이 포함된다.
본 발명에서 사용하기에 적합한 것으로 보이는 콘크리트 슬럼프를 모니터해서 조정하는 자동화 슬럼프 모니터링 시스템은 더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트의 자회사이며, 미국 매사추세츠 캠브리지 휘트모어 애비뉴 62에 소재하는 베리파이 엘엘씨로부터 구입 가능하다.
베리파이 엘엘씨가 저술한 특허문헌에는 여러 종류의 슬럼프 모니터링 시스템이 기재되어 있다. 이들 특허문헌에는 콤프톤 등의 미국특허 제8,118,473호, 쿨리 등의 미국특허 제8,020,431호, 코엘러 등의 미국특허 제8,491,717호, 쿨리 등의 미국특허출원번호 10/599,130(미국공개번호 2007/70185636 A1), 소스타릭 등의 미국특허출원번호 11/834,002(미국공개번호 2009/0037026 A1), 코엘러 등의 미국특허출원번호 258,103(미국공개번호 2012/0016523 A1)이 포함된다.
슬럼프 모니터링 시스템은 드럼 회전 센서는 물론 레미콘 운반 트럭 위의 가압 및 감압 수치 센서를 사용해서 드럼 내의 콘크리트 혼합물을 회전시키기 위해 필요한 에너지를 상관시키고, 이 모니터한 수치를 메모리에 저장된 정보 및/또는 데이터와 비교해서 작동된다. 이 시스템은 회전가능한 혼합기 드럼 내에서 콘크리트로 물 및/또는 화학 혼합물을 조절된 양으로 첨가할 수 있다.
본 발명은 본 명세서에 기재된 기술에 근거하여 수송(혼합)중에 후 배치 CMA 첨가를 조절할 수 있도록 이.비.비. 레올로지 인코포레이티드가 소유하는 미국특허공개번호 2012/0204625 A1 및 WO 2011/042,880 또는 센소크레이트 소유의 미국특허공개 2011/0077778 A1에 기재된 스트레스/스트레인 프로브 센서와 같은 다른 슬럼프 모니터를 사용할 수 있게 설계되었으나, 본 발명자들은 유압식 압력 측정을 더 선호한다.
본 발명자들에 의하여 본 명세서에 기술된 방법을 수행하기 위한 본 발명의 시범적 시스템은 베리피 엘엘씨 사에서 시판하고 있는 자동화 슬럼프 모니터링 시스템을 프로그래밍해서 얻을 수 있다.
콘크리트 투여를 위한 본 발명의 시범적 시스템은 혼합플랜트에서 건설현장으로 콘크리트 슬러리를 운송하는 회전식 혼합기내에서 콘크리트 슬러리의 슬럼프를 자동화된 슬럼프 프로세서 유닛으로 모니터하는 단계를 포함하고; 상기 콘크리트 슬러리는 시멘트 결합제, 물, 골재 및 점토(이 점토는 점토 경감제 부재시에 화학제 혼합물을 흡수하고, 또 콘크리트 슬러리에 시멘트 분산제 또는 첨가된 다른 화학제 혼합물의 투여효율을 감쇠시키기에 충분한 양으로 존재한다)를 포함하며;
상기 자동화된 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛은, (i) 수송시 일정 시간(t)에 걸쳐 회전식 혼합기 드럼 내에서의 콘크리트 슬러리의 슬럼프 손실(dS)를 측정하여 dS/dt 값을 얻고, (ii) 상기 측정된 dS/dt 값을 프로세서 유닛에 의해 접근되는 기억 장소에 저장된 임계치 dS/dt 값과 비교하고, (iii) 상기 측정된 dS/dt 값이 저장된 임계치 dS/dt 값을 충족하는지 또는 초과하는지를 검출하며, 상기 측정된 dS/dt 값이 저장된 임계치 dS/dt 값을 충족하거나 또는 초과하면, 프로세서 유닛은 수송시 회전식 혼합기 드럼 내의 콘크리트 내에 제어된 정량의 점토 경감제의 투여를 개시하며, 투여된 CMA는 자동화된 슬럼프 프로세서 유닛으로 측정된 바와 같이 dS/dt 값을 감소시키기에 효과적이다.
배치 혼합 플랜트에서 배송(하적) 현장까지 장거리를 이동하는 동안에, 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛은 단계 (i), (ii) 및 (iii)을 반복함으로써 (혼합 플랜프에서 건설/배송 현장으로 운반되는 콘크리트의) 운송중에 시간 차를 두고 점토 경감제(CMA)를 2회 이상 다른 예로 콘크리트에 투여하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 용어 "스태거드(staggered)"는 시간적으로 분리하여 2회 이상 CMA를 첨가하는 것을 의미한다. 혼합 성분과 화합물의 특성에 따라 첨가시간 간격은 1회 또는 수회의 완전한 드럼 회전을 필요로 하며, CMA의 완전 혼합을 달성하여 콘크리트가 효과적으로 모니터 되어 투여된다. 혼합 플랜트에서 콘크리트 트럭의 회전식 혼합기 드럼으로 유입되는 배치 혼합물 내로 다른 화학제 혼합물 및 물과 함께 CMA의 일부가 투여되는 것으로 되어 있으나, 본 발명자들은 수송 중(배송 트럭이 혼합 플랜트를 떠나서 콘크리트가 배송되는 건설현장으로 이동하는 도중)에 콘크리트 로드 내로 CMA의 전부는 아니라도 그 대부분을 첨가하는 것을 보다 선호한다.
따라서 본 발명의 예시적인 실시태양에서는 슬럼프 모니터링 컴퓨터 프로세서가 콘크리트에 점토 경감제(CMA)의 투여를 개시하는데, 콘크리트 슬러리로 투여되는 CMA 전체 용적의 21% 이상 100%, 더욱 바람직하게는 51% 이상 100%, 가장 바람직하게는 81% 이상 100%가 콘크리트가 회전식 혼합드럼으로 배치처리되는 혼합 플랜트가 아니라 운송 중에 투여된다(예: 1회 이상의 "후 배치" 첨가).
예시적인 다른 실시 태양에서, 혼합기 드럼 내에 함유된 주어진 콘크리트 로드 내로 첨가되는 CMA 누계 총량의 일부가 배치 플랜트에서 첨가되며, 또 배치 플랜트에 첨가되는 일부는 운반되는 특정 배치 콘크리트 혼합물 내로 투여되는 CMA 누계 총량의 79% 미만, 더욱 바람직하게는 49% 미만, 가장 바람직하게는 19% 미만(또는 0%)을 포함한다.
이후 실시예에서 제시하는 바와 같이, 수송 중에 시차를 둔 간격으로 투여되는 후 배치 첨가를 통해서 주어진 배치 콘크리트 혼합물 내로 투여되는 CMA의 누계 총량을 줄일 수 있다는 사실은 본 발명자들도 전혀 예상하지 못했던 놀라운 사실이다.
본 발명의 다른 실시태양에서 본 발명자들은 시간(t) 경과에 따른 슬럼프(dS) 손실을 보다 정확하게 모니터할 수 있도록 콘크리트의 수화상태를 고려대상으로 하였다. 콘크리트의 수화상태를 추적하는 한 방법은 콘크리트의 수화작용이 발열작용을 유발하므로 회전식 혼합기 드럼 내에서의 콘크리트 혼합물 온도를 측정하고, 또 프로세서 접근가능 메모리 위치에 저장된 임계치 dS/dt를 조절하는 것이다. 따라서 본 발명의 또 다른 예시적인 방법 및 시스템에서 콘크리트 투여 방법은 수송 중에 콘크리트 슬러리의 온도를 측정해서 온도 데이터를 얻는 단계와 이 얻은 온도 데이터를 근거로 임계치 dS/dt 값을 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이 밖의 예시적인 방법 및 시스템은 추가로 수송 중에 콘크리트 슬러리의 공기 함량을 측정해서 공기 함량 데이터를 얻는 단계와 이 얻은 공기 데이터를 근거로 저장된 임계치 dS/dt 값을 조정하는 단계를 포함한다. 예를 들어 콘크리트 슬러리의 유입 공기 함량은 콘넥티커트 월링포드 씨드라 사에서 상품명 AIRtracTM으로 시판되고 있는 음파탐지기술(sonar)에 근거한 공기측정기를 사용해서 측정할 수가 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "슬럼프(slump)는 콘크리트 기술분야에 공지된 표준 12-인치 슬럼프 콘(cone)을 사용해서 측정한 콘크리트의 수직방향 감소를 의미하나, 콘크리트 기술 당업자들에게는 스틸 플랜트에서 배출(반전된 원뿔 형태로 배출) 되는 고 유동성 콘크리트의 수평방향 전개를 의미할때 "슬럼프 플로우" 용어를 사용하는 것처럼 이 용어는 콘크리트의 다른 유동학적 인자를 언급하는데도 사용된다[코엘러 등의 미국특허 제8,818,561호(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트의 자회사인 베리파이 엘엘씨 소유) 참조].
본 발명의 자동화 모니터링 방법 및 시스템에서 사용되는 회전식 콘크리트 혼합기 드럼은 바람직하게는 그 내벽에 2개 이상의 혼합 칼날을 나선형으로 장착하여 혼합기 드럼의 회전시간 동안 콘크리트 슬러리를 저어줌으로써 물 및/또는 화학제 혼합물이 콘크리트 배합물 내로 효과적으로 혼합한다. 본 발명에 개시된 후 배치 CMA 첨가는 1개 이상의 화학제 혼합물(예: 시멘트 분산제, 바람직하게는 폴리카복실레이트 형의 고성능 감수제와 함께)과 동시에 투여될 수 있으며, 또 이 동시 투여 화학제들은 혼합기 드럼이 혼합되는 콘크리트의 전역에 걸쳐서 화학제가 완전 균일하게 혼합될 때까지의 최소시간을 주기로 하여 시간 차이를 가지고 투여할 수 있다.
후 배칭 첨가에서 시멘트 분산제와 같은 다른 화학제 혼합물과 CMA를 동시에 투여하는 것이 가장 편리하겠으나, 분리된 탱크와 분배 시스템을 사용해서 CMA를 다른 화학제 혼합물들과 분리하여 주입할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 예시적인 실시태양에서는 콘크리트 슬러리에 1회 이상의 후 배치 CMA 첨가를 수행한 후에 자동화 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛이 물, 1개 이상의 화학제 혼합물 또는 이들 혼합물의 조절된 첨가를 1회 또는 그 이상 수행한다.
이 밖의 예시적인 실시태양에서, 콘크리트 투여 방법 및 시스템은 자동화 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛을 사용해서 콘크리트 슬러리 내로 CMA에 추가해서 1개 이상의 다른 화학제 혼합물을 조절된 양으로 분리해서 첨가하며, 1개 이상의 화학제 혼합물은 시멘트 분산제(가장 바람직하게는 고성능 감수제), 발포제, 소포제 또는 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선정된다.
본 발명의 예시적 방법 및 시스템에서 콘크리트 슬러리 운송중의 후 배치 첨가에 사용되는 CMA는 4급아민, 폴리 4급아민 및 이들의 유도체: 디메틸아민과 에피클로로히드린의 중축합체; 카복실레이트 그래프트 중합체; 기능화 (폴리)아민 또는 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 바람직하게 선택된다. 적합한 CMA 화합물의 예들은 미국특허 제6,352,952호 및 제6,670,415호(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트 소유), 미국특허 제8,257,490호, 미국특허출원번호 11/575,612(미국공개번호 2007/0287794 A1), 미국특허출원번호 11/575,607(미국공개번호 2008/0060556 A1)및 WIPO 출원(공개번호 WO 2010/112784 A1 라파게 에스.에이. 소유)에 기재되어 있다. 디메틸아민과 에피클로로히드린의 중축합체와 기능화 (폴리)아민을 근거로 하는 적합한 CMA는 WO 2009/127893 A1(에스엔에프, 에스에이에스 및 에스피씨엠 에스에이 소유)에 기재되어 있다. 다른 적합한 CMA는 미국특허 제8,461,245호(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니 소유)와 미국특허출원번호 13/076,944(미국공개번호 2012/0252953 A1)에 기재된 것과 같은 카복실레이트 그래프트 중합체를 포함한다. 다른 적합한 CMA는 미국공개번호 2015/0133584(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트와 르베스타 지에이티 리미티드의 공동소유)에 기재된 것과 같은 카복실레이트 그래프트 중합체이다. 또 다른 CMA는 구오 등의 미국공개 2015/0065614(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트 공동소유)에 기재되어 있는 아민 화합물을 에폭시 화합물과 반응시켜서 형성되는 기능화 폴리아민이다. 또 다른 적합한 CMA는 WO 2010/040796 A1(콘스트럭션 리서치 앤드 테크놀로지 게엠베하 소유)에 기재된 것과 같은 소수성 화합물을 이소시아네이트와 반응성인 1개 이상의 기를 반응시켜 형성되는 화합물이다.
본 발명의 이 밖의 콘크리트 투여 방법 및 시스템에서는, (i) 콘크리트 슬러리 내로 CMS를 2회 이상 첨가하기 전과 후의 콘크리트 슬러리의 시간경과에 따른 슬럼프 값(예: 수송 이력)을 측정하고; 또 (ii) 콘크리트 슬러리 내로 1개 이상의 화학제 혼합물을 2회 이상 첨가하기 전과 후의 콘크리트 슬러리의 시간경과에 따른 슬럼프 값(예: 수송 이력)을 측정하여; (iii) (i) 및 (ii) 양쪽의 수송 이력을 프로세서 유닛으로 접근 가능한 메모리 위치에 저장할 수가 있다. (i) 및 (ii) 양쪽의 수송 이력은 예를 들어 노트북 컴퓨터의 스크린 또는 모니터 또는 스마트폰 화면에서 도1 내지 도3 에 도시한 방식으로 그래프로 설명할 수가 있다. CMA를 첨가한 후의 콘크리트의 행태는 도 4 에서와 같이 도시할 수가 있다.
이 밖의 예시적인 본 발명 모니터링 방법 및 시스템에서는 콘크리트를 모니터하는 프로세서 유닛에 시간 경과에 따른 슬럼프의 정확한 상태를 측정하는 기타 각종의 프로세스를 추가 결합하도록 프로그램밍 함으로써 시간 경과에 따른 슬럼프의 감지하기 어려운 변화를 감지해서 대치할 수가 있다.
예를 들어 시간 경과에 따른 콘크리트 슬럼프 손실(dS/dt 값)의 감지 정확도를 향상시키기 위해서 콘크리트 슬럼프에 영향을 미치는 온도와 같은 수화 인자를 확인하는 프로세스 단계를 생각해 볼 수가 있다.
다른 예로서 또한 슬럼프 하락이 콘크리트 내의 공기함량 감소와 관련이 있을 수 있으므로, 콘크리트 슬러리의 공기 함량을 모니터하기 위한 프로세스 단계를 생각해 볼 수도 있다(단, 슬럼프와 공기함량 사이의 상응 관계는 모든 경우에 성립되지는 않는다는 것이 콘크리트 산업계에서 일반적 생각이다). 그러나, 미국특허 제8,491,717호와 제8,764,273호(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트 소유)에서 코엘러와 로버트는 유동적 변형(rheology-modified) 혼합물(예: 폴리카복실레이트 중합체 시멘트 분산제)과 공기 조절제(예 발포제)의 투여를 동시에 추적하기 위한 시스템을 개시하였다. 따라서 추가로 예시되는 본 발명 방법 및 시스템은 콘크리트 로드내의 CMA 투여와 관련하여 분산제와 공기 조절제를 모니터링 하는 단계를 포함한다.
콘크리트 내로 CMA를 투여하고, 또 콘크리트 슬러리 로드을 모니터 하는 경우에 온도, 공기함량 인자 또는 이들 양쪽을 고려한 예시적인 방법은 다음의 단계로 설명된다. 이 시스템은 콘크리트 로드의 슬럼프를 측정하고, 이 측정값을 사용자가 자동화 슬럼프 모니터링 시스템에 입력해 놓은 "표적(target)" 슬럼프의 값과 비교하며, 또 측정한 슬럼프와 "표적"슬럼프 간의 차이를 비교해서 이 차이가 시스템의 사용자 또는 프로그래머가 사전에 설정한 "슬럼프 허용치"를 초과하는지 여부에 따라 이 시스템이 자동적으로 프로세스 단계를 이어갈 수 있도록 프로그래밍 되고, 슬럼프 손실률이 미리 설정한 임계치를 초과할 경우에는 프로세스 단계가 제동된다.
a. 콘크리트 슬러리의 슬럼프 측정
b. 표적슬럼프에서 측정슬럼프를 뺀 값이 슬럼프 허용치(예: 0.5 인치) 보다 큰 경우에는 단계(c)로 계속; 그렇지 않은 경우는 단계(a)로 돌아간다.
c. 슬럼프 손실률 측정
d. 슬럼프 손실률에서 표적슬럼프 손실률을 뺀 값이 슬럼프 손실률 허용치(예: 1 인치/시간 임계치) 보다 큰 경우에는 단계(e)로 계속; 그렇지 않은 경우는 단계(n)으로 이동한다.
e. 콘크리트 온도 및 온도 변화율 측정
f. 온도 및 변화율이 수화에서 기인 된 슬럼프 손실을 나타내지 않는 경우에는 단계(g)로 계속
g. 콘크리트 공기 및 공기 변화율 측정
h. 공기 및 변화율이 공기로 기인된 슬럼프 손실을 나타내지 않는 경우에는 단계(i)로 계속
i. 현 단계에서 CMA 투여 카운트수가 허용된 최대치(약 3배)를 초과하는 경우에는 단계(n)으로 이동; 그렇지 않은 경우는 단계(j)로 계속
j. CBA 추가 투여(예: MBV로 측정한 점토함량 기준으로 또는 이전 투여량 조정 기준으로). CMA 투여 카운트를 1만큼 증가시킨다.
k. CMA를 콘크리트에 완전히 혼합하는데 필요한 시간을 기준으로, 드럼이 X회 회전할 때까지 기다린다.
l. 슬럼프 손실률 측정
m. 슬럼프 손실률이 감소하지 않는 경우에는 관리하는 CMA 투여량을 증가시키고, 단계(j)로 돌아간다
n. 슬럼프를 표적슬럼프 범위 내로 하도록 고성능감수제를 첨가하고 단계(o)로 계속
o. 분산제가 트럭의 콘크리트 로드와 혼합하는데 필요한 시간을 기준으로, 드럼이 Y회 회전할 때까지 기다린 후 단계(a)로 돌아간다.
본 발명의 추가되는 실시태양에서 자동화 슬럼프 시스템은 폴리카복실레이트 유동화제 혼합물이 혼합기 드럼 내에 포함된 콘크리트 슬러리 내로 투여된 후에 콘크리트 슬러리 내에서의 슬럼프 이득을 감시하도록 프로그래밍 되며, 프로세서 유닛이 투여된 HRWR의 양에 대한 기대와는 달리 모니터된 슬럼프가 증가하지 않을 때에는 프로세서 유닛은 임계치(dS/dt)를 조정하거나 또는 혼합기 드럼으로 투여되는 CMA의 양을 조정하거나(예: 증가시키거나), 또는 이 모두를 조정하도록 프로그래밍 될 수 있다. 따라서 예시적으로 추가되는 본 발명의 방법은 폴리카복실레이트 유동화제(HRWR) 혼합물을 수송 중에 콘크리트 슬러리 내로 첨가하는 단계; 폴리카복실레이트 유동화제 혼합물 첨가에 이어 바로 경과 시간에 대한 콘크리트 슬러리의 슬럼프 증가(dS)를 모니터해서 상기 HRWR을 첨가한 후의 경과시간에 대한 dS 값을 얻는 단계와 수득한 dS 와 프로세서 유닛으로 접근할 수 있는 메모리 위치에 저장된 제2의 dS 임계치와 비교하는 단계; 수득한 dS 값이 메모리 위치에 저장된 제2의 dS 임계치와 맞지 않거나 초과하는 것을 검출하는 단계; 또 제2의 dS 임계치가 맞지 않음이 검출되면 청구항 제1항의 (ii)에 기재하고 있는 저장된 dS/dt 임계치를 조정하거나, 콘크리트 슬러리 내로 투여되는 점토 경감제(CMA)의 조절된 투여량을 조정하는 단계를 포함한다.
자동화 슬럼프 모니터링 시스템은 상술한 방식으로 프로그래밍해서 혼합기 드럼 내로 투여되는 CMA의 투여량 및/또는 CMA 검출 임계치를 조정함으로써 PC 분산제가 점토에 추가 흡착하는 것을 방지한다. 자동화 슬럼프 모니터링 프로세서에 감지된 지시 및 알람은 운전자, 콘크리트 혼합기 트럭 또는 슬럼프 모니터링 시스템을 위한 중앙관제실에 전달되어 주어진 콘크리트 배치 로드이 수정이 필요하다는 사실을 관계자에게 알린다.
본 명세서에서는 한정된 수의 실시태양으로 본 발명을 기술하였으나, 본 명세서에 기재되고 청구된 본 발명의 범위를 이 실시태양들로 한정하기 위한 것이 아니며, 기재된 실시태양으로부터 수정과 변형이 가능하다. 보다 구체적으로, 다음의 실시예들은 청구된 발명의 실시태양을 구체적으로 설명하기 위해 제시된 것으로 본 발명이 실시예에 설정된 특정 사항으로 한정되지 않는다.
실시예에서의 모든 퍼센트와 부는 특별한 설명이 없는 한 건조 중량을 기준 한 것이다.
실시예 1
본 실시예에서는 시멘트 371 kg/m3, 모래 860 kg/m3, 돌 1009 kg/m3, 고형 모래 0.2%의 소디움 몬모릴로나이트, 물 178 kg/m3, 고형 시멘트 0.14%의 고성능 감수제(HRWR)와 8% 고형 점토의 점토 경감제(CMA)를 포함하는 고성능 감수제 콘크리트 혼합물 디자인을 사용하였다. HRWR은 미국 마사츄세츠 캠브리지 소재의 그레이스 콘스트럭션 프러덕츠에서 상표명 ADVACAST
Figure pct00006
575로 시판되고 있다.
혼합 프로토콜은 0.0396 m3의 콘크리트를 사용하는 실험용 팬 혼합기로 수행하였다. 일차로 돌, 모래 및 물을 1분간 고속으로 혼합하고, 이어 시멘트를 첨가해서 1분간 고속으로 혼합한 연후에 HRWR+CMA를 첨가하여 2분간 고속으로 혼합하였다. 초기 혼합 사이클 경과 후에 콘크리트의 슬럼프 테스트를 수행하였다. 테스트 후에 콘크리트를 추가 5분간 고속으로 혼합하고, 화학제를 첨가하였다. 이 콘크리트를 다시 2분간 고속으로 혼합한 연후에 슬럼프 테스트하였다. 이 과정을 2번 더 반복해서 도합 4번의 화합물 첨가와 해당하는 슬럼프 측정을 수행하였다.
첫번째 실시예에서, 제1의 케이스의 경우 첨가된 화합물은 매번 0.026% 고형시멘트 함유 HRWR과 50g 세척수이었다. 제2 및 제3 케이스의 경우는 매번 동일한 양의 HRWR를 첨가하고, 또 추가 분마다 1.5% 고형 점토 함유 CMA를 첨가하였다. 제2 및 제3 케이스에서는 2개의 상이한 CMA를 사용하였다. 첫번째 CMA는 중량 평균 분자량 70 내지 250,000을 가지며, 카르복시산/폴리알킬렌기의 몰비가 2 미만인 카복실레이트 그래프트 중합체 이었으며[미국 공개공보 2015/0133584호(더블유.알.그레이스 앤드 캄파니-콘넥티커트와 르베스타 지에이티 리미티드의 공동소유)참조], 두번째 CMA는 WIPO 출원(공개번호 WO 2009/127893 A1 에스.피.씨.엠. 에스에이 소유)에 기재된 바와 같은 기능화 (폴리)아민이었다.
시험 결과는 슬럼프(인치) vs 시간(분) 그래프로 플롯해서 도 1에 도시하였다.
화합물 첨가 시간은 14분, 24분 및 34분이었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 첫번째 혼합 후 PC 첨가에 CMA 첨가를 보완함에 따라 슬럼프가 개선되고, 따라서 HRWR의 효율 또한 개선되었다. 이론적으로 설명할 수는 없으나, CMA 1과 CMA 2 그 자체는 시멘트 분산 능력이 없는 것으로 보이므로, 이 같은 결과는 콘크리트 혼합공정 기간 중에 교반 되는 콘크리트 슬러리 내에서 발생하는 고 전단력으로 인하여 더 많은 점토 표면이 형성됨을 의미하는 것으로 본 발명자들은 판단하고 있다. 더욱이 상이한 형태의 CMA 화합물들이 점토 현상을 지적하는데 있어서 유사한 작용을 하고 있으므로 이는 화합물 고유 특성에 기인한 것이 아님을 알 수 있다.
실시예 2
본 실시예에서는 동일한 혼합 디자인과 혼합 프로토콜을 사용하였다. 그러나, 사용하는 초기 CMA를 케이스에 따라 달리하였다. 케이스 1: 처음은 0.13% 고형 시멘트 함유 HRWR 및 8% 고형 점토 함유 CMA 2 사용, 추가 첨가는 0.026% 고형 시멘트 함유 HRWR 사용(혼합 기간 중에는 CMA 첨가 없음). 케이스 2: 처음은 0.13% 고형 시멘트 함유 HRWR 및 8% 고형 점토 함유 CMA 2 사용, 추가 첨가는 0.026% 고형 시멘트 함유 HRWR 및 1.5% 고형 점토 함유 CMA 2 사용. 케이스 3: 처음은 0.13% 고형 시멘트 함유 HRWR 및 12.5% 고형 점토 함유 CMA 2 사용, 추가 첨가는 0.026% 고형 시멘트 함유 HRWR 사용(혼합 기간 중에는 CMA 첨가 없음). 케이스 3에서 첨가한 CMA 2의 양은 케이스 2에서 첨가한 CMA 2의 총량과 동일하며, 케이스 3은 초기에 모두 첨가하고, 혼합 기간 중에는 첨가하지 않았다.
시험 결과는 슬럼프(인치) vs 시간(분) 그래프로 플롯하여 도 2에 도시하였다.
화합물 첨가 시간은 각각 14분, 24분 및 34분이었다. 전과 같이 첫번째 혼합 후 CMA 첨가로 슬럼프가 놀라울 정도로 개선되었으며, 따라서 HRWR의 효율 또한 개선되었다. 이 밖에도 CMA는 초기 배칭 이후에 첨가하는 것이 바람직하다(처음에 첨가하지 않아야 한다: 케이스 2 및 케이스 3의 비교 결과임).
실시예 3
본 실시예에서는 동일한 혼합 디자인을 사용하였으나, 상이한 혼합 프로토콜을 사용하였다. 화합물을 매 10분 단위로 투여하던 것을 실험용 혼합기를 회전시키는데 필요한 회전력을 시간 경과에 따라 모니터하였다. 슬럼프가 감소하면 더욱 강한 회전력을 필요로 한다. 회전력 레벨이 설정된 슬럼프와 상응하여 설정된 임계치를 넘어서면 화합물이 투여된다. 따라서, 상이한 방법에서의 화합물 투여으로 일정 시간 경과 후에 슬럼프가 유지된다.
3개의 상이한 화합물 투여 프로토콜을 비교하였다. 이 모든 프로토콜에서 초기에 0.12% 고형시멘트 함유 HRWR 투여를 사용하였다. 제1 프로토콜은 10% 고형 점토 함유 CMA 1의 초기 투여를 포함한다.이후의 화합물 투여은 일정하게 유지하였으나,회전력 레벨이 53%(모터 지정회전력의 %)를 초과한 다른 시점에 배출하였다. 이 화합물 첨가는 0.01% 고형시멘트 함유 HRWR 투여과 0.8% 고형 점토 함유 CMA 1 투여으로 구성된다. 제2 프로토콜은 16% 고형 점토 함유 CMA 1의 초기 투여를 포함한다.이는 제1 프로토콜에서 사용된 CMA 1 총량과 동일한 양이다. 추가 투여은 0.01% 고형시멘트 함유 HRWR 뿐이다(혼합 기간 중에는 CMA 첨가 없음). 제3 프로토콜은 초기에 CMA 를 장입하지 않았다. 후속되는 첨가에서 제1 프로토콜과 유사하게 0.01% 고형 시멘트 함유 HRWR 투여과 0.8% 고형 점토 함유 CMA 1 투여를 사용하였다.
콘크리트에 장입된 화학제 혼합물의 누계 장입량(고형물/시멘트로 환산)을 시간에 따라 그래프로 플롯하고, 이를 도 3에 도시하였다.
54분 경과 후에 슬럼프를 측정하였다. 3개 프로토콜 모두가 동일한 슬럼프를 나타내었다. 도시한 바와 같이 3개의 프로토콜 모두가 동일한 엔드 슬럼프를 나타내었으나, CMA를 모두 혼합공정기간에서만 첨가한 제3 프로토콜에서 첨가된 화학제 총량의 사용효율을 가장 높일 수 있었다. CMA를 처음(콘크리트의 운송기간이 아닌)에 모두 첨가하는 선행기술 방법과 비교할 경우 본 발명의 시차를 두고 첨가하는 프로토콜을 사용함으로써 첨가되는 화학제를 11% 줄일 수 있다.
실시예 4
마지막 실시예로, 베리파이 엘엘씨(미국 마사츄세츠 캠브리지 휘트모어 에비뉴 62에 소재하는 그레이스 콘스트럭션 프로덕트의 한 부서)에서 시판되고 있는 Verifi
Figure pct00007
슬럼프 모니터링 시스템을 장착한 7.65 m3 레미콘 트럭으로 현장시험을 수행하였다.
시험의 요점은 배칭 후의 CMA 첨가가 슬럼프 손실률에 영향을 미친다는 것을 입증하는 것이다. 고성능 감수제 콘크리트 혼합물 디자인은 시멘트 357 kg/m3, 플라이 애쉬 89 kg/m3, 모래 1053 kg/m3, 돌 696 kg/m3, 물 153 kg/m3, 0.15% 고형 시멘트 함유 시멘트 분산제를 고성능 감수제 형태(HRWR)로 함유하는 것을 사용하였다. 모래는 메틸렌 블루 흡착에 근거하여 나트륨-몬모릴로나이트 당량 점토 함량을 측정하는 ASTM C1777에 따라 검사하였다. 모래는 약 1.0% 나트륨-몬모릴로나이트 당량 점토 함량으로 함유되었다. 배치 공정동안 초기에는 점토 경감제(CMA)를 첨가하지 않았다.
트럭은 대부분의 물로 일괄처리되고, 이어 돌과 모래, 이어서 시멘트와 플라이 애쉬 또, 마지막으로 잔유수와 함께 HRWR이 배치되었다. 배치 후에 드럼 속도를 3 rpm으로 설정하였다. Verifi
Figure pct00008
모니터링 시스템을 통해 정상압력(유압충진압력과 유압해제압력 사이의 차이)과 드럼 속도가 모니터 되었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 콘크리트가 배칭된 시간(UTC 시간으로 19:38) 약 2.5분 후에 콘크리트 혼합물을 회전시키는데 필요한 정상적인 유압이 증가하기 시작하였고, 슬럼프 손실의 보상이 현저하였다. UTC 시간 19:41에 1.89 리터의 CMA 1을 드럼에 첨가하였다. 이는 약 1.3% 고형점토(초기 점토 함량)에 해당한다. 결과적으로, 압력 증가(예: 슬럼프 손실) 속도가 감소하였으며 또 실제 압력도 감소하기 시작하였다. CMA 1은 슬럼프 손실률에 영향을 미치고 있었다. 본 발명 방법에 따라, UTC 시간 19:45에 시멘트 분산제(예: HRWR)가 첨가되어 슬럼프를 정상적인 표적(target)으로 가져왔다. 이 시스템은 콘크리트 슬럼프를 모니터하고, 또 설정된 슬럼프 표적에 벗어나는 것을 검출하도록 프로그램되었다.
도 4로부터 혼합하는 도중에 CMA를 첨가하면 슬럼프 손실을 늦출 수 있으며, 또 슬럼프 손실을 역전시킬 수 있음을 알 수가 있다.
전술한 실시예와 실시태양들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 청구범위를 이들 범위로 한정하는 것이 아니다.

Claims (22)

  1. 프로세서 유닛을 사용한 자동화 방식으로, 회전식 혼합기 드럼에서 혼합 플랜트로부터, 콘크리트 슬러리가 전달되는 건설현장으로 수송하는 동안 콘크리트 슬러리의 슬럼프를 모니터하는 단계를 포함하고, 상기 콘크리트 슬러리는 시멘트 결합제, 물, 골재 및 점토를 포함하고, 상기 점토는 점토 경감제 부재시에 화학제 혼합물을 흡수하고, 또한 콘크리트 슬러리에 첨가된 시멘트 분산제 또는 다른 화학제 혼합물의 투여 효율을 감소시키기에 충분한 양으로 콘크리트 슬러리 내에 존재하며,
    상기 자동화된 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛은,
    (i) 수송시 일정 시간(t)에 걸쳐 회전식 혼합기 드럼 내에서의 콘크리트 슬러리의 슬럼프 손실(dS)를 측정하여 dS/dt 값을 얻고,
    (ii) 상기 측정된 dS/dt 값을 프로세서 유닛에 의해 접근되는 기억 장소에 저장된 임계치 dS/dt 값과 비교하고,
    (iii) 상기 측정된 dS/dt 값이 저장된 임계치 dS/dt 값을 충족하는지 또는 초과하는지를 검출하며,
    상기 측정된 dS/dt 값이 저장된 임계치 dS/dt 값을 충족하거나 또는 초과하면, 프로세서 유닛은 수송시 회전식 혼합기 드럼 내의 콘크리트 내에 제어된 정량의 점토 경감제의 투여를 개시하며, 투여된 CMA는 자동화된 슬럼프 프로세서 유닛으로 측정된 바와 같이 dS/dt 값을 감소시키기에 효과적인, 콘크리트 투여 방법.
  2. 제1항에 있어서, 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛은 상기 단계 (i), (ii) 및 (iii)을 반복함으로써 수송시 점토 경감제를 적어도 두 개의 스태거 방식으로 콘크리트에 투여되는, 콘크리트 투여 방법.
  3. 제2항에 있어서, 슬럼프 모니터링 컴퓨터 프로세서는 콘크리트에 점토 경감제(CMA)의 투여를 개시하며, 이에 의해 콘크리트가 회전식 혼합기 드럼 내로 일괄 처리되는 혼합 플랜트가 아니라 콘크리트 슬러리에 투여되는 CMA 전체 용적의 적어도 21% 이상 100%가 수송시 콘크리트 슬러리에 투여되는, 콘크리트 투여 방법.
  4. 제2항에 있어서, 슬럼프 모니터링 컴퓨터 프로세서는 콘크리트에 점토 경감제(CMA)의 투여를 개시하며, 이에 의해 콘크리트가 회전식 혼합기 드럼 내에 일괄 처리되는 혼합 플랜트가 아니라 콘크리트 슬러리에 투여되는 CMA 전체 용적의 적어도 51% 이상 100%가 수송시 투여되는, 콘크리트 투여 방법.
  5. 제2항에 있어서, 슬럼프 모니터링 컴퓨터 프로세서는 콘크리트에 점토 경감제(CMA)의 투여를 개작하며, 이에 의해 콘크리트가 회전식 혼합기 드럼 내에 일괄처리되는 혼합 플랜트가 아니라 콘크리트 슬러리로 투여되는 CMA 전체 용량의 적어도 81% 이상 100%가 수송시 콘크리트 슬러리에 투여되는, 콘크리트 투여 방법.
  6. 제1항에 있어서, CMA에 추가해서, 수송시 적어도 2개의 상이한 방식으로, 적어도 하나의 다른 화학제 혼합물을 수송시 콘크리트에 투여하는 단계를 더 포함하는, 콘크리트 투여 방법.
  7. 제6항에 있어서, 적어도 하나의 다른 화학제 혼합물은 중성능감수제 또는 고성능감수제로부터 선택된 시멘트 분산제인, 콘크리트 투여 방법.
  8. 제7항에 있어서, 시멘트 분산제는 수송 동안 적어도 2개의 스태거 방식으로 CMA와 동시에 투여되는, 콘크리트 투여 방법.
  9. 제7항에 있어서, 시멘트 분산제는 CMA가 수송 동안 적어도 2개의 스태거 방식으로 투여된 후에 투여되는, 콘크리트 투여 방법.
  10. 제1항에 있어서, 수송 동안 콘크리트 슬러리의 온도를 측정하는 단계와 온도 데이터를 얻는 단계 및 수득된 온도 데이터에 기초하여 저장된 임계치 dS/dt 값을 조정하는 단계를 더 포함하는, 콘크리트 투여 방법.
  11. 제1항에 있어서, 콘크리트 슬러리의 공기 함량이 수송시 모니터되고 공기함량 데이터가 얻어지며, 저장된 임계치 dS/dt 값의 조정이 얻어진 공기함량 데이터에 기초하는, 콘크리트 투여 방법.
  12. 제1항에 있어서, 회전식 혼합기 드럼은, 혼합기 드럼의 회전시 콘크리트 슬러리를 교반하기 위한 적어도 2개의 혼합용 칼날에 나선형으로 장착된 내벽을 갖는. 콘크리트 투여 방법.
  13. 제2항에 있어서, 콘크리트 슬러리 내로 CMA의 적어도 2회의 각각의 후 일괄처리 후, 자동화 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛은 조절된 양의 물 또는 CMA를 제외한 적어도 하나의 화학제 혼합물을 콘크리트 슬러리 내로 투여하기 시작하는, 콘크리트 투여 방법.
  14. 제13항에 있어서, 자동화 슬럼프 모니터링 프로세서 유닛은, 콘크리트 슬러리 내에 적어도 하나의 화학제 혼합물의 조절된 양의 별도의 부가를 개시하고, 상기 적어도 하나의 화학제 혼합물은 시멘트 분산제, 발포제, 소포제 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는, 콘크리트 투여 방법.
  15. 제14항에 있어서, 프로세서 접근가능 메모리에, (i) 콘크리트 슬러리 내에 CMS의 2회 이상 첨가의 전과 후의 콘크리트 슬러리의 수송 이력, (ii) 콘크리트 슬러리 내에 적어도 하나 화학제 혼합물의 2회 이상 첨가의 전과 후의 콘크리트 슬러리의 수송 이력, 및 (iii) (i)과 (ii) 모두의 콘크리트 슬러리의 수송 이력을 저장하는 단계를 더 포함하는, 콘크리트 투여 방법.
  16. 제15항에 있어서, (i)과 (ii) 모두의 수송 이력을 그래프로 도시하는 것을 더 포함하는, 콘크리트 투여 방법.
  17. 제1항에 있어서, CMA는 4급아민, 폴리4급아민, 디메틸아민과 에피클로로히드린의 중축합체, 기능화 아민, 카복실레이트 그래프트 중합체, 양이온성 공중합체 및 이들의 혼합물과 유도체로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 콘크리트 투여 방법.
  18. 제1항에 있어서, 혼합기 드럼 내에 함유된 주어진 콘크리트 로드 내로 부가되는 CMA의 누계 총량의 일부가 혼합 플랜트에서 주입되고, 배치형 플랜트에서 부가되는 일부는 CMA 누계 총량의 49% 이하를 포함하는, 콘크리트 투여 방법.
  19. 제1항에 있어서, (ASTM C494-13의 감수제 표준 사양에 따라) 새로운 콘크리트 내로 단독으로 투여될 경우 CMA는 점토 부재하에서 그 자체로 감수 능력이 없거나 또는 최소인, 콘크리트 투여 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    수송 동안 콘크리트 슬러리 내로 폴리카복실레이트 고성능 감수제(HRWR) 혼합물을 첨가하는 단계:
    폴리카복실레이트 고성능 감수제 혼합물 첨가후 바로 시간 경과에 따른 콘크리트 슬러리의 슬럼프 증가(dS)를 모니터해서 상기 HRWR 첨가 후 상기 기간동안에 대한 dS 값을 수득하는 단계;
    수득한 dS 값을 프로세서 유닛으로 접근 가능한 메모리 위치에 저장된 제2 임계치 dS 값과 비교하는 단계;
    수득한 dS 값이 메모리 위치에 저장된 제2 임계치 dS 값을 충족하지 않거나 또는 벗어나는 것을 검출하는 단계;
    제2 임계치 dS 값을 충족하지 않는 것으로 검출된 경우에는 제1항의 (ii)에 기술하고 있는 저장된 임계치 dS/dt 값을 수정하거나, 콘크리트 슬러리 내로 투여되는 CMA의 조절된 투여량을 수정하거나 또는 이 2개 모두의 수정을 하는 단계를 더 포함하는, 콘크리트 투여 방법.
  21. 혼합기에 2개 이상의 형태로 점토 경감제(CMA)를 투여하는 단계를 더 포함하고, 콘크리트에 첨가되는 CMA 총량의 적어도 21% 내지 100%가 혼합기에서 콘크리트 슬러리를 형성하도록 물, 시멘트 결합제 및 점토함유 골재의 최초 배칭 후 첨가되는, 콘크리트 투여 방법.
  22. 제1항의 방법을 실시하도록 프로그래밍된 프로세서 유닛을 구비한 자동화 슬럼프 모니터링 시스템.
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