KR20190079617A - 다성분 모르타르 시스템 - Google Patents

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KR20190079617A
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alumina cement
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KR1020197012413A
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도린 소트뢰이
막심 리어드
올리비에 에르
모하메드 케이더
디디에 루텐스
앤-클레어 르그랭
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시카 테크놀러지 아게
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Abstract

본 발명은 성분 A 및 성분 B를 포함하는 다성분 모르타르 시스템에 관한 것이되, - 성분 A는 알루미나 시멘트, 적어도 1종의 침강 저해제, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함하고, 그리고 - 성분 B는 침강 저해된 알루미나 시멘트에 대한 개시제 시스템, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함한다. 다성분 모르타르 시스템은 사용이 용이하고 수선 및 재연마에 그리고 특히 3D 구조 인쇄에 적합하다.

Description

다성분 모르타르 시스템
본 발명은 다성분 모르타르 시스템 및 수선 및 재연마를 위한 그리고 3D 구조를 인쇄하기 위한 그의 용도에 관한 것이다.
2성분 모르타르 시스템은 보통 시멘트 및 선택적으로 다른 분말 첨가제를 함유하는 분말 성분 및 물 및 선택적으로 다른 액체 첨가제를 함유하는 액체 성분으로 구성된다. 이들 시스템은 성분들을 혼합함으로써, 분말 성분 중의 시멘트가 부식성 분진을 형성하고, 주변을 오염시키며 흡입될 때 건강 문제를 야기할 수 있다는 단점에 시달린다. 게다가, 자동화 시스템에서 분말 공급은 액체 물질의 공급보다 훨씬 더 복잡하며, 모르타르가 정적 믹서에 의해 혼합될 때 분말은 종종 막힘을 야기한다.
이들 문제는 현탁액의 형태로 시멘트를 함유하는 액체 성분을 이용함으로써 해결될 수 있다. 시멘트를 현탁시키기 위한 가장 통상적인 액체는 물이다. 그러나, 시멘트가 물과 접촉될 때, 수화가 시작되어 시멘트의 침강 및 상기 시멘트의 경화를 야기한다. 시멘트의 경화는 잘 공지된 지연제에 의해 지연될 수 있다. 그러나, 포틀랜드 시멘트의 지연은 며칠, 몇 개월 또는 몇 년동안 지속되지 않는다. 따라서, 이러한 수성의 2성분 모르타르 시스템의 성분을 함유하는 시멘트는 실용화할 만큼 충분히 길게 저장할 수 없다. 물 대신 유기 용매의 사용은 실행 가능하지 않은데, 대부분의 유기 용매가 가연성이고/이거나 건강에 해로우며, 온실 효과에 기여하거나 모르타르가 원인인 추가적인 문제가 남기 때문이다.
포틀랜드 시멘트에 대조적으로, 알루미나 시멘트의 수화는 몇 개월 또는 심지어 몇 년 동안 저해될 수 있다. 미국 특허 제2010/0175589호는 알루미나 시멘트 침강의 저해제로서 붕산 또는 붕산염의 용도를 기재한다. 미국 특허 제2014/0343194호는 이 목적을 위한 인산염 함유 침강 저해제의 용도를 기재한다. 이들 기재된 침강-저해 알루미나 시멘트 현탁액은 양호한 저장 안정성을 가진다. 이러한 침강-저해된 알루미나 시멘트 현탁액의 수화는 pH 증가에 의해 개시될 수 있다. 그러나 이들 시스템은 단점을 가진다. 기재된 알루미나 시멘트 현탁액은 고비용을 야기하는 알루민산칼슘을 함유하고, 침강을 개시하는 데 필요한 다량의 수산화물 및 가속기를 야기하는 데, 이는 추가로 비용을 상승시키고, 시스템의 부식을 향상시킨다.
따라서, 경제적, 환경적 및 실용적 관점으로부터, 침강-저해된 알루미나 시멘트에 기반한 모르타르용의 기존의 용액은 개선이 필요하다.
3D 인쇄는 다양한 목적을 위해 3차원(3D) 구조를 생성하는 데 널리 사용되는 기법이다. 3D 인쇄에서, 3D 물체는 컴퓨터 제어 하에 위치된 물질의 층을 적용함으로써 생산된다. 물질은 노즐을 통해 형성 가능한 점성 상태로 압출 성형되고, 침착 후에 빠르게 경화된다. 통상적으로 사용되는 물질은 열가소성 중합체이다. 무기 물질의 3D 인쇄는 중합체의 인쇄보다 더 도전적이다. 이미 기재된 단점을 갖는 분말 성분의 형태로 포틀랜드 시멘트를 사용하여 시멘트계 물질의 3D 인쇄를 이용하는 일부 시도가 또한 알려져 있다.
최신식 모르타르가 혼합되고 적용될 때, 노즐 밖으로 전달된 신선한 모르타르는 전형적으로 양호한 자기 지지성 물질을 제공하기 위해 필요한 항복응력을 즉시 나타내지 않는다. 따라서, 형성될 것으로 의도되는 구조는 침강이 시작되고 자기 지지되기에 충분한 강도가 생길 때까지 지지되어야 한다. 그러나, 이는 추가적인 생산 단계가 필요하며, 비용 및 시간의 증가와 관련된다. 그리고 강하게 촉진된 최신식 모르타르는 제어가 어려우며, 그들을 적용하기 전에 그들이 경직 또는 경화를 시작할 수 있는데, 이는 펌프 또는 노즐의 막힘을 야기할 수 있다.
따라서 본 발명의 작업은 수선 및 재연마에 적합한 그리고 특히 인쇄 3D 구조에 적합한, 형성된 구조의 내구성이 개선된 비용 효율적이고 안전한 다성분 모르타르 시스템을 제공하기 위한 것이다.
놀랍게도 이 작업은 성분 A 및 성분 B를 포함하는 다성분 모르타르 시스템으로서, 성분 A는 알루미나 시멘트, 적어도 1종의 침강 저해제, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함하고, 그리고 성분 B는 침강 저해된 알루미나 시멘트에 대한 개시제 시스템, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함하는, 다성분 모르타르 시스템에 의해 충족될 수 있다는 것이 발견되었다.
알루미나 시멘트를 함유하는 모르타르 시스템의 성분 A는 액체 또는 페이스트-유사 성분이다. 이는 분진을 야기하는 일 없이 안전한 조작을 허용한다. 다성분 모르타르 시스템의 성분은 그것으로부터 생산된 신선하고 경화된 모르타르의 생산 및 성능 품질에 대한 상당한 영향 없이 몇 개월 또는 심지어 몇 년 동안 저장될 수 있다.
놀랍게도, 모르타르 시스템은 매우 낮은 알루미나 시멘트 함량으로 그리고 개시제 시스템 내 저함량의 알칼리성 화합물에서 고강도 및 고내구성의 경화된 몸체 형태의 침강 모르타르를 가능하게 한다. 고함량의 알칼리성 화합물은 전형적으로 성분 B의 그리고 모르타르의 높은 부식을 야기하기 때문에, 이는 모르타르의 비용 및 내구성에 대해 그리고 모르타르 시스템을 이용하여 작업하는 사람들의 건강에 대해 유리하다.
특이하게 소량의 알루미나 시멘트 및 최적화된 충전제 시스템을 이용하는 바람직한 모르타르 시스템은 고도로 바람직한 최신식 시스템에 비교할 때 놀랍게 낮은 수축 및 감소된 다공성을 나타낸다.
붕산 또는 이의 염이 없는 바람직한 모르타르 시스템은 특히 낮은 독성을 가진다.
본 발명의 다성분 모르타르 시스템은 수선 및 재연마에 특히 적합하다. 혼합할 준비가 된 성분 A 및 B를 둘 다 이용하여, 특히 사용이 용이하고 반가공품(do-it-yourself) 시장에 완벽하게 적합하다.
놀랍게도, 본 발명의 다성분 모르타르 시스템은 인쇄 3D 구조에 특히 적합하여, 성분의 혼합 직후에 자기-지지 구조를 가능하게 하고, 단기간의 시간 내에 고강도 모르타르로 경화시킨다. 이 시스템은 이미 적용된 층의 상부에 또는 측면에 의해 적용된 층 사이에 긴 대기 시간 없이 매우 용이한 방법으로 3D 구조를 형성하기 위한 액체 또는 페이스트-유사, 바로 사용 가능한 성분으로부터 직접 인쇄될 수 있는 첫 번째 무기 물질이다. 흐름 현상(sagging) 없이 자기-지지성인 그의 유동학적 특성 및 그의 강도의 빠른 증강은 로봇 시스템을 이용하여 3D 적용분야에 대해 사용될 때 우수한 성능을 가능하게 한다.
본 발명의 추가 양상은 추가적인 독립항의 대상이다. 특히 바람직한 실시형태는 종속항의 대상이다.
본 발명의 대상은 성분 A 및 성분 B를 포함하는 다성분 모르타르 시스템이되,
- 성분 A는 알루미나 시멘트, 적어도 1종의 침강 저해제, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함하고, 그리고
- 성분 B는 침강 저해된 알루미나 시멘트에 대한 개시제 시스템, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함한다.
본 문헌에서, 용어 "모르타르"는 시멘트의 수화 반응 후에 경화된 몸체를 형성할 수 있는 적어도 1종의 시멘트 및 적어도 1종의 추가적인 광물성 충전제뿐만 아니라 경화된 몸체 그 자체를 포함하는 수성 분산물을 의미한다.
용어 "다성분 모르타르 시스템"은 별개의 용기에 저장될 때 모두 저장 안정성이며, 혼합될 때 신선한 모르타르를 형성하고, 침강 시 3차원(3D) 구조를 갖는 경화된 몸체를 형성하는 2 이상의 성분으로 이루어진 시스템을 지칭한다.
용어 "신선한 모르타르"는 혼합 직후에 다성분 모르타르 시스템의 성분을 혼합함으로써 얻어지는 모르타르를 지칭한다.
용어 "자기-지지성"은 외력이 적용되지 않는 한, 배치 또는 압출 직후에 모든 방향에서 본래 치수의 약 10% 내에서 구조를 유지하는 모르타르를 지칭한다. 따라서, 모르타르가 10㎜ 폭 및 10㎜ 높이의 비드로서 압출될 때, 경화된 모르타르 비드는 높이가 9 내지 10㎜이고 폭이 10 내지 11㎜이다.
용어 "알루미나 시멘트"는 알루미나 농도가 30 내지 80중량% 범위인 시멘트를 지칭한다.
"침강 저해제"는 적절한 투여량으로 사용된다면 며칠 내지 몇 개월 또는 심지어 몇년까지 동안에 물과 시멘트의 반응을 저해할 수 있는 성분 또는 성분의 혼합물을 지칭한다. 따라서, "침강 저해제"는 또한 "침강에 대한 차단제"로 불린다. 본 발명의 범주에서 "침강 저해제"의 작용은 "개시제 시스템"의 사용에 의해 제거될 수 있어야 한다.
"지연제"는 보통 침강 전에 작업성 시간을 연장시키기 위해 사용되는 성분이다. 지연제의 효과는 보통 일정 시간동안(며칠동안은 아님) 지속된다.
따라서 침강 저해제를 함유하는 시멘트 조성물은 또한 "침강-저해된 시멘트"로 명명된다.
용어 "침강-저해된 알루미나 시멘트"는 본 발명의 다성분 모르타르 시스템의 성분 A의 부분으로서 침강 저해제와 알루미나 시멘트의 혼합물로서 이해된다.
용어 "침강-저해된 알루미나 시멘트에 대한 개시제 시스템"은 적절한 투여량으로 사용된다면, 개시제 시스템이 침강-저해된 알루미나 시멘트와 혼합된 후에 단시간 내에 알루미나 시멘트가 침강할 수 있도록 침강 저해제의 저해 효과를 보상할 수 있는 성분 또는 성분의 혼합물을 지칭한다.
용어 "수화 반응에 대한 촉진제"는 물과 알루미나 시멘트의 수화 반응을 그것이 시작하자마자 촉진시키는 성분 또는 성분의 혼합물을 지칭한다. 바람직하게는, 본 문헌의 맥락 내에서, 촉진제는 침강 저해제의 침강 저해 효과를 극복하기 위해 사용되지 않는다. 그러나, 일부 성분 또는 성분의 혼합물은 침강-저해된 알루미나 시멘트에 대한 개시제로서 그리고 수화 반응에 대한 촉진제로서의 방법 둘 다에서 작용할 수 있다. 바람직하게는, 개시제와 촉진제는 2종의 상이한 성분이다.
용어 "광물성 충전제"는 시멘트와 상이하고 보통 크기가 1㎜ 미만인 분말 또는 작은 크기의 무기 물질을 지칭한다.
다성분 모르타르 시스템의 성분 A는 고알루미나 시멘트 또는 알루민산칼슘 시멘트로 알려진 알루미나 시멘트를 포함한다.
알루민산칼슘 시멘트의 침강은 적합한 침강 저해제에 의해 며칠, 몇 개월 및 심지어 몇 년 동안 저해될 수 있고, 알루미나 시멘트가 단 시간 내에 종국적으로 경화되도록 저해는 개시제 시스템에 의해 극복될 수 있다. 이는 침강 없이 장시간 동안 수성 현탁액으로서 저장될 수도 또는 개시제 시스템에 의해 재활성화될 수도 없는 포틀랜드 시멘트 및 설포알루민산칼슘 시멘트와 대조적이다.
적합한 알루미나 시멘트는, 예를 들어, 상표명 터널(Ternal)(등록상표), 예를 들어 터널(등록상표) 화이트 또는 터널(등록상표) RG; 또는 세카르(Secar)(등록상표), 예를 들어, 세카르(등록상표) 51; 또는 시멘트 폰듀(Ciment Fondu)(등록상표) 하에 프랑스 케르네오스사(Kerneos)로부터 상업적으로 입수 가능하다.
성분 A 중의 알루미나 시멘트의 양은 바람직하게는 10 내지 50중량%, 더 바람직하게는 10 내지 40중량%, 훨씬 더 바람직하게는 10 내지 25중량% 및 가장 바람직하게는 10 내지 20중량% 미만의 범위이다. 비용 관점에서 소량의 알루미나 시멘트가 바람직하며, 소량의 침강 저해제 및 소량의 개시제가 가능한데, 이는 높은 내구성의 경화된 모르타르를 가능하게 한다.
성분 A는 알루미나 시멘트에 대한 적어도 1종의 침강 저해제를 함유한다. 알루민산칼슘 수화물을 형성하는 복잡한 수화 반응에서 알루미나 시멘트는 물과 반응한다. 경화된 몸체를 형성하는 시멘트와 물의 이런 반응은 시멘트의 침강으로 불린다. 성분 A가 알루미나 시멘트의 경직 또는 경화 없이 며칠 또는 몇 개월 또는 심지어 몇 년 동안 수성 현탁액으로서 저장되어 성분 A의 양호한 저장 안정성을 가능하게 하도록, 침강 저해제는 성분 A 중의 알루미나 시멘트의 이런 침강 반응을 저해한다.
침강 저해제는 바람직하게는 인 화합물, 예컨대, 인산, 메타인산, 아인산, 포스폰산, 아미노알킬 포스폰산 및 포스포노 알킬 카복실산으로부터; 또는 붕산 또는 붕산의 염으로부터 선택된다. 선택적으로, 침강 저해제는 추가로 추가적인 화합물, 예컨대, 카복실산, 하이드록시 카복실산 또는 아미노산을 함유할 수 있다.
산성 침강 저해제는 성분 A의 pH를 감소시킬 수 있는데, 이는 성분 A의 저장 안정성을 추가로 증가시킨다. 바람직하게는, 신선하게 제조된 성분 A의 pH는 4 내지 8, 더 바람직하게는 5 내지 7.5, 훨씬 더 바람직하게는 6 내지 7이다. 이는 성분 A의 양호한 저장 안정성을 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 성분 A는 붕산 또는 이의 염이 없다. 붕산 및 이의 염은 상당히 독성이기 때문에 이는 고도로 유리하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 성분 A는 적어도 인산염계 침강 저해제를 포함한다. 인산염계 침강 저해제는 침강 저해된 알루미나 시멘트 슬러리의 우수한 장기간 안정성을 제공한다. 이러한 슬러리는 그들의 적용 가능성을 상실하는 일 없이 몇 개월 내지 2년 이상까지 동안 저장될 수 있다. 적용 직전에 개시제와 혼합될 때, 그들은 빠르게 경화하는 모르타르를 생산한다.
성분 A 중의 침강 저해제의 양은 침강 저해제의 유형, 알루미나 시멘트의 유형 및 양 및 성분 A의 목적으로 하는 저장 시간에 의존한다. 성분 A 중의 침강 저해제의 양이 높을수록, 수화 반응을 개시하기 위한 성분 B 중의 개시제의 필요한 양은 더 높다. 바람직하게는 침강 저해제는 10 내지 50℃에서 적어도 1주 내지 약 2년, 더 바람직하게는 2개월 내지 1년, 훨씬 더 바람직하게는 3개월 내지 1년 동안 성분 A 중의 알루미나 시멘트의 수화를 저해하기 위한 양으로 첨가된다.
수성 슬러리 형태로 적합한 침강-저해된 알루미나 시멘트는 미국 특허 제2014/0343194호에 기재되어 있다. 그들은, 예를 들어 프랑스에 소제한 케르네오스사로부터 상표명 엑살트(Exalt) 하에 상업적으로 입수 가능하다.
다성분 모르타르 시스템의 성분 B는 침강-저해된 알루미나 시멘트에 대한 개시제 시스템을 포함한다. 성분 A와 성분 B를 혼합함으로써, 개시제 시스템은 보통 시스템의 pH를 증가시킴으로써 침강-저해 효과를 극복할 수 있고, 수화 반응을 시작하여, 종국적으로 모르타르를 침강하도록 야기하는데, 이는 경화된 몸체를 형성한다.
바람직하게는, 성분 B 중의 개시제 시스템은 알칼리 수산화물, 알칼리 토류 수산화물, 물과 접촉할 때 알칼리 토류 산화물 또는 알칼리 산화물과 같은 수산화물을 생성할 수 있는 화합물, 알칼리 규산염, 알칼리 알루민산염, 아민 및 이들의 혼합물을 포함한다.
이들 중에서 아민, 알칼리 토류 수산화물, 알칼리 토류 산화물 및 알칼리 수산화물이 바람직하다.
아민, 특히 수용성 유기 아민은 수화 반응을 개시하는 데 매우 효과적이다. 바람직한 아민은 하이드록시알킬아민, 특히 에탄올아민, 다이에탄올아민, N-메틸에탄올아민 또는 N-메틸 다이에탄올아민이다. 이들 아민은 충전제와 용이하게 혼합되고, 목적으로 하지 않는 방법으로 성분 B의 점성도를 증가시키지 않는다.
성분 B 중의 하이드록시알킬아민의 함량은 바람직하게는 1 내지 10중량%, 더 바람직하게는 1 내지 6중량% 범위이다. 1중량% 미만의 성분 B 중의 하이드록시알킬아민의 농도에서, 모르타르의 경화는 너무 느리고/느리거나 강도 발생이 불충분할 수 있었다. 성분 B 중의 보다 고농도의 하이드록시알킬아민은 성분 B의 그리고 신선한 모르타르의 나쁜 냄새를 야기할 수 있다.
알칼리토류 수산화물 및 알칼리 토류 산화물, 특히 수산화칼슘 및 산화칼슘은 분말로서 이용 가능하며, 용이하게 조작될 수 있다. 그들은 저농도에서 이미 수화 반응을 개시할 수 있다.
알칼리 수산화물, 특히 수산화나트륨은 낮은 가격으로 이용 가능하며, 냄새가 없고, 저농도에서 이미 수화 반응을 개시할 수 있다.
성분 B 중의 알칼리 토류 또는 알칼리 수산화물의 함량은 바람직하게는 0.05 내지 4중량%, 더 바람직하게는 0.05 내지 2중량%의 범위이다. 특정 실시형태에서, 범위는 바람직하게는 0.05 내지 1중량%, 및 더 바람직하게는 0.05 내지 0.5중량% 미만이다. 성분 B 중의 저농도의 알칼리 토류 또는 알칼리 수산화물은 이들 수산화물이 부식 효과를 갖기 때문에 유리하다. 더 나아가, 이들의 다량은, 특히 탄산칼슘이 광물성 충전제로서 사용된다면, 슬러리의 점성도를 증가시킨다. 따라서, 목적으로 하는 점조도를 얻기 위해 더 많은 물이 필요한데, 이는 경화된 모르타르의 강도에 대해 부정적 효과를 가진다.
바람직하게는, 개시제 시스템은 알칼리성 화합물에 추가로 수화 반응에 대한 촉진제를 포함한다.
상이한 성분의 사용(하나는 수화 반응을 개시하고 하나는 그를 가속화시킴)은 시작 및 수화 반응 속도 및 강도 발생의 제어를 가능하게 한다.
촉진제는 바람직하게는 리튬, 나트륨 또는 칼륨의 황산염, 탄산염, 염화물 및 플루오린화물, 및 이들의 혼합물 또는 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 촉진제는 리튬 유도체이다. 리튬 유도체는 바람직하게는 황산리튬, 탄산리튬, 탄산수소리튬, 수산화리튬 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
특히 바람직한 촉진제는 황산리튬이다. 모든 유형의 황산리튬, 예컨대, 무수 황산리튬, 황산리튬 일수화물, 황산수소리튬 또는 황산수소리튬 일수화물이 적합하며; 황산리튬 일수화물이 바람직한데, 수중 황산리튬 일수화물의 용해도가 무수 황산리튬보다 더 높기 때문이다.
다른 특히 바람직한 촉진제는 탄산리튬 또는 탄산수소리튬, 바람직하게는 탄산리튬이다. 특히 매우 미세한 분말로서 탄산리튬은 강한 촉진 효과를 가지며, 모르타르가 몇 분 내에 침강할 수 있게 한다.
성분 B 중의 리튬 유도체 함량은 바람직하게는 0.05 내지 8중량%, 더 바람직하게는 0.05 내지 4중량%, 훨씬 더 바람직하게는 0.05 내지 2중량%, 및 가장 바람직하게는 0.1 내지 2중량% 범위이다.
본 발명의 다성분 모르타르 시스템은 성분 A 및 B 이외의 제3 성분 C를 함유할 수 있다. 성분 C는 섬유, 착색제, 에폭시 수지, 중합체 라텍스 또는 폴리우레탄 수지를 포함할 수 있거나 또는 거품일 수 있다.
유리하게는, 다성분 모르타르 시스템의 성분 A 및 성분 B는 둘 다 별개로 적어도 1종의 광물성 충전제를 포함한다.
광물성 충전제는 바람직하게는 탄산칼슘, 돌로마이트, 이산화티타늄, 이산화규소, 비산회(fly ash), 슬래그, 강모래, 퇴적물로부터의 모래 및 부순돌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군의 물질로부터 선택된다.
탄산칼슘 충전제는 백악, 석회암 및 대리석으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이러한 탄산칼슘 충전제는, 예를 들어 스위스에 소재한 오미아사(Omya)에 의해 생산되고, 예를 들어 상표명 오미아카브(Omyacarb)(등록상표), 오미아라이트(Omyalite)(등록상표) 및 베토플로(Betoflow)(등록상표) 하에 시판된다.
이산화규소는 실리카흄(또한 실리카 연기 또는 마이크로 실리카로서 알려짐), 침강 실리카, 규사 및 석영 분말로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 실리카흄 및 침강 실리카는 주로 비정질 이산화규소로 이루어진다. 실리카 분말로도 불리는 석영 분말 미세하게 분쇄된 규사이다. 규사 및 석영 분말은 주로 결정질 이산화규소로 이루어진다.
비산회는 전력 생성 식물에서 미분탄 연소의 부산물이며, 배기가스로부터 수집된다. 비산회는 실리카, 알루미나, 철 및 칼슘을 함유하는 규산염 유리로 주로 이루어진 미세한 분말이다.
고로 슬래그로도 불리는 슬래그는 철 광석, 코크스 및 플럭스(예를 들어 석회암 또는 돌로마이트)가 용광로에서 함께 용융될 때, 비금속성으로 형성된다. 용융 상태로부터의 냉각 및 경화 기간 동안에, 슬래그는 몇 가지 방법으로 냉각되어 몇 가지 유형의 슬래그 생성물을 형성한다. 슬래그는 미세한 분말의 형태로 사용된다.
미세하게 분쇄된 탄산칼슘은, 잠재 수경성이 아님에도 불구하고, 경화된 모르타르의 최종 강도 증가에 기여할 수 있다. 따라서, 성분 A 또는 성분 B 중 하나에서 또는 둘 다에서 그것을 사용하는 것이 유리하다.
바람직하게는, 성분 A 중의 광물성 충전제는, 성분 A 중의 광물성 충전제의 총 중량을 기준으로, 적어도 50중량% 탄산칼슘, 더 바람직하게는 적어도 60중량%, 및 가장 바람직하게는 적어도 75중량%를 포함한다.
바람직하게는, 성분 B 중의 광물성 충전제는, 성분 B 중의 광물성 충전제의 총 중량을 기준으로, 적어도 50중량% 탄산칼슘, 더 바람직하게는 적어도 60중량%, 및 가장 바람직하게는 적어도 75중량%을 포함한다.
더 바람직하게는 실시형태에서, 성분 A와 성분 B는, 둘 다 각각 별개로, 각각의 성분 내 광물성 충전제의 충 중량을 기준으로, 적어도 50중량% 탄산칼슘, 더 바람직하게는 적어도 60중량%, 및 가장 바람직하게는 적어도 75중량%를 포함한다.
특정 실시형태에서, 성분 A와 성분 B는 각각 별개로 둘 다 광물성 충전제로서 100중량% 탄산칼슘을 포함한다.
비산회 또는 슬래그가 모르타르 시스템에 존재한다면, 그들은 바람직하게는 성분 A의 부분이다. 그들은 둘 다 소위 잠재 수경성 결합제인데, 이는 첨가제의 존재 하에서 그들이 물과 반응하여 경화된 몸체를 형성할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 그들은 경화된 모르타르의 최종 강도에 기여할 수 있는데, 이는 유리하다.
바람직한 실시형태에서, 성분 A는 30 내지 78중량%, 더 바람직하게는 50 내지 78중량%, 훨씬 더 바람직하게는 51 내지 78중량% 및 가장 바람직하게는 60 내지 78중량% 광물성 충전제를 함유한다.
바람직한 실시형태에서, 성분 B는 65 내지 86중량%, 더 바람직하게는 70 내지 86중량% 및 가장 바람직하게는 75 내지 86중량%, 광물성 충전제를 함유한다.
고함량의 충전제는 모르타르 시스템에 의해 생산된 경화된 구조의 비용 및 내구성의 이점을 갖는 저함량의 알루미나 시멘트를 갖는 모르타르를 가능하게 한다.
바람직한 모르타르 시스템에서, 성분 A는, 성분 A의 총 중량의 기준으로, 10 내지 50중량% 알루미나 시멘트 및 30 내지 78중량% 광물성 충전제를 포함하고, 성분 B는, 성분 B의 총 중량을 기준으로, 65 내지 86중량% 광물성 충전제를 포함한다.
바람직하게는 성분 A와 성분 B가 둘 다 각각 별개로 높은 고체 함량을 갖는데, 나머지는 성분 A에 대해 물이고, 성분 B에 대해 물 + (존재한다면) 아민이다. 높은 고체 함량은 슬러리의 저장 안정성을 증가시키는데, 이는 슬러리가 분리 또는 블리딩(bleeding) 없이 균질하게 남아있다는 것을 의미하며, 낮은 물 함량은 경화된 모르타르 강도에 대해 긍정적 효과를 가진다.
성분 A 및 성분 B의 고체 함량이 강하게 다르다면, 특히 성분 A가 높은 고체 함량을 갖는 현탁액이고, 성분 B가 50중량% 이하의 고체 함량을 갖는 수용액 또는 현탁액이라면, 이는 특히 손으로 또는 정적 믹서를 이용하여 혼합할 때 성분 A 및 성분 B의 균질한 혼합에 대한 문제를 야기할 수 있다.
바람직하게는 성분 A 중의 물의 함량은 10 내지 25중량%, 더 바람직하게는 10 내지 20중량%, 및 가장 바람직하게는 10 내지 18중량%이다. 바람직하게는 성분 B 중의 물 함량은 10 내지 25중량%, 더 바람직하게는 12 내지 22중량% 및 가장 바람직하게는 12 내지 20중량%이다.
바람직하게는 성분 A 및 성분 B는 각각 별개로, 다음의 중량 조성물을 가진다.
성분 A는 바람직하게는 10 내지 19중량%의 알루미나 시멘트, 60 내지 78중량%의 광물성 충전제, 0.01 내지 5중량%의 첨가제(침강 저해제를 포함), 및 10 내지 18중량% 물을 함유한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 성분 B는 70 내지 86중량% 광물성 충전제, 0.05 내지 2중량% NaOH, 0.05 내지 2중량% 리튬 염, 0 내지 5중량% 첨가제, 및 12 내지 22중량% 물을 함유한다.
본 발명의 추가적인 바람직한 실시형태에서, 성분 B는 70 내지 86중량% 광물성 충전제, 1 내지 6중량% 하이드록시알킬아민, 0.05 내지 2중량% 리튬 염, 0 내지 5중량% 첨가제, 및 12 내지 22중량% 물을 함유한다.
목적으로 하지 않는 양으로 점성도를 증가시키는 일 없이 성분 A 및 성분 B에서 이러한 높은 고체 함량을 달성하기 위해, 광물성 충전제 및 알루미나 시멘트의 입자 크기 분포의 철저한 제어는 중요하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 성분 A 및 성분 B 중의 광물성 충전제 입자의 적어도 85중량%는 0.3㎜보다 작고, 바람직하게는 0.2㎜보다 작다.
특히 바람직한 실시형태에서, 성분 A 및 성분 B 중의 광물성 충전제 입자의 40 내지 80중량%는 10㎛보다 작고, 성분 A 및 성분 B 중의 광물성 충전제 입자의 70 내지 100중량%는 100㎛보다 작다.
이러한 입자 크기 및 광물성 충전제는 분리되는 낮은 경향, 양호한 저장 안정성 및 성분의 용이한 운반 및 혼합, 및 특히 적용 직후 고강도를 갖는, 특히 경화된 모르타르 시스템의 압축 강도가 8시간 후에 5㎫ 초과인 경화된 모르타르를 가능하게 한다.
가장 바람직한 실시형태에서, 성분 A 및 성분 B의 입자 크기 분포는 매우 유사하다. 바람직한 입자 크기 분포는 다음의 제한 내이다:
5 내지 30중량%의 입자는 1㎛보다 작고,
30 내지 65중량%의 입자는 5㎛보다 작으며,
40 내지 75중량%의 입자는 10㎛보다 작고,
70 내지 100중량%의 입자는 100㎛보다 작으며,
80 내지 100중량%의 입자는 200㎛보다 작고,
90 내지 100중량%의 입자는 400㎛보다 작다.
이러한 입도분석(granulometry)을 이용하는 모르타르 시스템은 균질하게 그리고 빠르게, 특히 또한 정적 믹서를 이용하여 혼합될 수 있고, 성분의 혼합 직후에 자기-지지성인 모르타르를 가능하게 한다. 이러한 모르타르 시스템은 3D 인쇄 공정에서 로봇 시스템을 이용하여 적용하는 데 특히 적합하다.
성분 A 및 성분 B는 둘 다 별개로 추가로 첨가제를 함유할 수 있다. 이러한 첨가제는 바람직하게는 분산제, 안정화제, 수축 감소제, 소포제, 공기 연행제, 칼슘 착화제, 유동 개질제, 착색제 및 살생물제로부터 선택된다.
착색된 모르타르의 생산을 위해, 유기 또는 무기 염료 또는 착색제가 첨가될 수 있다. 이 경우에, 성분 A 및 성분 B 중의 광물성 충전제는 바람직하게는 백색, 예컨대, 분말 또는 분쇄된 백색 대리석 또는 이산화티타늄 또는 이들의 혼합물이고, 성분 A 중의 알루미나 시멘트는 또한 백색, 예컨대, 터널(등록상표) 화이트(프랑스에 소재한 케르네오스사)이다.
적합한 분산제는, 특히, 시멘트질 물질, 예컨대, 하이드록시 카복실산, 리그노설폰산, 설폰화된 아세톤 폼알데하이드 축합물, 설폰화된 멜라민 축합물, 설폰화된 나프탈렌 축합물, 중합체 쇄의 말단에 포스폰산 또는 인산염기를 갖는 폴리알킬렌 글리콜, 음이온성기 및/또는 그들의 염 및 폴리알킬렌 글리콜 쇄가 연결된 골격을 포함하는 빗살형 중합체(comb polymer)에 대한 가소제 또는 초가소제이되, 음이온성기는 카복실산, 설폰산, 황산염, 포스폰산 및 인산염으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직한 분산제는 카복실산기 또는 그들의 염 및 폴리알킬렌 글리콜쇄를 함유하는 빗살형 중합체인 폴리카복실 에터(PCE)이다.
적합한 분산제는 특히 탄산칼슘에 대한 분산제, 예컨대, 음이온성기를 함유한는 선형, 수용성 중합체이되, 음이온성기는 카복실산, 설폰산, 황산염, 포스폰산 및 인산염으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직한 분산제는 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 아크릴산과 메타크릴산의 공중합체 또는 아크릴산 또는 메타크릴산과 말레산 또는 이타콘산의 공중합체이다.
유동 개질제는 바람직하게는 합성 및 천연 중합체 및 개질된 천연 중합체로부터 선택된다. 이러한 유동 개질제는, 예를 들어 셀룰로스 에터 또는 에스터, 개질된 전분, 잔탄검, 웰란검, 디우탄검(diutan gum) 또는 카라기난이다. 메틸 셀룰로스, 하이드록시에틸 셀룰로스, 메틸-하이드록시에틸 셀룰로스, 디우탄검 또는 잔탄검이 바람직하다.
유동 개질제는 또한 작은 크기의 섬유, 바람직하게는 셀룰로스 섬유, 예컨대, 아보셀(Arbocel)(등록상표) 섬유(미국에 소재한 JRS사)일 수 있다.
다성분 모르타르 시스템의 양호한 신선하고 경화된 성능을 위해, 특히 3D 인쇄에서 사용하기 위해 성분은 빠르고, 효율적이며 그리고 균질하게 혼합되는 것이 매우 중요하다.
점조도 및/또는 사용되는 양이 강하게 상이한 성분의 혼합은, 특히 손으로 또는 정적 믹서로 혼합할 때 어려울 수 있고, 혼합은 장시간이 필요할 수 있거나 또는 심지어 불충분하게 남아있을 수도 있다.
보통, 고함량의 고체를 갖는 현탁액은, 특히 정적 믹서가 사용될 때 철저하게 그리고 균질하게 혼합하는 것이 어렵다.
본 발명에서, 예상치 못하게 그리고 놀랍게도, 성분 A 및 성분 B는 임의의 분리 없이 용이하게 펌핑될 수 있다는 것과, 특히 정적 또는 동적 믹서에 의한 혼합은 성분이 둘 다 동일한 점조도라면(바람직하게는 저점성도를 갖는 페이스트임), 매우 균질하다는 것이 발견되었다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 성분 A 및 성분 B의 점조도는 각각 별개로, 25㎜의 플레이트 직경 및 2㎜의 갭으로 플레이트-플레이트 유량계(피지카(Physica) MCR 301, 오스트리아에 소재한 안톤파사(Anton Paar); 소프트웨어 레오플러스(Software Rheoplus))로 측정하여, 1s-1의 전단속도에서 20 내지 2,000㎩ . s, 바람직하게는 200 내지 1,900㎩ . s, 더 바람직하게는 500 내지 1,500㎩ . s 범위에서 소성 점성도를 갖는 페이스트-유사체이다.
본 발명의 특히 바람직한 실시형태에서, 성분 A 및 성분 B의 점조도는 각각 별개로, 상기 기재한 바와 같이 측정하여, 1s-1의 전단속도에서 20 내지 2,000㎩ . s, 바람직하게는 200 내지 1,900㎩ . s, 더 바람직하게는 500 내지 1,500㎩ . s 범위의 그리고 10s-1의 전단속도에서 5 내지 1,000㎩ . s, 바람직하게는 40 내지 800㎩ . s, 더 바람직하게는 60 내지 800㎩ . s의 범위의 소성 점성도를 갖는 페이스트 유사체이다.
성분 A 및 성분 B의 페이스트-유사 점조도 및 비슷한 점성도는 성분의 정확한 투여에 대해 이점을 가진다. 더 나아가, 이러한 성분은 혼합 장비로 그리고 이를 통해 용이하게 수송될 수 있고, 빠르고 균질하게 자기-지지성 및 속경화성 물질로 용이하게 혼합된다. 이들은 로봇 시스템에서 사용하기 위한 중요한 특성이다.
성분 A 및 성분 B의 생산은 임의의 특정 방법으로 제한되지 않는다. 각각의 모든 성분은 최종적으로 거시적으로 균질한 물질을 제공하기 위한 적합한 방법으로 혼합되는 반면, 특정 순서는 바람직하지 않다. 그러나, 침강-저해된 알루미나 시멘트 슬러리를 얻기 위해 알루미나 시멘트, 침강-저해제 및 적어도 일부의 물을 별개로 혼합하는 이점을 가진다. 성분 A 및/또는 성분 B의 혼합 동안 또는 별개의 단계에서, 연행 공기는, 예를 들어 진공을 적용함으로써 제거될 수 있다. 성분에서 공극은, 특히 정적 믹서 및 로봇 인쇄 시스템이 사용될 때에 성분의 부적절한 투여, 부적절한 혼합 및 건설 구조의 파괴를 야기한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 다성분 모르타르 시스템의 성분은 그들이 몇 개월에서 2년 이상까지 동안에 그들의 적용 가능성을 상실하는 일 없이 저장될 수 있는 경우에 별개의 용기에 각각 포장되고, 적용 직전에 혼합되어 빠르게 침강하는 모르타르를 생산한다. 성분을 저장하기 위한 적합한 용기는 바람직하게는 방수, 특히 카트리지, 소시지, 백(bag), 캔, 양동이, 홉복(hobbock), 드럼 또는 소위 중형 벌크 컨테이너(intermediate bulk container: IBC 컨테이너)이다. 바람직하게는, 성분 A 및 성분 B에 대한 용기는 각각 별개로 플라스틱 물질로 이루어지거나 또는 내부 코팅을 가진다.
성분은 유리하게는 상호 분리된 챔버로 이루어진 패키지로 제공된다.
2성분 조성물의 경우에, 적합한 패키지는 2개의 상호 분리된 챔버를 갖는 패키징으로 이루어지는데, 각각의 챔버는 2-성분 모르타르 시스템의 2성분 중 하나를 함유한다.
이 유형의 바람직한 패키지는 2개의 관 챔버가 서로에 대해 옆에 또는 다른 것 내부에서 하나로 배열되고 기밀 또는 수밀 방식으로 피스톤으로 폐쇄되는, 나란히 있는 이중 카트리지 또는 공축 카트리지이다. 이들 피스톤을 추진함으로써, 성분은 카트리지 밖으로 압착될 수 있다. 개구부 영역에서 챔버 개구부가 분리벽을 통해 서로 직접 연결되도록, 피스톤에 접하는 관의 측면은 가능하게는 어댑터를 통해 개질된다. 유리하게는, 챔버의 배출 개구부 영역에서, 정적 믹서 또는 동적 믹서가 단단히 부착될 수 있도록, 스레드(thread)가 적용된다.
다른 적합한 패키지는 다중 챔버 백이다. 이러한 패키지는 특히 작은 용도, 특히 1리터까지의 양을 채우는 데 바람직하다.
더 다량으로 사용하기 위해, 특히 건설 산업 또는 제조에서 사용하기 위해, 두 성분은 유리하게 채워지며, 드럼 또는 사일로(silos)와 같은 더 큰 용기에 저장된다. 사용 동안에, 성분은 피드 펌프를 통해 압착되고, 혼합 장치의 라인을 통한 측정에 의해 첨가된다.
모르타르 시스템을 사용하기 위해, 별개로 저장되는 성분이 함께 혼합된다. 페이스트 또는 현탁액을 균질하게 혼합하는 모든 방법이 적합하다. 성분은, 예를 들어 흙손 또는 스패튤라를 이용하여 손으로, 동적 또는 정적 믹서, 또는 둘 다의 조합을 이용하여, 지속적으로 또는 회분식으로 혼합될 수 있다. 성분 A 및 성분 B는 바람직하게는 상당한 점성도를 갖기 때문에, 이러한 시스템의 혼합은 낮은 또는 중간 혼합 속도 또는 혼합력에서조차 용이하고 빠르다.
따라서 본 발명의 다른 대상은 다성분 모르타르 시스템 중의 성분 A 및 성분 B 및 존재할 경우 추가적인 성분을 특히 정적 또는 동적 믹서에서 혼합함으로써 모르타르를 생산하는 방법이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 정적 믹서는 성분을 혼합하기 위해 사용된다. 정적 믹서에서, 혼합 요소는 압력 하에 정적 믹서로 공급되는 성분의 유동 에너지를 이용함으로써 성분의 균질한 내부 혼합을 제공하는 재킷에 배열된다. 정적 믹서는 사용이 용이하고, 저렴하며, 특히 반가공 시장에 대해 이점을 갖는 단방향 용도에 특히 적합하다.
정적 믹서에서 성분 A와 성분 B의 혼합을 위하여, 성분 둘 다 1s-1의 전단속도에서 20 내지 2,000㎩ . s, 바람직하게는 200 내지 1,900㎩ . s, 더 바람직하게는 500 내지 1,500㎩ . s 범위 그리고 10s-1의 전단속도에서 5 내지 1,000㎩ . s, 바람직하게는 40 내지 800㎩ . s, 더 바람직하게는 60 내지 800㎩ . s 범위의 거의 동일한 점성도를 가질 때 특히 유용하다.
감소된 강도를 야기할 수 있는 모르타르 내 원치않는 공기 연행 그리고 공극이 부적절한 침착 및 불만족스러운 표면 구조를 야기하는 것을 회피하기 위해 혼합 동안 진공이 적용될 수 있다.
다성분 모르타르 시스템 성분의 혼합 후에, 소위 신선한 모르타르를 혼합한 직후에, 최종적으로 경화된 물질로 침강하는 모르타르를 생성한다.
모르타르 시스템 성분을 혼합함으로써, 성분 A를 포함한 침강-저해된 알루미나 시멘트는 성분 B를 포함한 개시제 시스템과 접촉하게 된다. 개시제 시스템은 침강 저해된 알루미나 시멘트의 침강 저해 효과를 차단하지 않으며, 시멘트는 물과 반응하기 시작해서 알루민산칼슘 수화물을 형성하는데, 이는 최종적으로 3차원 구조를 갖는 경화된 몸체를 생성한다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 기재한 바와 같이 성분 A 및 성분 B 그리고 존재한다면 추가적인 성분을 혼합함으로써 얻어지는 모르타르이다.
성분 A와 성분 B가 혼합되는 적합한 비는 신선한 그리고 경화된 모르타르의 목적으로 하는 특성에 의존한다. 바람직하게는 성분 A 및 성분 B는 중량으로 10:1 내지 1:1, 더 바람직하게는 5:1 내지 1:1, 및 가장 바람직하게는 3:1 내지 1:1의 중량비로 혼합된다.
모르타르는 침강 및 경화 동안 그들의 용적을 변화시켜 일부 수축을 야기한다. 이것에 영향을 미치는 한 가지 인자는 화학 반응이다. 알루미나 시멘트의 수화 반응은 알루민산칼슘 수화물의 형성을 야기하는데, 이는 용적의 변화 다공성의 증가를 야기한다. 고함량의 알루미나 시멘트를 함유하는 모르타르는 전형적으로 고다공성 및 높은 정도의 수축을 나타낸다. 경화가 시작될 때, 수축 및 확장은 선형 변형을 야기하여 이 변형이 물질의 강도보다 더 높다면, 종국적으로 균열을 야기할 것이다.
알루미나 시멘트의 수화는 열을 생성한다. 고함량의 알루미나 시멘트를 함유하는 모르타르의 온도는 경화 동안에 80℃ 이상까지 상승될 수 있다. 이러한 고온은 크랙의 형성을 야기할 수 있는 경화 시스템에서 증가된 증기압을 유발할 수 있다.
다공질 및 균열이 생긴 경화된 몸체는 물리적 및 화학적 공격을 받는 경향이 있기 때문에, 다공성 및 균열은 최종적으로 감소된 내구성을 유발할 수 있다. 따라서 모르타르 중의 소량의 알루미나 시멘트는 경화된 물질의 내구성 관점으로부터 유리하다.
바람직하게는, 비수화 알루미나 시멘트로서 계산되는 신선한 모르타르 중의 알루미나 시멘트 함량은 신선한 모르타르의 중량을 기준으로 5 내지 45중량%, 바람직하게는 7 내지 35중량%, 더 바람직하게는 7 내지 25중량% 및 가장 바람직하게는 7 내지 19중량%이다. 이러한 저함량의 알루미나 시멘트는 모르타르의 비용 및 내구성 및 그것을 적용하는 사람의 건강에 관해 유리하다.
놀랍게도 이러한 소량의 알루미나 시멘트를 이용할 때조차, 적용 직후에 큰 강도를 갖는 경화된 물질이 본 발명의 다성분 모르타르 시스템으로, 특히 경화된 모르타르 시스템의 압축 강도가 8시간 후에 5㎫ 초과인 경화된 모르타르로 얻어졌다는 것을 발견하였다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 신선한 모르타르는 적어도 1종의 알칼리 토류 또는 알칼리 수산화물을 함유한다. 이러한 시스템에서, 신선한 모르타르 중의 알루미나 시멘트에 대한 수산화물의 양은 침강-저해제의 양 및 모르타르의 요망되는 침강 시간에 의존한다. 바람직하게는 신선한 모르타르 중의 수산화물(OH - )의 함량은 100g의 알루미나 시멘트당 0.05 내지 7.5g, 더 바람직하게는 0.05 내지 2.0, 훨씬 더 바람직하게는 0.05 내지 1.0 범위, 특정 실시형태에서 바람직하게는 0.05 내지 0.50g, 더 바람직하게는 0.05 내지 0.34g 범위이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 신선한 모르타르는 100g의 알루미나 시멘트당 바람직하게는 1 내지 50, 더 바람직하게는 2 내지 35 및 훨씬 더 바람직하게는 6 내지 30g 범위로 적어도 1종의 하이드록시알킬아민을 함유한다.
신선한 모르타르가 리튬 염을 함유한다면, 신선한 모르타르 중의 리튬(Li+)의 양은 100g의 알루미나 시멘트당 바람직하게는 0.01 내지 4.0g, 더 바람직하게는 0.01 내지 1.0, 훨씬 더 바람직하게는 0.01 내지 0.45, 및 가장 바람직하게는 0.01 내지 0.2g 범위이다.
다성분 모르타르 시스템으로부터 제조된 신선한 모르타르는 바람직하게는 성분을 혼합한 직후에 흐름 현상 없이 자기-지지성이다. 이 모르타르는 외력이 적용되지 않는다면, 배치 또는 압출 직후에 모든 방향에서 본래 치수의 약 10% 내에서 주어지는 그의 구조를 유지한다.
바람직하게는, 신선한 모르타르는 성분을 혼합한 직후에, 10로부터 0.1s-1로 감소되는 전단속도에서 25㎜의 플레이트 직경 및 2㎜ 갭으로 플레이트-플레이트 유량계(피지카 MCR 301, 오스트리아에 소재한 안톤파사; 소프트웨어 레오플러스)로 측정하여, 50 내지 5,000㎩, 더 바람직하게는 100 내지 2,000㎩, 가장 바람직하게는 100 내지 1,000㎩ 범위에서 항복응력을 가진다. 이러한 신선한 모르타르는 흐름 현상 없이 적용된 구조를 유지한다.
바람직한 시스템에서, EN 196-3에 따른 자동 비캇(Vicat) 장치로 측정하여 모르타르의 침강은 성분 A와 성분 B가 서로 접촉된 후에 1 내지 60분 내에, 바람직하게는 1 내지 30분 내에, 더 바람직하게는 1 내지 15분 내에, 훨씬 더 바람직하게는 1 내지 5분 내에 시작한다. 이는 모르타르의 혼합이 수초 내지 수분이 걸리기 때문에 유리하다. 따라서 침강은 혼합 장비에서 시작하지 않으며, 모르타르는 믹서를 차단하지 않는다. 모르타르의 침강이 시작될 때, 모르타르의 강도는 빠르게 증가한다.
바람직한 시스템에서, 모르타르는 성분 A와 성분 B가 서로 접촉되고 60분, 더 바람직하게는 40분, 훨씬 더 바람직하게는 30분, 가장 바람직하게는 20분 후에 EN 196-1에 따라 측정하여 적어도 1㎫의 압축 강도를 가진다. 이러한 시스템은 3D 인쇄에 특히 적합하다.
모르타르 시스템은 바람직하게는 수선 및 재연마를 위해 사용되며 전문적 용도뿐만 반가공 용도에 적합하다. 본 발명의 모르타르 시스템은 특히 용이하게 조작되는 바로 사용 가능한 시스템이다. 이는 콘크리트 및 모르타르 수선 작업, 예컨대, 구멍 또는 균열 채우기 또는 파손된 부분의 교환 또는 바닥 및 벽에서 개구부 방화 성능에 특히 적합하다. 속경화성 모르타르는 콘크리트 및 모르타르 구조의 응급 수선에, 특히 침수의 중단에 특히 유용하다.
더 나아가, 본 발명의 모르타르 시스템은 3D 인쇄에서 사용하기에 특히 적합하다.
이들 용도를 위해, 성분의 혼합 및 강도의 빠른 증강 직후에 양호한 자기-지지성 품질을 갖는 모르타르 시스템은 특히 유리하다.
본 발명의 추가적인 목적은 따라서 상기 기재한 바와 같은 모르타르 시스템의 용도이며, 이때 신선한 모르타르는 성분의 혼합 직후에 흐름 현상 없이 자기-지지성이고, 성분의 혼합 60분, 바람직하게는 40분, 더 바람직하게는 30분, 및 가장 바람직하게는 20분 후에 압축 강도는 적어도 1㎫이다.
바람직하게는, 신선한 모르타르는 상기 기재한 바와 같이 측정하여 50 내지 5,000㎩, 더 바람직하게는 100 내지 2,000㎩, 가장 바람직하게는 100 내지 1,000㎩ 범위의 항복응력을 가진다.
이러한 모르타르 시스템에서, 신선한 모르타르는 자기-지지성이지만 일정 시간 동안 여전히 변형 가능하고, 침강이 곧 시작되며, 압축 강도의 발생이 빠르다. 이들 품질은 수선 및 재연마에서 그리고 특히 3D 인쇄에서 매우 유리하다.
본 발명의 추가 대상은 3D 인쇄를 위한, 특히 로봇 시스템에 의한 3D 인쇄를 위한 기재된 모르타르 시스템의 용도이다.
3D 구조를 위한 로봇 시스템에서, 성분은 보통 질량 또는 용적에서 목적으로 하는 양의 성분을 목적으로 하는 속도로 믹서까지 전달할 수 있는 투여 장치를 통해 사전 정해진 양으로 투여된다. 정적 또는 동적 또는 둘 다의 조합일 수 있는 믹서에서, 성분은 혼합되고 신선한 모르타르가 노즐을 통해 전달되며 사전에 정해진 위치에 배치된다. 모르타르의 배치는 로봇 시스템에 의해 수행된다. 이 로봇 시스템은 믹서 및 노즐이 장착된 이동 가능한 로봇 아암으로 이루어질 수 있다. 로봇 아암은 모든 3차원에서 움직일 수 있으며, 사전에 정해진 또는 온라인으로 계산된 방법 및 속도로 움직인다. 신선한 모르타르는 연속적으로 또는 불연속적으로 보통 몇개의 층에서, 수직적 및/또는 수평적 방향으로 침착된다. 층은 다음의 수직층이 적용되기 전에 충분한 항복응력 또는 압축 강도를 가져야 하며, 다음층에 결합할 수 있다. 이는 개시제 및 촉진제 시스템의 적절한 선택 및 모르타르의 침착 속도에 의해 최적화될 수 있다.
따라서, 노즐에 의해 형성 가능하고, 흐름 현상이 없으며 자기-지지성이고, 단기간의 시간 후에 상부에 적용되는 신선한 모르타르의 다음층을 지지하기에 충분한 항복응력 및/또는 압축 강도의 빠른 발생을 갖도록, 성분 A 및 B 및 선택적으로 추가적인 성분은 신선한 모르타르가 믹서를 나갈 때 여전히 플라스틱 상태인 비로 혼합된다.
바람직한 실시형태에서, 이러한 방식에서 모르타르 시스템은 3D 인쇄용으로 사용되며, 그의 성분은 정적 또는 동적 믹서와 혼합되고, 혼합된 성분은 로봇 시스템에 의해 적용된다.
바람직한 실시형태에서, 3D 인쇄를 위해 사용되는 모르타르 시스템은 콘크리트 또는 모르타르 구조에서 전통적인 강화를 대체할 수 있는 섬유를 함유한다. 섬유의 크기는 혼합 시스템에 적합하고 혼합을 차단 또는 방해하지 않는 방식으로 선택된다. 섬유는 특히 선형 또는 분지형 금속 섬유, 플라스틱 섬유, 광물 섬유 또는 유리 섬유이고, 코팅 또는 비코팅된다. 섬유는 존재한다면, 성분 A 및/또는 성분 B의 부분일 수 있거나 또는 별개의 성분 C에 있을 수 있다.
따라서, 작은 조작으로부터 큰 건축물까지 다양한 형상 및 색의 3D 구조는 몰드 또는 다른 지지 시스템의 사용 없이 빠르고 효율적인 방식으로 생산될 수 있다.
적합한 로봇 시스템의 노즐은 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 바람직하게는 이는 원형 또는 정사각형 또는 직사각형 형상을 가진다. 노즐 배출구의 크기는 밀리미터 내지 센티미터의 범위일 수 있거나 또는 심지어 더 클 수 있다.
본 발명의 추가적인 대상은 하기 단계들:
i) 기재된 다성분 모르타르 시스템을 제공하는 단계,
ii) 상기 성분들을 정적 또는 동적 믹서로 혼합하고, 로봇 시스템을 이용하여 상기 혼합된 모르타르를 적용하여 3D 구조를 형성하는 단계, 및
iii) 상기 적용된 3D 구조를 경화시키는 단계를 포함하는 3D 구조를 인쇄하는 방법이다.
바람직하게는, 다성분 모르타르 시스템의 성분은 별개의 용기, 별개의 카트리지 또는 카트리지의 별개의 구획에 제공된다.
바람직하게는, 성분의 혼합은 거시적으로 균질한 신선한 모르타르가 얻어질 때까지 정적 믹서를 통해 성분들을 통과시킨 후에, 노즐을 통해 신선한 모르타르를 버림으로써 행해진다.
본 발명의 추가적인 목적은 상기 기재된 3D 구조를 인쇄하는 방법으로부터 얻은 3D 구조이다.
다양한 형성 및 색 또는 다색을 갖는, 실내 또는 실외 용도를 위한 다양한 3D 구조가 생산될 수 있다. 그들의 크기 및 설계는 사용되는 로봇 시스템에 의해, 특히 노즐의 형상에 의해서만 제한된다.
3D 구조는 바람직하게는 작은 크기의 물체, 예컨대, 테이블, 저장고, 의자, 스툴(stool), 가든 벤치 또는 작은 집, 예컨대, 정자, 개집, 장난감집 또는 새집, 또는 여물통, 꽃병, 냄비, 관, 그릇, 분수, 울타리 부분, 기둥, 장식적 요소 또는 기타 등, 또는 이들의 부분이다.
또한 더 큰 3D 구조, 예컨대, 벽, 집, 계단, 발코니, 바닥 또는 건물의 정면, 또는 이들의 부분을 생산하는 것이 가능하다.
원한다면, 인쇄된 3D 구조의 표면은 평탄화될 수 있다. 이러한 평탄화는 로봇 시스템의 부분으로서 또는 다른 수단으로 행해질 수 있다. 원한다면, 표면은 장식 및/또는 기능성 코팅으로 처리될 수 있거나, 또는 표면은 인쇄될 수 있다.
상기 기재한 3D 구조를 인쇄하기 위한 방법으로부터 얻은 3D 구조는 실외 사용에 특히 유리한 양호한 내구성을 가진다. 그들은 낮은 다공성을 갖고 균열이 없거나 또는 무시할 만하며, 최적화된 등급을 갖는 저함량의 알루미나 시멘트 및 고함량의 충전제에 의해 가능하게 된다. 표면이 시각적 균열 또는 구멍이 없기 때문에 구조는 좋은 미학적 양상을 가진다. 3D 인쇄 로봇 시스템에 의해 생산된 구조는 기하학적으로 매우 정확하고, 몰드 없이 작은 시리즈에서조차 빠르고 저렴한 방식으로 생산 가능하다.
실시예
다음의 실시예는 본 발명을 제한하지 않고 예시한다.
1. 물질
오미아카브(등록상표) 5(오미아(Omya))는 평균 입자 크기(D50%)가 2.5 내지 3㎛이고, 상부 절단(D98%)이 20㎛이며, 28중량%는 1㎛보다 더 작고, 86중량%는 10㎛보다 더 작으며 그리고 100중량%는 45㎛보다 더 작은, 대리석으로 이루어진 미세한, 백색 탄산칼슘 분말이다.
오미아카브(등록상표) 40-GU(오미아)는 평균 입자 크기(D50%)가 20㎛, 상부 절단(D98%)은 180㎛이며, 10중량%는 1㎛보다 작고, 36중량%는 10㎛보다 작으며, 69중량%는 45㎛보다 작고 그리고 88중량%는 100㎛보다 작은 대리석으로 이루어진 미세한, 미세한, 백색 탄산칼슘 분말이다.
오미아라이트(등록상표) 90(Omya)은 평균 입자 크기(D50%)가 1.5㎛이고, 상부 절단(D98%)은 25㎛이며, 27중량%는 1㎛보다 작고, 94중량%는 10㎛보다 작으며 그리고 99중량%는 45㎛보다 작은 천연, 초미세 탄산칼슘 분말이다.
석회암 Y 등급(오미아)은 평균 입자 크기(D50%)가 125㎛이고, 상부 절단(D98%)이 305㎛이며, 그리고 2.5중량%는 1㎛보다 작고, 6중량%는 10㎛보다 작으며, 12중량%는 45㎛보다 더 작고, 39중량%는 100㎛보다 더 작고 82중량%는 200㎛보다 더 작은 분쇄된 석회암 분말이다.
네카필(Nekafill)(등록상표) 15(칼크파브릭 네스탈(Kalkfabrik Netstal))은 평균 입자 크기(D50%)가 11㎛이고, 상부 절단(D98%)이 125㎛이며, 7.6중량%는 1㎛보다 작고, 49중량%는 10㎛보다 작으며, 77중량%는 45㎛보다 작고, 95중량%는 100㎛보다 작은 분쇄된 석회암 분말이다.
석영 분말 K8은 97중량%가 71㎛보다 작은 미세하게 분쇄된 석영(스위스에 소재한 카를로 베르나스코니(Carlo Bernasconi))이다.
규사 0.06 내지 0.2㎜는 평균 입자 크기(D50%)가 160㎛이고, 상부 절단(D98%)은 365㎛이고, 0.2중량%는 1㎛보다 작으며, 0.8중량%는 10㎛보다 작고, 1.1중량%는 45㎛보다 작으며, 9중량%는 100㎛보다 더 작고, 74중량%는 200㎛보다 더 작은 분쇄된 석영(오스트리아에 소재한 쿼츠베르크사(Quarzwerke))이다.
엑살트(프랑스에 소재한 케르네오스사)는 약 40중량% 물, 약 67중량% 알루미나를 갖는 약 58중량% 알루미나 시멘트를 함유하는 백색의 침강-저해된 알루미나 시멘트이고, 붕산이 없다.
터널(등록상표) LC(프랑스에 소재한 케르네오스사)는 50.8 내지 54.2중량%의 알루미나를 갖는 알루미나 시멘트이다.
비스코크레트(ViscoCrete)(등록상표) 510P(스위스에 소재한 시카(Sika))는 PCE-유형의 초가소성 분말이다.
소칼란(Sokalan)(등록상표) PA 15(BASF)은 45중량% 고체를 갖는 폴리아크릴산 Na염의 수용액이다.
메토셀(Methocell)(상표명) F4M(다우사(DOW))은 하이드록시프로필-메틸 셀룰로스이다.
켈코-크레트(Kelco-Crete)(등록상표)(CP 켈코사(CP Kelco))는 세균 다당류인 디우탄검 분말이다.
2. 측정 방법
탄산칼슘 충전제의 입자 크기 분포는 아이소프로판올을 용매로서 그리고 초음파 처리를 이용하여, 633 nm의 적색 레이저에 의한 정적 레이저 산란을 이용하는 분산 장치 퀵셀(Quixel)과 함께 헬리오(HELIO)(심파텍 게엠베하(Sympatec GmbH))를 이용하는 레이저 입도분석으로 측정하였다.
규사의 입자 크기 분포는 펄스 녹색광을 이용하여 가디스(Gadis)(중력에 의한 자유낙하)와 함께 퀵픽(Quicpic)(심파텍 게엠베하)을 이용하는 동정 영상 분석에 의해 결정하였고, 초당 300개의 사진을 촬영하고, EQPC를 이용하여 (ISO 13322-2 표준에 따라) 분석하였다.
모르타르의 건조 수축은 시험 표분 길이의 감소로서 기재하였다. 40㎜ 높이, 40㎜ 폭 및 160㎜ 길이를 갖는 스테인레스강의 U-형 수축-드레인을 사용하였다. 벽면 마찰을 피하기 위해, 드레인을 박리제로 처리하였다. 드레인의 한쪽 측면 상에서, 앵커를 고정시키고, 다른 측면 상에서, 다른 앵커는 이동 가능하다. 혼합 직후에 수축-드레인을 신선한 모르타르로 채웠다. 이동 가능한 앵커의 움직임은 고민감 디지털 프로브에 의해 기재하였다.
모르타르의 압축 강도는 40x40x160㎜ 크기의 프리즘 상에서 측정하였다. 몰드를 모르타르로 채우고 흙손을 이용하여 표면을 평탄화시킴으로써 혼합 직후에 표본을 생산하였다. 몰드를 실험실 내 20 내지 23℃에서 저장하였다. 일련의 프리즘을 생산하고 나서, 프리즘을 탈형하고 나서, 사전 결정한 시간 간격으로 시험하였다. 프리즘의 강도를 EN 196-1에 따라 측정하였다.
EN 196-3에 따라 1㎜ 바늘을 이용하는 자동 비캇 장치 비카트론(Vicatronic)을 이용하여 모르타르의 침강 시간을 측정하였다.
모르타르의 온도 발생은 준-단열(semi-adiabatic) 측정에 의해 측정하였다. 120g의 모르타르를 40㎜ 직경 및 50㎜ 높이의 분리된 컵에 채우고, 서모커플을 이용하여 온도를 측정하였다.
3. 성분 A 의 제조
성분 A 1 의 제조
표 1에 주어지는 양으로 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산(KitchenAid Model ARTISAN), 5KSM150)의 믹싱볼에 모든 분말 성분을 첨가하였다. 분말을 15초 동안 속도 1로 혼합하고 나서, 다음에 엑살트 및 물을 첨가하고, 모두 1분 동안 속도 2로 혼합하였다. 믹서를 중단시키고, 덩어리를 스패튤라를 이용하여 손으로 균질화시키고, 이어서, 2분 동안 속도 4로 다시 혼합하였다.
성분 A 1 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 5 150 30.0
오미아카브(등록상표) 40-GU 150 30.0
석회암 Y 등급 50 10.0
엑살트 100 20.0
수돗물 50 10.0
성분 A 2 의 제조
표 2에 주어지는 성분을 이용하여 성분 A 1 과 동일한 방법으로 성분 A 2 를 제조하였다.
성분 A 2 의 조성
g 중량%
네카필(Nekafill)(등록상표) 15 580.5 38.7
오미아라이트(등록상표) 90 258.0 17.2
규사 0.06 내지 0.2㎜ 193.5 12.9
엑살트 430.5 28.7
비스코크레트(ViscoCrete)(등록상표) 510P 3.0 0.2
수돗물 34.5 2.3
성분 A 3 의 제조
표 3에 주어지는 성분을 이용하여 성분 A 1 과 동일한 방법으로 성분 A 3 을 제조하였다. 이는 소성 점성도가 1s-1에서 250㎩ . s, 10s-1 에서 70㎩ . s이고, 항복응력이 100㎩이었다.
성분 A 3 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 40-GU 675.0 38.30
오미아라이트(등록상표) 90 300.0 17.02
규사 0.06 내지 0.2㎜ 225.0 12.77
엑살트 500.0 28.37
비스코크레트(등록상표) 510P 3.6 0.20
메토셀(상표명) F4M 0.75 0.04
수돗물 58.0 3.30
성분 A 4 의 제조
58g의 물 대신 250g을 이용한 것을 제외하고 성분 A 4 를 성분 A 3 과 같이 제조하였다. 성분의 혼합은 균질화되는 데 성분 A 3 보다 더 긴 시간 및 더 고속이 필요하였다.
성분 A 4 는 소성 점성도가 1s-1에서 20㎩ . s, 10s-1 에서 5㎩ . s이고, 항복응력이 7 Pa이었다.
성분 A 5 의 제조
58.0g의 물 대신 7.5g을 이용한 것을 제외하고 성분 A 5 를 성분 A 3 과 같이 제조하였다.
성분 A 5 는 소성 점성도가 1s-1에서 1,230㎩ . s, 10s-1 에서 610㎩ . s이고, 항복응력이 570㎩이었다.
성분 A 6 의 제조
표 4에 주어지는 성분을 이용하여 성분 A 1 과 동일한 방법으로 성분 A 6 을 제조하였다.
성분 A 6 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 40-GU 655.0 43.68
오미아라이트(등록상표) 90 281.0 18.74
규사 0.06 내지 0.2㎜ 191.0 12.74
엑살트 250.0 16.67
비스코크레트(등록상표) 510P 3.0 0.20
메토셀(상표명) F4M 0.6 0.04
수돗물 119.0 7.93
성분 A 7 의 제조
표 5에 주어지는 성분을 이용하여 성분 A 1 과 동일한 방법으로 성분 A 7 을 제조하였다. 이는 소성 점성도가 1s-1에서 530㎩ . s, 10s-1 에서 140㎩ . s이고, 항복응력이 190㎩이었다.
성분 A 7 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 40-GU 536.0 35.73
오미아라이트(등록상표) 90 237.0 15.80
규사 0.06 내지 0.2㎜ 174.5 11.63
엑살트 549.0 36.60
비스코크레트(등록상표) 510P 3.0 0.20
메토셀(상표명) F4M 0.6 0.04
성분 A 8 의 제조
표 6에 주어지는 성분을 이용하여 성분 A 1 과 동일한 방법으로 성분 A 8 을 제조하였다. 성분 A 8 은 소성 점성도가 1s-1에서 700㎩ . s, 10s-1 에서 130㎩ . s이고, 항복응력이 400㎩이었다.
성분 A 8 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 40-GU 971.0 48.3
오미아라이트(등록상표) 90 362.0 18.0
엑살트 595.0 29.6
켈코-크레트(등록상표) 2.0 0.1
수돗물 80.7 4.0
성분 A 9 의 제조
표 7에 주어지는 양으로 모든 원료를 믹싱컵에서 칭량하고, 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)를 이용하여 1분 동안 속도 2로 혼합하고, 이어서, 믹서를 중단시키고 나서, 덩어리를 스패튤라를 이용하여 손으로 균질화시키고, 이어서, 2분 동안 속도 4로 다시 혼합하였다.
성분 A 9 의 조성
g 중량%
엑살트 1350 67.5
석영 분말 K8 240 12.0
규사 0.06 내지 0.2㎜ 410 20.5
성분 A 10 의 제조
제1 단계에서, 표 8에 주어지는 양으로 원료를 혼합함으로써 침강 저해된 알루미나 시멘트 슬러리를 제조하였다. 켈코-크레트 및 인산을 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)의 믹싱볼에서 수중에 용해시키고, 15분 동안 속도 1에서 혼합하였다. 터널(등록상표)LC 및 소칼란(등록상표) PA 15를 첨가하고 나서, 덩어리를 1분 동안 속도 2에서 혼합하고, 이어서, 믹서를 중단시키고 나서, 덩어리를 스패튤라를 이용하여 손으로 균질화시키고, 이어서, 2분 동안 속도 4로 다시 혼합하였다.
침강 저해된 알루미나 시멘트 슬러리의 조성
g
수돗물 162.93
터널(등록상표)LC 322.32
인산 85% 9.67
소칼란(등록상표) PA 15 4.83
켈코-크레트(등록상표) 0.24
제2 단계에서, 표 9에 주어지는 원료의 모든 분말 성분을 표 9에 주어지는 양으로 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)의 믹싱볼에 첨가하였다. 15초 동안 속도 1로 분말을 혼합하고, 다음에 단계 1의 알루미나 시멘트 슬러리 및 물을 첨가하고 나서, 슬러리를 1분 동안 속도 2로 혼합하였다. 믹서를 중단시키고 나서, 덩어리를 스패튤라를 이용하여 손으로 균질화시키고, 이어서, 2분 동안 속도 4로 다시 혼합하였다.
성분 A 10 의 조성
　 g %
오미아카브(등록상표) 40-GU 675 37.35
오미아라이트(등록상표) 90 300 16.60
규사 0.06 내지 0.2㎜ 225 12.45
단계 1의 알루미나 시멘트 슬러리 500 27.66
비스코크레트(등록상표) 510P 3.6 0.20
메토셀(상표명) F4M 0.75 0.04
물 103.0 5.70
4. 성분 B 의 제조
성분 B 1 의 제조
충전제(오미아카브 및 석회암)를 표 8에 주어지는 양으로 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)의 믹싱볼에 첨가하였다. 분말을 15초 동안 속도 1로 혼합하였다. NaOH 및 Li2SO4 . H2O를 표 8에 주어지는 양으로 수중에 용해시키고, 이 용액을 분말에 첨가하였다. 이 덩어리를 1분 동안 속도 2로 혼합하고, 이어서, 믹서를 중단시키고 나서, 덩어리를 스패튤라를 이용하여 손으로 균질화시키고, 이어서, 2분 동안 속도 4로 다시 혼합하였다.
[표 8]
Figure pct00001
성분 B 2 의 제조
표 9에 주어지는 성분을 이용하여 성분 B 1 과 동일한 방법으로 성분 B 2 를 제조하였다. 비스코크레트(등록상표) 510P을 충전제와 함께 믹싱볼에 첨가하였다.
[표 9]
Figure pct00002
성분 B 3 의 제조
표 10에 주어지는 성분을 이용하여 성분 B 2 와 동일한 방법으로 성분 B 3 을 제조하였다. 메토셀(상표명) F4M을 충전제와 함께 믹싱볼에 첨가하였다. 성분 B 3 은 소성 점성도가 1s-1에서 850㎩ . s, 10s-1 에서 210㎩ . s이고, 항복응력이 580㎩이었다.
성분 B 3 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 40-GU 325.0 54.13
오미아라이트(등록상표) 90 100.0 16.65
규사 0.06 내지 0.2㎜ 75.0 12.49
비스코크레트(등록상표) 510P 1.2 0.20
메토셀(상표명) F4M 0.75 0.12
NaOH 2.50 0.42
Li2SO4 . H2O 1.0 0.17
수돗물 95.0 15.82
성분 B 4 의 제조
95g의 물 대신 150g을 이용한 것을 제외하고 성분 B 4 를 성분 B 3 과 같이 제조하였다. 성분의 혼합은 균질화되는 데 성분 B 3 보다 더 긴 시간 및 더 고속이 필요하였다.
성분 B 4 는 소성 점성도가 1s-1에서 70㎩ . s, 10s-1 에서 10㎩ . s이고, 항복응력이 60㎩이었다.
성분 B 5 의 제조
95g의 물 대신 86.5g을 이용한 것을 제외하고 성분 B 5 를 성분 B 3 과 같이 제조하였다. 이는 소성 점성도가 1s-1에서 1,900㎩ . s, 10s-1 에서 330㎩ . s이고, 항복응력이 1860㎩이었다.
성분 B 6 의 제조
모든 성분은 표 11에 주어지는 양으로 사용하였다. 분말 성분(염료에 대해 오미아카브(등록상표))을 믹싱컵에서 칭량하고, 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)를 이용하여 15초 동안 속도 2로 혼합하고, 이어서, 믹서를 중단시키고 나서, 에탄올아민을 첨가하고, 덩어리를 1분 동안 속도 2로 다시 혼합하고 나서, 믹서를 중단시키고, 물과 소칼란(등록상표) PA 15를 첨가하고, 덩어리를 2분 동안 속도 4로 다시 혼합하였다. 성분 B 6 는 소성 점성도가 1s-1에서 780㎩ . s, 10s-1 에서 110㎩ . s이고, 항복응력이 780㎩이었다.
성분 B 6 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 40-GU 828.0 40.78
오미아라이트(등록상표) 90 828.0 40.78
Li2CO3, 미세한 분말 20.0 0.99
켈코-크레트(등록상표) 3.7 0.18
도장 염료 0.8 0.04
에탄올아민 70.0 3.45
소칼란(등록상표) PA 15 0.8 0.04
수돗물 279.0 13.74
성분 B 7 의 제조
오미아카브, 오미아라이트 및 규사를 표 12에 주어지는 양으로 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)의 믹싱볼에 첨가하였다. 분말을 15초 동안 속도 1로 혼합하였다. NaOH 및 Li2CO3를 표 12에 주어지는 양으로 수중에 용해시키고, 이 용액을 분말에 첨가하였다. 덩어리를 1분 동안 속도 2로 혼합하고, 이어서, 믹서를 중단시키고 나서, 덩어리를 스패튤라를 이용하여 손으로 균질화시키고, 이어서, 2분 동안 속도 4로 다시 혼합하였다.
성분 B 7 의 조성
g 중량%
오미아카브(등록상표) 40-GU 325.0 53.15
오미아라이트(등록상표) 90 100.0 16.35
규사 0.06 내지 0.2㎜ 75.0 12.26
비스코크레트(등록상표) 510P 1.2 0.20
NaOH 5.3 0.87
Li2CO3, 미세한 분말 8.0 1.31
수돗물 97.0 15.86
비교를 위한 성분 B 8 의 제조
NaOH 및 Li2SO4 . H2O를 표 12에 주어지는 양으로 물과 혼합하였다. 혼합 동안에 성분 B 8 은 뜨겁게 되었고, 그의 높은 알칼리도 때문에 매우 조심해서 처리하였다.
[표 12]
Figure pct00003
실시예 1: 3D 인쇄에 대한 적용
500g의 성분 A 1 및 500g의 성분 B 1 을 별개의 카트리지에서 채웠다. 카트리지를 로봇 인쇄 장치에 설치하였다. 뉴매틱 건(pneumatic gun)을 이용하여 동일한 용적으로 성분을 투여하고 나서, 정적 혼합 요소로 혼합하고 나서, 얻어진 신선한 모르타르를 3.0㎜ 직경의 원형 노즐을 통해 압출하였다. 약 2.5㎜ 높이의 동일한 층에서 로봇 시스템에 의해 모르타르를 적용하였다. 이러한 방식으로 압출시켜 약 90 x 90㎜ 길이의 정사각형벽 형태로 3D 구조를 형성하였다. 각각의 수평층에 대해, 다음 수직층을 세우기 전에 3개의 평행하는 층을 적용하였다. 이러한 방식으로, 3개의 수평층에 의해 각각 형성된 16개의 수직층을 적용하였다. 최종적으로, 약 90㎜ 측면 길이, 약 40㎜ 높이 및 약 10㎜ 벽 두께의 정사각형 벽 구조가 형성되었다. 노즐 속도는 약 1,000㎜/분이었다. 신선하게 적용된 모르타르는 즉시 자기-지지성이 되었고, 따라서 경화될 때까지 그의 형상을 유지하였다. 약 17분 후에, 구조의 생산을 종료하였다.
실시예 2 내지 5: 모르타르의 제조
성분 A 2 를 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)를 이용하여 1분 동안 속도 2로 표 13에 주어지는 비로 성분 B 2 와 혼합하고, 이어서, 스패튤라를 이용하여 손으로 균질화시킨 다음에, 1분 동안 속도 2로 혼합하였다. 모르타르는 표 13에 주어지는 특성을 가진다.
신선한 그리고 경화된 모르타르 시스템의 조성 및 특성
실시예 2 3 4 5
중량비 A / B 1:1 2:1 3:1 4:1
신선한 모르타르 중의 시멘트[중량%] 1) 8.6 11.5 12.9 13.8
W/C 2) 0.62 0.83 0.94 1.00
침강 시작[분] 23 14 13 10
압축 강도[㎫]
20분 후 < 1 1.0 1.7 3.3
30분 후 < 1 3.4 4.0 4.8
40분 후 1.4 4.5 5.6 7.0
1시간 후 4.5 6.5 9.2 9.6
3시간 후 9.3 11.5 12.9 13.9
8시간 후 10.2 12.3 13.4 14.2
최대 온도[℃] n.m. 3) 34.2 35.5 n.m. 3)
8시간 후 수축[길이-‰] 0.563 0.625 0.669 0.713
1) 중량% 건조 엑살트
2) W/C는 신선한 모르타르 중의 물 대 시멘트의 중량비임
3) 측정하지 않음
실시예 6: 수선 모르타르로서 적용
콘크리트 표본에서 약 50㎜ 직경 및 10㎜ 깊이의 구멍을 채우기 위해 혼합 직후에 실시예 2의 모르타르를 사용하였다. 모르타르를 구멍에 채우고 나서, 흙손을 이용하여 표면을 평탄화시켰다. 패치는 1일 후에 임의의 균열 또는 손상을 나타내지 않았다.
실시예 7 내지 9: 모르타르의 제조
표 14에 따라 1,500g의 성분 A 및 500g의 성분 B를 실시예 2에 기재한 바와 같이 혼합하였다. 생산된 모르타르의 특성을 표 14에 제공한다.
신선한 그리고 경화된 모르타르 시스템의 조성 및 특성
실시예 7 8 9
성분 A A 3 A 4 A 5
성분 B B 3 B 4 B 5
신선한 모르타르 중의 시멘트[중량%] 1) 12.8 11.5 13.1
W/C 2) 1.17 1.78 0.70
시작 침강[분] 11 26 n.m 3)
최종 침강[분] 15 37 n.m 3)
압축 강도[㎫]
20분 후 < 1 < 1 < 1
30분 후 < 1 < 1 < 1
40분 후 1.1 < 1 4.5
1시간 후 3.3 < 1 7.4
3시간 후 6.3 < 1 11.3
8시간 후 7.3 < 1 11.9
48시간 후 8.9 < 1 15.7
최대 온도 [℃] 30.4 32.5 35.6
8시간 후 수축[
Figure pct00004
]		 0.734 1.591 0.427
24시간 후 수축[
Figure pct00005
]		 0.929 1.747 0.544
1) 중량% 건조 엑살트
2) W/C는 신선한 모르타르 중의 물 대 시멘트의 중량비임
3) 측정하지 않음
실시예 10: 수선 모르타르로서 적용
성분 A 3 및 성분 B 3 은 각각 별개로 연행 공기를 제거하기 위해 850mbar의 상대적 진공 하에 분당 2000회의 회전으로 20분 동안 진공 믹서에서 혼합하였다. 다음에, 그들을 3 대 1의 용적비로 2개의 별개의 구획을 갖는 300㎖ 용적 카트리지에 채웠다. 성분 A 3 을 더 큰 구획에 채웠고, 성분 B 3 을 더 작은 구획에 채웠다. 카트리지를 8㎜ 직경의 노즐을 갖는 정적 믹서에 연결하였다. 뉴매틱 건을 이용함으로써 모르타르를 압출하였다.
약 10㎜ 직경 및 40㎜ 깊이의 콘크리트 밖의 벽 내 중공을 이 모르타르로 채웠다. 1시간 후에, 해당 장소에 약 5㎜ 직경의 구멍을 천공하고, 앵커 볼트로 나사를 고정시키고 나서, 임의의 균열 또는 손상 없이 24시간 동안 5㎏ 중량을 부하하였다.
실시예 11: 3D 인쇄에 대한 적용
성분 A 3 및 성분 B 3 은 각각 별개로 실시예 10에 기재한 바와 같이 20분 동안 진공 믹서에서 혼합하였다. 혼합 전에 성분 B 3 에 소량의 착색제를 첨가하였다. 성분을 각각 300㎖ 용적의 별개의 카트리지에 채웠다. 카트리지를 3㎜ 직경 노즐과 함께 140㎜ 길이의 정적 믹서에 연결하였다. 컴퓨터에 의해 제어되는 뉴마틱 펌프에 의해 성분의 압출을 행하였다. 성분 A 3 대 성분 B 3 의 혼합비는 질량으로 3 대 1이었다. 로봇에 의해 인쇄를 수행하였다. 20% 경사각, 65㎜ 내경 및 100㎜ 높이를 갖는 원통을 인쇄하기 위해 모르타르를 사용하였다. 각각의 층의 높이는 1㎜였고, 인쇄 속도는 500㎜/분이었다. 45분 내에 구조를 완성하였다. 표면은 평탄화되지 않았고, 매력적인 파도-유사 구조 및 거의 균질한 색을 가졌다.
실시예 12: 3D 인쇄에 대한 적용
실시예 11을 반복하였지만, 인쇄 속도는 2,000㎜/분이었다. 모르타르의 색은 충분히 균질하였고, 구조는 약 11분 내에 완성되었다.
실시예 13 및 14: 모르타르의 제조
표 15에 따른 성분 A 및 B를 실시예 2에 기재한 바와 같이 혼합하였다. 모르타르의 특성을 표 15에 제공한다.
신선한 그리고 경화된 모르타르 시스템의 조성 및 특성
실시예 13 14
성분 A A 6 A 7
성분 B B 3 B 3
중량비 A / B 3 : 1 3 : 1
신선한 모르타르 중의 시멘트[중량%] 1) 7.5 16.5
W/C 2) 1.20 0.91
시작 침강[분] 11 12
최종 침강[분] 17 18
압축 강도[㎫]
20분 후 <1 <1
30분 후 <1 1.1
40분 후 <1 1.6
1시간 후 <1 2.9
3시간 후 2.3 6.6
8시간 후 5.3 8.2
48시간 후 6.2 n.m. 3)
1) 중량% 건조 엑살트
2) W/C는 신선한 모르타르 중의 물 대 시멘트의 중량비임
3) 측정하지 않음
실시예 15 내지 18: 모르타르의 생산
성분 A 8 과 성분 B 6 을 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)를 이용하여 1분 동안 속도 4로 표 16에 주어지는 비로 혼합하였다. 생산된 모르타르의 특성을 표 16에 제공한다.
신선한 그리고 경화된 모르타르 시스템의 조성 및 특성
실시예 15 16 17 18
중량비 A / B 1 : 1 3 : 1 5 : 1 7 : 1
신선한 모르타르 중의 시멘트[중량%] 1) 8.9 13.3 14.8 15.5
W/C 2) 1.67 1.15 1.05 1.00
압축 강도[㎫]
10분 후 2.6 2.8 3.2 3.3
20분 후 3.8 4.4 4.5 4.9
30분 후 4.5 5.5 5.4 6.4
40분 후 4.9 6.0 6.4 7.1
1시간 후 5.4 6.8 7.6 7.7
3시간 후 6.1 7.8 8.9 8.9
1) 중량% 건조 엑살트
2) W/C는 신선한 모르타르 중의 물 대 시멘트의 중량비임
실시예 19: 모르타르의 제조
성분 A 10 과 B 7 을 3:1의 중량비로 혼합하였다. 모르타르의 특성을 표 17에 제공한다.
신선한 그리고 경화된 모르타르 시스템의 조성 및 특성
실시예 19
신선한 모르타르 중의 시멘트 [중량%] 1) 13.4
W/C 2) 0.81
시작 침강[분] 28
최종 침강[분] 50
압축 강도[㎫]
1시간 후 2.0
2시간 후 7.3
3시간 후 8.6
8시간 후 9.9
1) 중량% 건조 엑살트
2) W/C는 신선한 모르타르 중의 물 대 시멘트의 중량비임
실시예 20: 3D 인쇄를 위한 적용
성분 A 8 과 성분 B 6 을 각각 300㎖ 용적의 카트리지에 별개로 채웠다. 카트리지를 2.5㎜ 직경 노즐을 갖는 140㎜ 길이의 정적 믹서에 연결하였다. 컴퓨터에 의해 제어되는 뉴매틱 펌프에 의해 성분의 압출을 행하였다. 성분 A 8 과 성분 B 6 의 혼합비는 질량으로 1 대 1이었고, 모르타르의 압출 속도는 분당 30g이었다. 로봇에 의해 인쇄를 수행하였다. 정사각형 피라미드 형태의 지붕이 높인 100 x 100㎜의 정사각형 베이스 및 65㎜ 벽의 높이를 갖는 집과 같은 구조를 인쇄하기 위해 모르타르를 사용하였다. "하우스"는 총 높이가 124㎜였다. 벽은 폭이 10㎜였고, 서로 옆에 각각 5㎜ 폭의 2개의 평행층으로 인쇄되었다. 서로의 상부에 몇몇 층이 침착되었는데, 각각의 층은 높이가 0.4㎜였다. 벽을 인쇄하기 위한 로봇 속도는 분당 10,000㎜였다. 지붕에 대해, 모르타르는 분당 5,000㎜의 로봇 속도에 의해 약 5㎜ 폭으로 하나의 수평층에 적용되었다. 경화된 구조는 직선벽 및 비흐름 현상 지붕을 갖는 목적으로 하는 형태를 유지하였다. 최종 구조는 균질한 색 및 약간 거친 표면을 가졌다.
참고예 1: 모르타르의 생성
1000g의 성분 A 9 와 20g의 기준 B 8 을 기계 믹서(키친에이드 모델 아티산, 5KSM150)로 혼합하였다. 약 5분 동안 속도 2로 혼합한 후에, 모르타르는 여전히 큰 덩어리를 가졌고, 측면은 불균질하였다. 추가 혼합은 이 결과를 개선시키지 않았다. 모르타르는 표 18에서 주어지는 특성을 가졌다. 이 모르타르는 3D 인쇄에서 사용에 적합하지 않았다.
신선한 그리고 경화된 모르타르 시스템의 특성
중량비 A 9 / B 8 100 : 2
신선한 모르타르 중의 시멘트 [중량%] 1) 39.7
W/C 2) 0.69
시작 침강[분] > 45
압축 강도[㎫]
20분 후 < 1
30분 후 < 1
40분 후 < 1
1시간 후 < 1
3시간 후 3.5
8시간 후 6.6
1) 중량% 건조 엑살트
2) W/C는 신선한 모르타르 중의 물 대 시멘트의 중량비임

Claims (16)

  1. 성분 A 및 성분 B를 포함하는 다성분 모르타르 시스템(multi-component mortar system)으로서,
    - 성분 A는 알루미나 시멘트, 적어도 1종의 침강 저해제, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함하고, 그리고
    - 성분 B는 침강 저해된 알루미나 시멘트에 대한 개시제 시스템, 적어도 1종의 광물성 충전제 및 물을 포함하는, 다성분 모르타르 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 성분 A는, 성분 A의 중량을 기준으로, 10 내지 50중량%의 알루미나 시멘트 및 30 내지 78중량%의 광물성 충전제를 포함하고, 그리고 성분 B는, 성분 B의 중량을 기준으로, 65 내지 86중량%의 광물성 충전제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 성분 A는 붕산 또는 이의 염이 없는 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 성분 A는 적어도 인산염계 세트 저해제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 성분 B는 알칼리 수산화물, 알칼리 토류 수산화물, 알칼리 토류 산화물, 알칼리 산화물, 알칼리 규산염, 알칼리 알루민산염, 아민 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 알칼리성 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광물성 충전제는 탄산칼슘, 돌로마이트, 이산화티타늄, 이산화규소, 비산회, 슬래그, 강모래, 퇴적물로부터의 모래 및 부순돌(crushed stone) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군의 물질로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 성분 A와 성분 B 중에서 85중량%의 상기 광물성 충전제의 상기 입자는 0.3㎜보다 작고, 바람직하게는 0.2㎜보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 성분 A와 성분 B의 점조도는 각각 별개로, 1s-1의 전단속도에서 25㎜의 플레이트 직경, 2㎜ 갭으로 플레이트-플레이트 유량계를 이용하여 측정하여, 20 내지 2,000㎩.s, 바람직하게는 200 내지 1,900㎩.s, 더 바람직하게는 500 내지 1,500㎩.s의 범위의 소성-점성도를 갖는 페이스트-유사체인 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 성분 A와 성분 B 및 존재할 경우 추가적인 성분은, 그들이 몇 개월에서 2년 이상까지 동안에 그들의 적용 가능성을 상실하는 일 없이 저장될 수 있는 경우에 별개의 용기에 각각 포장되고, 적용 직전에 혼합되어 속경화성 모르타르를 생산하는 것을 특징으로 하는, 다성분 모르타르 시스템.
  10. 모르타르를 생산하는 방법으로서, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 모르타르 시스템 중의 성분 A와 성분 B 그리고 존재할 경우 추가적인 성분을 특히 정적 믹서 또는 동적 믹서에서 혼합함으로써, 모르타르를 생산하는 방법.
  11. 제10항에 따른 방법에 의해 얻은 모르타르.
  12. 제11항에 있어서, 비수화 알루미나 시멘트로서 계산한, 신선한 모르타르 중의 알루미나 시멘트의 함량은 상기 신선한 모르타르의 중량을 기준으로 5 내지 45중량%, 바람직하게는 7 내지 35중량%, 더 바람직하게는 7 내지 25중량%, 및 가장 바람직하게는 7 내지 19중량%인 것을 특징으로 하는, 모르타르.
  13. 제11항 또는 제12항에 따른 모르타르의 용도로서, 상기 신선한 모르타르는 성분들을 혼합한 직후에 흐름 현상(sagging) 없이 자기-지지성이고, 상기 성분들을 혼합하고 40분 후에 적어도 1㎫의 압축 강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 모르타르의 용도.
  14. 제13항에 있어서, 3D 인쇄를 위한, 모르타르의 용도.
  15. 3D 구조를 인쇄하는 방법으로서,
    i) 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 모르타르 시스템을 제공하는 단계,
    ii) 상기 성분들을 정적 또는 동적 믹서로 혼합하고, 로봇 시스템을 이용하여 상기 혼합된 모르타르를 적용하여 3D 구조를 형성하는 단계, 및
    iii) 상기 적용된 3D 구조를 경화시키는 단계를 포함하는,
    3D 구조를 인쇄하는 방법.
  16. 제15항에 따른 방법으로부터 얻은 3D 구조.
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