KR20190113863A - 조작된 콘크리트 바인더 조성물 - Google Patents

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Abstract

전체적으로 감소한 클링커 인자(clinker factor) 및 개선된 결합 특성을 제공하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물. 상기 콘크리트 바인더 조성물은 제1바인더를 10 내지 60 중량%의 비율로 포함하고 제2바인더를 40 내지 90 중량%의 비율로 포함한다. 상기 제1바인더는 자발적 수화 특성을 갖는 제1물질 군으로부터 선택된다. 상기 제2바인더는 유도된 수화 특성을 갖는 제2물질 군으로부터 선택된다.

Description

조작된 콘크리트 바인더 조성물
본 발명은 전체적으로 감소한 클링커 인자(clinker factor)를 포함하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 콘크리트 산업에서 보통 포틀랜드 시멘트(Portland cement)의 전체 사용을 최소화하는 콘크리트 바인더 조성물을 제공한다. 또한, 상기 콘크리트 바인더 조성물은 콘크리트 제조에서 포졸론 물질(pozzolonic material)의 최대 사용을 용이하게 한다. 따라서, 본 발명은 콘크리트 산업에서 보통 포틀랜드 시멘트의 사용에 대한 전반적인 의존성을 감소시킨다. 상기 콘크리트 바인더 조성물은 최종 콘크리트 재료의 강도 특성 및 내구성 지수를 증가시키기 위해 마크로-마이크로-나노(Macro-Micro-Nano) 입자 격자 배열을 제공한다.
콘크리트는 지구상에서 매우 소비적이고 이용 가능한 인공 제품이다. 건물, 도로, 공항, 댐, 항구와 같은 사회 기반 시설은 항상 국가 발전의 주요 지표로 간주한다. 이러한 사회 기반 시설을 개발하려면 항상 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement)와 함께 콘크리트 원료/집합 재료를 사용해야 한다. 보통 포틀랜드 시멘트와 함께 콘크리트 원료/집합 재료를 정기적으로 사용하는 것은 환경에 큰 위협이 된다.
보통 포틀랜드 시멘트의 생산은 매우 많은 양의 에너지를 소비하고 다른 한편으로 많은 양의 CO2를 생산한다. 따라서 콘크리트 생산에서 보통 포틀랜드 시멘트의 사용을 최소화하는 것이 항상 바람직하다. 그러나 콘크리트 인프라구조(infrastructure) 강도와 내구성은 항상 콘크리트 원료와 혼합된 보통 포틀랜드 시멘트의 비율에 따라 달라진다. 반면, 보통 포틀랜드 시멘트 비율을 최소화하면 콘크리트 인프라의 최종 강도와 내구성에 부정적인 영향을 미친다.
따라서 보통 포틀랜드 시멘트를 최소한으로 사용하여 콘크리트 조성물을 생산하기 위하여 연구자들의 지속적인 시도가 있다. 동시에 콘크리트 인프라의 최종 강도와 내구성을 유지하는 것이 바람직하다. 콘크리트 인프라구조의 강도와 내구성은 콘크리트 원료 입자와 함께 보통 포틀랜드 시멘트의 입자 결합에 의존한다는 점에 유의해야 한다.
일반적으로, 콘크리트 원료/응집 물질 입자와 함께 보통 포틀랜드 시멘트 입자는 단단한 암석과 같은 콘크리트 구조물을 형성하도록 밀집되어 있다. 콘크리트 인프라구조의 최종 강도와 내구성은 응집 입자와 물의 존재하에서 수화 공정을 거치는 시멘트 반응 화학의 결과이다. 이 수화 공정(hydration process)은 시멘트 및 골재 입자(aggregate particle)의 패킹 효율과 함께 최종 콘크리트 구조물에 높은 강도를 제공한다.
또한, 골재 입자의 개선된 패킹 효율은 상기 골재 입자를 함께 결합하여 경질 콘크리트 구조물을 형성하는데 필요한 시멘트의 양을 최소화하는 것으로 알려졌다. 따라서, 골재 입자에 최대 결합 능력을 제공할 수 있는 콘크리트 바인더 조성물을 제조하는 것이 항상 바람직하다.
상기 시멘트와 골재 입자가 3차원 구조로 밀집되어 있을 때 최대 결합력을 제공할 수 있다. 일반적으로, 보통 포틀랜드 시멘트 비율은 상기 골재 입자의 높은 결합력을 달성하기 위해 증가한다. 또한, 시멘트 반응 동역학은 또한 상기 골재 입자의 최대 결합 능력을 달성하기 위해 매우 중요하다.
따라서, 응집체 입자에 대해 개선된 최대 결합 능력을 제공할 수 있고 또한 보다 우수한 시멘트 반응 동역학을 갖는 콘크리트 바인더 조성물을 제공하는 것이 중요하다. 또한, 지구 온난화, 석회석의 대규모 채굴로 인한 환경 변화와 같은 현재의 환경 문제로 인해 시멘트 바인더 성분으로서 보통 포틀랜드 시멘트의 사용을 줄이는 것이 바람직하다.
빽빽이 다져진(closely packed) 시멘트 및 골재 입자를 생성하는 상기 결과를 달성하기 위한 통상적인 방법이 있다. 상기 방법은 입자 패킹 구조(packing structure)의 적절한 비율을 얻기 위해 통상의 포틀랜드 시멘트, 미세 골재 재료, 코스 골재 재료(course aggregate material)를 최적의 비율로 혼합하는 단계를 포함한다. 그러나 여전히 이러한 방법은 최적의 입자 패킹을 제공하지 않으며 보통 포틀랜드 시멘트의 낮은 사용량을 보장하지 않는다.
따라서, 최적의 입자 패킹을 제공하고 포틀랜드 시멘트의 낮은 사용을 보장할 수 있는 콘크리트 바인더 조성물을 제조할 필요가 있다. 또한, 최종 콘크리트 재료의 내구성 지수를 증가시키기 위해 Macro-Micro-Nano 입자 패킹을 제공할 수 있는 콘크리트 바인더 조성물을 제조할 필요가 있다.
종래 기술의 상기 요구 및 단점을 고려하여, 한 측면에서, 본 발명은 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물을 제공한다.
본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 보통 포틀랜드 시멘트의 구식(outdated) 조성물을 극복하고 상기 응집 입자(aggregate particle)에 대한 개선된 결합 능력을 제공한다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 전체적으로 감소한 클링커 인자(clinker factor)를 갖는다. 따라서, 본 발명은 또한 포틀랜드 시멘트 생산의 전체 탄소 발자국을 감소시킨다.
일 측면에서, 본 발명 콘크리트 바인더 조성물은 제1바인더 및 제2바인더로 구성된다. 상기 제1바인더는 상기 콘크리트 바인더 조성물의 10 내지 60 중량%의 비율로 존재하고, 상기 제2바인더는 40 내지 90 중량%의 비율로 존재한다.
상기 제1바인더는 자발적 수화 특성을 갖는 제1물질 군으로부터 선택된다. 상기 제1바인더는 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/25th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함한다. 당업자는 제1바인더의 상기 모드 평균 입자 직경이 특정 콘크리트 골재(aggregate) 원료의 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 요구 및 필요에 따라 추가로 변형될 수 있음을 잘 알고 있다.
일 양태에서, 상기 제1물질 군은 일반적인 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement), 기계적으로 조작된 보통 포틀랜드 시멘트, 화학적으로 조작된 플라이 애쉬, 화학적으로 조작된 고로 슬래그(blast furnace slag) 중 하나 이상으로부터 선택되지만 이에 제한되지는 않는다.
또한, 상기 최소 미세 골재 모드 평균 입자 직경은 최소 미세 응집 분율(smallest fine aggregate fraction)을 갖는 원료 콘크리트 물질의 입자 크기 분포(PSD) 분석에 의해 결정된다.
양태에서, 상기 제2바인더는 유도된 수화 특성을 갖는 제2물질 군으로부터 선택된다. 또한, 상기 제2물질 군은 적어도 포졸란 활성을 부여하는 재료로부터 선택된다. 여기서, 상기 포졸란 활성을 부여하는 상기 물질은 천연 포졸란 물질, 인공 포졸란 물질 중 하나 이상으로부터 선택된다.
또한, 상기 제2바인더는 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/625th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함한다. 당업자는 제2바인더의 상기 모드 평균 입자 직경이 특정 콘크리트 골재(aggregate) 원료의 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 요구 및 필요에 따라 추가로 변형될 수 있음을 잘 알고 있다.
다른 양태에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 또한 화학적으로 활성화된 물질 및 기계적으로 개질된 물질을 함유한다. 상기 화학적으로 활성화된 물질 및 상기 기계적으로 개질된 물질은 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재(volcanic ash) 물질, 석영 물질(quartz material) 및/또는 포졸란 물질(pozzolanic material)로부터 선택된다.
다른 양태에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 리그노술포네이트(lignosulfonate) 화합물, 폴리카르복실레이트(Polycarboxylate) 화합물, 술폰화 나프탈렌 포름알데히드(Sulphonated naphthalene formaldehyde), 술폰화 멜라민 포름알데히드(Sulphonated melamine formaldehyde) 중 하나로부터 선택되는 레올로지 개질제를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 또한 알칼리 금속 그룹의 수산화물(hydroxide), 알칼리 토금속 그룹의 수산화물 중 하나 이상으로부터 선택되는 pH 조절제를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 또한 반응 활성화제를 포함한다. 상기 반응 활성화제는 알칼리 토금속 그룹의 산화물(oxide), 알칼리 토금속 그룹의 수산화물(hydroxide), 알칼리 토금속 그룹의 탄산염(carbonate) 중 어느 하나로부터 선택된다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 상기 제1물질 군 및 상기 제2물질 군은 최종 콘크리트 재료의 강도 특성 및 내구성 지수를 증가시키기 위해 마크로-마이크로-나노(Macro-Micro-Nano) 입자 격자 배열을 형성한다. 바꾸어 말하면, 상기 제1바인더 및 상기 제2바인더는 상기 제1물질 군과 상기 제2물질 군의 격자 배열에 의해 형성된 공극을 컴팩트하게 점유하고 그 반대도 마찬가지이다. 따라서, 상기 제1바인더 및 상기 제2바인더는 서로 배열되고 그 반대도 마찬가지인 것으로 이해된다.
따라서, 본 발명의 측면은 결합 특성이 개선된 친환경 콘크리트 바인더 조성물에 관한 것이다.
특히, 본 콘크리트 바인더 조성물은 탄소 발자국의 전반적인 감소, 클링커 인자(clinker factor)의 전반적인 감소, 개선된 결합 특성을 제공하고, 콘크리트 생산에서의 포졸란 물질의 더 나은 이용은 본 발명에 의해 달성되는 바람직한 이점의 일부 예이다.
이는 본 발명의 다른 측면들과 함께 본 발명을 특징짓는 신규한 다양한 특징들과 함께 본 명세서에 첨부된 청구항들에서 특별히 지적되고 본 발명의 일부를 형성한다.
본 개시 내용, 그 작동 장점 및 그 사용에 의해 달성되는 특정 목적에 대한 더 나은 이해를 위해, 본 발명의 예시적인 실시 예가 도시된 첨부된 설명 사항을 참조해야 한다.
본 발명의 장점 및 특징은 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해 될 것이다.
도 1은 마크로-마이크로-나노(Micro Nano) 수준에서 빈 공극(vacant void)을 도시하고, 분자의 면심 입방 격자(face-centered cubic lattice)에 기초한 제1물질 군의 결합을 도시한다.
도 2는 마크로-마이크로-나노 수준에서 빈 공극을 도시하고, 분자의 체심 입방 격자(body centered cubic lattice)에 기초한 제1물질 군의 결합을 도시한다.
도 3은 본 발명의 강도 특성 및 내구성 지수를 증가시키기 위해 제2물질 군에 의한 Macro-Micro-Nano 수준에서 도 1의 점유된 공극을 도시한다.
도 4는 본 발명의 강도 특성 및 내구성 지수를 증가시키기 위해 제2물질 군에 의한 Macro-Micro-Nano 수준에서 도 2의 점유된 공극을 도시한다.
예시적인 목적을 위해 본 명세서에 상세히 설명된 예시적인 실시 예는 다양한 변형이 있을 수 있다. 그러나 본 발명은 콘크리트 바인더 조성물에 제한되지 않는다는 것이 강조되어야 한다. 환경이 편의를 시사하거나 제시할 수 있기 때문에, 등가물의 다양한 생략 및 대체가 고려되는 것으로 이해되며, 그러나 이들은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 응용 또는 구현을 커버하도록 의도된다.
달리 명시되지 않는 한, 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어는 인프라 스트럭처 구조물(infrastructure construction) 및 시멘트/콘크리트 산업 분야에서 일반적으로 사용되는 의미를 갖는다. 구체적으로, 다음의 용어들은 아래에 표시된 의미를 갖는다.
본원에서 용어 "a" 및 "an"은 양의 제한을 나타내지 않고, 오히려 언급된 항목 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다.
용어 "갖는", "구성되는", "포함하는" 및 이들의 변형은 구성 요소의 존재를 의미한다.
용어 "자발적 수화 특성(spontaneous hydration property)"은 그러한 재료가 물과 혼합될 때 재료의 조기 및/또는 즉시 수화를 지칭한다. 트리칼슘 실리케이트(Tricalcium silicate)는 이러한 자발적 수화 특성의 예이다.
용어 "유도된 수화 특성(induced hydration property)"은 이러한 재료가 물과 혼합될 때 재료의 나중에, 느리게 및/또는 시간 의존적 수화를 지칭한다. 디칼슘 실리케이트(Dicalcium silicate)는 이러한 유도된 수화 특성의 예이다.
용어 "화학적으로 활성화된 물질"은 원하는 화학적 반응 및/또는 결과를 달성하기 위해 화학적으로 활성화되는 물질을 지칭한다.
용어　"기계적으로 개질된 물질"이라는 원하는 크기 및 에너지를 가함으로써 입자 크기가 전제 조건(prerequisite) 입자 크기로 변형될 수 있는 물질을 의미하는 것으로 이해된다.
용어 "pH 조절제"는 여기서 pH 균형제를 의미하는 것으로 이해된다. 구체적으로, 본 발명에서 이러한 "pH 조절제"는 매트릭스의 염기도를 증가시키는 일반 염기 화합물로 지칭된다.
용어　"반응 활성화제(reaction activator)"라는 용어는 여기서 플라이 애쉬에 대한 천연 포졸란 반응을 촉진할 수 있는 화합물을 의미하는 것으로 이해된다.
용어 "레올로지 개질제(rheology modifying agent)"는 여기서 콘크리트 조성물의 점도 및/또는 초기 결합 특성을 개질할 수 있는 화합물을 의미하는 것으로 이해된다.
이하에 언급된 용어 "포졸란 활성"은 당 업계에서 이해되는 바와 같이 물의 존재하에 수산화칼슘을 결합시키는 능력을 의미한다.
본 명세서에 제공된 모드 평균 입자 직경(mode average particle diameter)은 입자 빈도 분포 곡선의 피크인 것으로 이해된다. 간단히 말해서 상기 모드는 입자 빈도 분포 곡선에서 가장 높은 피크이다. 상기 모드는 입자 빈도 분포 곡선에서 가장 일반적으로 발견되는 입자 크기(또는 크기 범위)를 나타낸다.
본 명세서에서 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경(smallest fine aggregate mode average particle diameter)은 상기 콘크리트 골재에 존재하는 최소 미세 입자의 모드 평균 입자 직경으로 지칭된다. 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경은 따라서 콘크리트 골재의 최소 입자의 격자 배열의 명확한 컷 아이디어(cut idea)를 제공한다.
또한, 입자 크기 분포(particle-size distribution, PSD) 분석은 본 명세서에서 주어진 콘크리트 골재 샘플에 존재하는 다양한 입자 크기 범위의 비율/분포에 대한 수학적 표현으로 지칭된다. 일반적으로 부피, 면적, 길이 및 수량은 콘크리트 골재 샘플에 존재하는 입자량을 결정하기 위한 표준 치수로 사용된다. 그러나 콘크리트 골재 샘플의 부피는 주어진 콘크리트 골재 샘플에 존재하는 다양한 입자 크기 범위의 비율을 알아내는 가장 쉬운 치수 및/또는 방법으로 간주된다.
현재 전 세계적으로 CO2 배출량을 줄이려는 압력으로 인해 모든 국가에서 탄소 발자국(carbon foot print)이 적은 더 나은 기술과 제품을 찾고 있다. 시멘트 생산은 매우 많은 양의 이산화탄소를 생산하는 주요 산업 중 하나이다. 따라서 시멘트 및 콘크리트 생산 과정에서 전체 CO2 배출량을 줄이는 더 좋은 방법을 찾는 것이 항상 바람직하다. 그러나 시멘트와 콘크리트 생산 자체가 표준량의 CO2를 방출하기 때문에 이것을 CO2 방출을 최소화하는 최종적이고 완전한 솔루션으로 간주할 수는 없다.
콘크리트 생산에서 시멘트의 사용을 줄이는 또 다른 해결책이 있지만 여전히 상기 시멘트 감소는 콘크리트 인프라구조의 최종 강도에 악영향을 미친다. 따라서, 본 시멘트 바인더는 시멘트의 전체 사용을 자동으로 감소시키고 동시에 최종 콘크리트 인프라구조에 대한 향상된 결합력 및 높은 강도를 제공하는 방식으로 개조된다.
본 발명에 기재된 콘크리트 바인더 조성물은 상기 콘크리트 입자의 완전한 격자 패킹(lattice packing)을 보장하는 특수하게 조작된 콘크리트 바인더 조성물이다. 상기 격자 패킹은 최종 콘크리트 구조물의 개선된 내구성 지수를 보장하기 위해 Macro-Micro-Nano 수준으로 조작된다.
또한 본 발명 콘크리트 바인더 조성물은 제조시 상기 포졸란 물질의 보다 나은 이용 수단을 제공하고 동시에 포졸란 물질의 실질적인 첨가에도 불구하고 초기 강도 특성의 향상을 나타낸다.
따라서, 본 콘크리트 바인더 조성물은 적어도 하나의 제1바인더 및 적어도 하나의 제2바인더로 구성된다. 상기 제1바인더 바인더는 상기 콘크리트 바인더 조성물의 10 내지 60 중량%의 비율로 존재하고, 상기 제2바인더 바인더는 40 내지 90 중량%의 비율로 존재한다.
상기 제1바인더는 자발적 수화 특성을 갖는 제1물질 군으로부터 선택된다. 당업자는 이러한 자발적 수화 특성을 나타내는 물질이 트리칼슘 실리케이트(Tricalcium silicate), 칼슘 하이드록사이드(Calcium hydroxide), 모노설페이트(Monosulfate), 모노카보네이트(Monocarbonate) 및 이러한 자발적 수화 특성을 나타내는 다른 공지된 재료 중 어느 하나로부터 선택될 수 있음을 잘 이해해야 한다. 상기 제1바인더는 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/25th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함한다. 당업자에게는 제1바인더의 상기 ahem 평균 입자 직경이 특정 콘크리트 골재 물질의 최소 미세 골재 입자의 모드 평균 입자 직경에 따라 추가로 변형될 수 있음을 잘 알고 있다.
바람직한 실시 예에서, 상기 제1물질 군은 통상의 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement), 기계적으로 조작된 보통 포틀랜드 시멘트, 화학적으로 조작된 플라이 애쉬, 화학적으로 조작된 고로 슬래그(blast furnace slag) 중 하나 이상으로부터 선택되지만 이에 제한되지는 않는다. 기계적으로 조작된 보통 포틀랜드 시멘트는 기계의 적용을 수반하는 임의의 공정을 통해 보통 포틀랜드 시멘트 입자 크기를 원하는 크기 수준으로 변형시키는 것으로 본 명세서에서 지칭되는 것으로 이해된다. 그라인딩(grinding), 크러싱(crushing), 과열 증기를 사용한 증기 제트 밀링(steam jet milling), 전기력에 의한 입자 분해, 자력에 의한 입자 분해는 본 발명의 정신하에서 통상적인 포틀랜드 시멘트 입자 크기를 원하는 크기 수준으로 개질하기 위한 기계의 적용의 예로서 간주되어야 한다.
또한, 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경은 원료 콘크리트의 입자 크기 분포(PSD) 분석에 의해 결정된다.
바람직한 실시 예에서, 상기 제2바인더는 유도된 수화 특성을 갖는 제2물질 군으로부터 선택된다. 이러한 유도된 수화 특성을 나타내는 물질은 디칼슘 실리케이트(Dicalcium Silicate), 칼슘 히드록사이드(Calcium Hydroxide), 플라이 애쉬(Fly Ash), 포졸란 활성(pozzolanic activity)을 부여하는 물질 및 이러한 유도된 수화 특성을 나타내는 다른 공지된 물질 중 임의의 하나로부터 선택될 수 있음을 당업자는 잘 이해해야 한다. 여기서, 포졸란 활성을 부여하는 상기 물질은 천연 포졸란 물질, 인공 포졸란 물질 중 하나 이상으로부터 선택된다.
바람직한 실시 예에서, 상기 인공 포졸란 물질은 하나 이상의 화학적으로 활성화된 물질 및 하나 이상의 기계적으로 조작된 물질로부터 선택된다. 상기 하나 이상의 화학적으로 활성화된 물질 및 상기 하나 이상의 기계적으로 조작된 물질은 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재(volcanic ash) 물질, 석영 물질(quartz material) 및/또는 포졸란 물질(pozzolanic material)로부터 선택된다.
예시적인 실시 예에서, 상기 인공 포졸란 물질은 Ground Granulated Blastfurnace Slag(GGBS); Lightweight Expanded Clay Aggregate(LECA); Pulverised Fuel Ash(PFA); Calcined Clay(Metastar); Microsilica(MS); Rice Husk Ash(RHA); Red Brick Dust(RBD); Tile and Yellow Brick Dust(YBD)로부터 선택되나 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 제2바인더는 가장 작은 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/625th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함한다. 제2바인더의 상기 모드 평균 입자 직경은 특정 콘크리트 골재 원료의 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 요구 및 필요에 따라 추가로 변형될 수 있음은 당업자에게 잘 이해된다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 또한 리그노술포네이트(lignosulfonate) 화합물, 폴리카르복실레이트(Polycarboxylate) 화합물, 술폰화 나프탈렌 포름알데히드(Sulphonated naphthalene formaldehyde), 술폰화 멜라민 포름알데히드(Sulphonated melamine formaldehyde) 중 하나로부터 선택된 레올로지 개질제(rheology modifying agent)를 포함한다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 또한 알칼리 금속 그룹의 수산화물(hydroxide), 알칼리 토금속 그룹의 수산화물 중 하나 이상으로부터 선택된 pH 조절제를 함유한다. 당업자는 이러한 pH 조절제가 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화마그네슘, 수산화칼슘 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있음을 이해해야 한다. 구체적으로, 상기 pH 조절제는 수산화칼슘으로부터 선택된다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 또한 반응 활성화제를 함유한다. 상기 반응 활성화제는 산화마그네슘 및 산화칼슘과 같은 알칼리 토금속 그룹의 산화물(oxide), 수산화마그네슘 및 수산화칼슘과 같은 알칼리 토금속 그룹의 수산화물, 탄산마그네슘 및 탄산칼슘과 같은 알칼리 토금속 그룹의 탄산염(carbonate) 중 하나로부터 선택된다.
예시적인 실시 예에서, 상기 pH 조절제 및 반응 활성화제는 상기 제2물질 군의 상기 포졸란 물질을 화학적으로 변형시킨다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명의 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 상기 제1물질 군 및 상기 제2물질 군은 마크로-마이크로-나노 입자 격자 배열을 형성하여 최종 콘크리트 재료의 강도 특성 및 내구성 지수를 증가시킨다. 또한, 상기 제2바인더는 제1물질 군의 격자 배열에 의해 형성된 공극을 컴팩트하게 차지하도록 적용된다.
따라서, 본 발명의 양태는 결합 특성이 개선된 친환경 콘크리트 바인더 조성물에 관한 것이다. 또한, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 최종 콘크리트 구조물의 전체 내구성 특성을 향상시킨다.
특히 본 콘크리트 바인더 조성물은 탄소 발자국의 전반적인 감소, 클링커 인자(clinker factor)의 전반적인 감소, 개선된 결합 특성을 제공하고, 콘크리트 생산에서의 포졸란 물질의 더 나은 이용은 본 발명에 의해 달성되는 바람직한 이점의 일부 예이다.
최선의 작업 방식(BEST MODE OF WORKING)
본 발명의 최선의 작업 방식은 매크로에서 마이크로에서 나노 스케일까지 컴팩트하게 패킹된 입자 격자 배열을 갖는 특수하게 조작된 콘크리트 바인더 조성물을 제공한다. 상기 콘크리트 바인더 조성물은 콘크리트 혼합물을 제조하는 동안 훨씬 감소한 양의 시멘트 재료를 이용한다.
또한, 상기 콘크리트 바인더 조성물은 탄소 발자국의 가능한 최대 감소를 달성하기 위해 시멘트 대체물로서 다량의 포졸란 물질을 함유한다. 또한, 상기 콘크리트 바인더 조성물은 또한 초기 강도가 높을 뿐만 아니라 완제품, 특히 콘크리트 및 보조 콘크리트 제품에 대한 높은 내구성 지수를 약속한다.
구체적으로, 매크로에서 마이크로에서 나노 스케일 범위의 상기 촘촘하게 패킹된 입자 격자 배열은 본 발명의 특수하게 설계된 콘크리트 바인더 조성물의 골격이다. 이 특별한 특성(particular property)은 입자 크기 분포(PSD) 분석을 통해 주어진 콘크리트 원료의 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경을 결정함으로써 달성된다. 이제, 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경을 기초로 제1바인더 및 제2바인더가 제조된다.
상기 제1바인더는 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/25th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함한다. 상기 제2바인더는 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/625th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함한다. 모드 평균 입자 직경의 이러한 한계는 본 발명을 설명하기 위해 여기에 제공되지만, 이러한 한계 미만의 모드 평균 입자 직경은 본 발명의 범주에 속하는 것으로 간주되어야 한다.
주어진 콘크리트 원료의 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경("S0"으로 표시됨)과 관련하여 상기 제2바인더뿐만 아니라 상기 제1바인더의 모드 평균 입자 직경을 동결(freeze)시키는 것이 중요하다. 상기 제1바인더뿐만 아니라 상기 제2바인더의 상기 모드 평균 입자 직경은 분쇄, 분쇄, 마모, 분쇄, 압축 공기를 이용한 제트 분쇄, 제트 분쇄와 같은 다양한 입자 크기 변형 공정 및 기술을 통해 달성된다. 과열 증기, 레이저 기반의 입자 파쇄. 상기 제1바인더 및 상기 제2바인더의 상기 모드 평균 입자 직경은 그라인딩(grinding), 크러싱(crushing), 마손(attrition), 밀링, 압축 공기를 사용한 제트 밀링, 과열 증기를 사용한 제트 밀링(steam jet milling), 레이저 기반 입자 분쇄와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 입자 크기 변형 공정 및 기술을 통해 달성된다.
예시적인 실시 예에서, 상기 제1바인더 및 상기 제2바인더의 모드 평균 입자 직경은 S1, S2, S3, S4 ............ SN 모드 평균 입자 직경의 예에 의해 이해되어야 한다. 여기서, 상기 S1 모드 평균 입자 직경은 모드 평균 직경이 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경 (S0)의 대략 1/4th 내지 1/5th인 입자인 것으로 이해된다.
또한, S2 모드 평균 입자 직경은 S1 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자의 대략 1/4th 내지 1/5th인 입자인 것으로 이해된다. 따라서, S3 모드 평균 입자 직경은 S2 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자의 대략 1/4th 내지 1/5th인 입자인 것으로 이해된다. 유사하게, S4 모드 평균 입자 직경은 S3 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자의 대략 1/4th 내지 1/5th인 입자인 것으로 이해된다.
정의된 모드 평균 입자 직경을 갖는 이러한 일련의 상이한 입자 크기는 기계적 처리에서 화학적 처리에 이르는 다양한 입자 크기 개질 기술을 통해 달성된다. 일련의 상이한 모드 평균 입자 직경을 갖는 상이한 입자 크기의 이러한 최적화는 매크로-마이크로-나노 수준에 이르는 입자 격자 구조의 완전한 패킹을 제공한다. 이 혼합물은 입자 격자 구조의 최대 공극을 채우기 위한 완벽한 입자 화학을 제공하고 콘크리트 재료의 초기 설정(early setting) 및 후기 설정(latter setting)과 관련된 콘크리트 화학을 개선한다.
또한, 도 1 및 도 2는 각각 BCC(Body Centered Cubic) 및 FCC(Face Centered Cubic) 격자 배열의 공극(void)을 도시한다. 상기 제1바인더 및 상기 제2바인더는 상이한 입자 격자 배열에 의해 형성된 바와 같이이 공극 공간을 차지하도록 설계되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 제1바인더 및 상기 제2바인더는 서로의 입자의 공극을 차지하도록 및 그 반대로, 즉 제2바인더 내에 콤팩트하게 패킹된 제1바인더 및 제1바인더 내에 콤팩트하게 패킹된 제2바인더 및/또는 제1바인더 내에 콤팩트하게 패킹된 제1 및 제2바인더 및/또는 제2바인더 내에 콤팩트하게 패킹된 제1 및 제2바인더로 컴팩트하게 배치된다. 따라서, 최종 콘크리트 바인더에 대해 완전한 3차원 입자 패킹이 얻어진다.
본 명세서에 기재된 바와 같은 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경은 상기 콘크리트 골재의 최소 미세 입자의 모드 평균 입자 직경을 의미한다. 상기 콘크리트 골재의 최소 미세 입자의 모드 평균 입자 직경을 결정하는 주요 목적은 상기 콘크리트 골재의 최적 공극 구조를 아는 것입니다. 또한, 콘크리트 골재의 최적 공극 구조에 대한 지식은 특수 가공된(engineered) 물질로 공극을 채우는데 도움이 된다. 상기 특수 가공된 물질은 보통 포틀랜드 시멘트, 기계적으로 조작된 보통 포틀랜드 시멘트; 및/또는 플라이 애쉬, 기계적으로 개질된 플라이 애쉬, 화학적으로 개질된 플라이 애쉬, 화학적으로 개질된 고로 슬래그, Ground Granulated Blast Furnace Slag(GGBS), Lightweight Expanded Clay Aggregate(LECA), Pulverized Fuel Ash(PFA), Calcined Clay(Metastar), Microsilica(MS), Rice Husk Ash(RHA), Red Brick Dust(RBD), Tile And Yellow Brick Dust(YBD)과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 포졸란 활성을 부여하는 물질 중 하나 이상으로부터 선택된다.
상기 모든 물질을 건조하고 각각의 중량비로 적절한 블렌더에 혼합하여 최종 콘서트 바인더 조성물을 제조한다. 상기 분류(categorization), 즉 제1바인더 및 제2바인더 및 이러한 특수하게 조작된 물질의 비율은 다양한 하기 실시 예를 통해보다 잘 이해되어야 한다.
일 실시 예에서, 표 1은 상기 콘크리트 바인더 조성물의 일례를 제공한다.
[표 1]
Figure pct00001
다른 실시 예에서, 이 모든 성분들은 블렌더에서 균일하게 혼합되며 콘크리트 바인더로 사용되는 일반적인 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC), 또는 일반적인 포틀랜드 포졸라나 시멘트(Portland Pozzolana cement, PPC) 또는 일반적인 포틀랜드 슬래그 시멘트(Portland Slag Cement, PSC)를 사용하는 것과 유사한 방식으로 사용하는 것이 좋다. 그러나 이러한 상당한 비율의 마이크로 및 나노 입자를 갖는 상기 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물을 사용함으로써, 상기 콘크리트 혼합물의 레올로지가 또한 개질되어 전체 물 요구량을 감소시키고 따라서 상기 콘크리트 구조의 최종 강도를 증가 시킨다는 것이 실험적으로 입증되었다.
또 다른 예시적인 실시 예에서, 표 2는 상기 콘크리트 바인더 조성물의 다른 예를 제공한다.
[표 2]
Figure pct00002
또 다른 예시적인 실시 예에서, 표 3은 상기 콘크리트 바인더 조성물의 다른 예를 제공한다.
[표 3]
Figure pct00003
신중한 실험 관찰 후, 본 발명의 특수하게 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 다양한 콘크리트 산업 표준에서 요구되는 바와 같이 모든 기계적 특성, 설정 시간 특성, 화학적 특성, 순도 특성(fineness property) 및 생산 비용을 만족시킨다고 결론 지었다.
본 발명은 그 사용 및 결합 특성과 관련하여 몇 가지 다른 장점을 제공한다. 상기 콘크리트 바인더 조성물은 보통 포틀랜드 시멘트 대신 최대량의 포졸론 물질을 사용하고 동시에 상기 콘크리트 산업에서 요구되는 개선된 강도 설정 특성을 제공한다.
본 발명은 현재 바람직한 본 발명의 실시 방식을 포함하는 특정 조성물에 대하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 상술된 실시 예의 수많은 변형 및 치환이 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 본 명세서에 설명된 구성 요소의 구조 및 배열의 세부 사항에 대한 적용으로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 전술한 것의 변형 및 수정은 본 발명의 범위 내에 있다.
따라서, 이들 실시 예의 많은 변형이 본 발명의 범위 내에서 예상된다.
본 발명의 특정 실시 예의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된다. 이들은 포괄적이거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 상기 교시의 관점에서 명백하게 많은 수정 및 변형이 가능하다. 본 실시 예는 본 발명의 원리 및 그 실제 응용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 기술되었으며, 그로 인해 당업자가 본 발명 및 고려된 특정 용도에 적합한 다양한 변형을 지닌 다양한 실시 예를 활용할 수 있다. 부수적 문제를 제안하거나 적절한 것으로 제시될 수 있기 때문에 등가물의 다양한 생략 및 대체가 고려될 수 있지만, 이는 본 발명의 사상 또는 범주를 벗어나지 않고 응용 또는 실시를 포함하도록 의도된 것으로 이해된다.

Claims (14)

  1. 전체적으로 감소한 클링커 인자(clinker factor)를 포함하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물에 있어서,
    상기 콘크리트 바인더 조성물은 10 내지 60 중량%의 비율로 적어도 하나의 제1바인더, 40 내지 90 중량%의 비율로 적어도 하나의 제2바인더를 포함하고;
    상기 제1바인더는 자발적 수화 특성(spontaneous hydration property)을 갖는 제1물질 군으로부터 선택되고, 상기 제2바인더는 수화 유도 특성(induced hydration property)을 갖는 제2물질 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1바인더는 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/25th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경은 원료 콘크리트 재료의 최소 미세 응집 분율(smallest fine aggregate fraction)의 입자 크기 분포(PSD) 분석에 의해 결정되는
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질 군은 일반적인 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement), 기계적으로 조작된 보통 포틀랜드 시멘트, 화학적으로 조작된 플라이 애쉬, 화학적으로 조작된 고로 슬래그(blast furnace slag) 중 하나 이상으로부터 선택되는
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2바인더는 최소 미세 응집 모드 평균 입자 직경의 1/4th 내지 1/625th 범위의 모드 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2물질 군은 적어도 포졸란 활성을 부여하는 물질로부터 선택되는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포졸란 활성을 부여하는 상기 물질은 천연 포졸란 물질, 인공 포졸란 물질 중 적어도 하나로부터 선택되는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인공 포졸란 물질(pozzolanic material)은
    플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재(volcanic ash) 물질, 석영 물질(quartz material) 및/또는 포졸란 물질(pozzolanic material)로부터 선택된 화학적으로 활성화된 물질;및
    플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재(volcanic ash) 물질, 석영 물질(quartz material) 및/또는 포졸란 물질(pozzolanic material)로부터 선택된 기계적으로 활성화된 물질을 포함하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    레올로지 개질제, pH 조절제, 반응 활성화제를 추가로 포함하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 레올로지 개질제는 리그노술포네이트(lignosulfonate) 화합물, 폴리카르복실레이트(Polycarboxylate) 화합물, 술폰화 나프탈렌 포름알데히드(Sulphonated naphthalene formaldehyde), 술폰화 멜라민 포름알데히드(Sulphonated melamine formaldehyde) 중 하나로부터 선택되는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 pH 조절제는 알칼리 금속 그룹의 수산화물(hydroxide), 알칼리 토금속 그룹의 수산화물 중 하나 이상으로부터 선택되는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 반응 활성화제는 알칼리 토금속 그룹의 산화물(oxide), 알칼리 토금속 그룹의 수산화물, 알칼리 토금속 그룹의 탄산염(carbonate) 중 어느 하나로부터 선택되는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질 군 및 상기 제2물질 군은 최종 콘크리트 재료의 강도 특성 및 내구성 지수를 증가시키기 위해 마크로-마이크로-나노(Macro-Micro-Nano) 입자 격자 배열을 형성하는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2물질 군은 상기 제1물질 군의 격자 배열에 의해 형성된 공극을 컴팩트하게(compactly) 점유하도록 적용되는 신규 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
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