KR20200119855A

KR20200119855A - 콘크리트 및 모르타르에서의 사막 모래 및 필라멘트상 셀룰로스

Info

Publication number: KR20200119855A
Application number: KR1020207026169A
Authority: KR
Inventors: 에릭 올리비에; 샤오린 카이; 캐롤 라로슈; 샤오유 왕
Original assignee: 에프피이노베이션스
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-10-20
Also published as: EP3752473A1; CA3090039C; CA3090039A1; CN111954648A; US20210214277A1; US11708304B2; BR112020016326A2; CN111954648B; EP3752473A4; WO2019157593A1; JP2021514343A

Abstract

본 발명은, 하급품 모래, 예컨대, 사막 모래, 수경성 결합제(시멘트) 및 필라멘트상 셀룰로스를 갖는 콘크리트 및 모르타르 믹스 그리고 이의 조성물을 제공하되, 여기서 사막 모래/구형 모래가 통상의 콘크리트 강 모래를 대체한다. 본 개시내용은 또한 수경성 결합제(시멘트)를 구비한 모래 접착 첨가제 및 콘크리트/모르타르로서의 필라멘트상 셀룰로스, 예컨대, 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC), 및 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 또한 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지하고 따라서 유사하게 건축 자재의 안정화에 기여하는 방법에 관한 것이다.

Description

콘크리트 및 모르타르에서의 사막 모래 및 필라멘트상 셀룰로스

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2018년 2월 13일자로 출원된 미국 가출원 제62/629,851호의 유익을 주장하고, 이 기초출원의 내용은 이의 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

기술 분야

본 개시내용은 일반적으로 콘크리트 및 모르타르 재료에서의 하급품 모래, 예컨대, 사막 모래/구형 모래(spherical sand) 및 필라멘트상 셀룰로스(filamentous cellulose) 재료의 사용에 관한 것이다.

잔골재(fine aggregate)(모래), 조골재(coarse aggregate)(자갈) 및 수경성 결합제(hydraulic binder)(시멘트)는, 물과 배합될 경우 매우 흔한 건축 자재를 생성하는 콘크리트 및 모르타르의 제조에 사용되는 주된 원료이다. 이들 3가지 원료 중, 골재 - 모래 및 자갈 - 는 가장 많은 비율의 일차적 재료 투입(2010년에 년당 28.6 기가톤)을 구성하고 전세계적으로 가장 추출된 재료의 그룹이다(Torres et al., 2017, Science, 357: 970-971). 모래는 균질하지 않고 형상으로 분류되며, 장방형에서부터, 뾰족한 각진 상태 내지 거의 구형의 평활한 상태까지의 형태를 갖는다. 거친 표면 및 뾰족한 각진 형상을 가진 중간 내지 굵은 모래, 예컨대, 강둑 모래 또는 해안 모래 알갱이는 콘크리트를 제조하기 위하여 선호된다. 다른 한편, 사막 모래는 거의 장방형의 구형 형상과 평활한 표면을 갖는 미세한 모래로서 분류되며; 이는 콘크리트 및 시멘트에서 사용하거나 또는 바다에 새 땅을 쌓아 올리는데 사용하기에 부적합한 것으로 여겨진다.

암석으로부터의 강 모래 또는 분쇄 모래는 콘크리트를 제조하기 위한 잔골재의 1차 선택지이다. 그러나, 강 모래 및 해변 모래는, 세계적으로 건축 산업에서 그에 대한 방대한 수요로 인해 크게 고갈되어 왔다. 해변, 섬 및 대양에서 준설한 해양 모래는 콘크리트를 제조하는데 사용될 수 있지만, 콘크리트, 특히 철근 콘크리트의 부식을 방지하기 위하여 고염함량을 제거하는 집중적인 세척을 필요로 한다. 해저 준설은 광범위한 환경적 손상을 일으키고 또한 숨막히는 모래폭풍, 유기체의 사멸, 산호초 및 기타 서식처의 파괴를 초래하고, 이는 물 순환의 패턴을 변경시킨다. 몇몇 극도의 시나리오에서, 모래의 글로벌 공급사의 남획은 지역사회를 위태롭게 하고 불법적인 모래 준설에 대한 격렬한 충돌을 조장한다.

이러한 강/각진 모래 부족 위기를 극복하기 위하여, 사막 모래를 건축 모래로서 사용하는 노력이 전세계적으로 이루어져 왔다. WO 84/02520은 석영 모래를 원료로서 사용하여 1400 내지 1650℃에서의 소결에 공급한 후에 성형하는 방법을 교시하고 있다. 이 방법으로 얻어진 본체는 타일, 바닥 타일, 지붕 타일 벽돌로서 그리고 기타 건축 자재로서 사용될 수 있다. 그러나, 이들은 콘크리트의 미립자 골재에 대한 대체품을 제공하지 않는다.

미국 특허 출원 공개 제2017/0152176호는 열처리를 이용해서 사막 모래를 용융시켜 중간 박판 제품을 형성하는 방법을 기술한다. 이어서, 용융된 사막 모래의 박판을 분쇄하여 천연 유래 강, 해양 모래 또는 돌로부터의 인공 분쇄 모래와 유사한 거친 표면 및 예리한 각도의 자갈을 얻는다. 사막 모래를 사막 모래의 융점까지 최대 적어도 1700℃까지 가열시켰다. 원하는 결과는 최대 1810℃의 온도를 필요로 하며, 이는 집중적 에너지 소비를 필요로 하는 접근법이다. 미국 특허 출원 공개 제2017/0152176호는 또한 태양광선 다발을 통해서 용융 온도를 생성하는 방법을 교시하지만; 온도를 정확하게 조정할 수 없다.

CN1062535는 도로 건설용 사막 모래를 사용하는 방법을 교시하며, 여기서 산화나트륨(Na₂O) 및 실리카(이산화규소, SiO₂)를 함유하는 규산나트륨(물유리(water glass))은 사막 모래 골재를 접합하는 페이스트로서 시멘트를 대체하는데 사용된다. 물유리의 혼화제(admixture)는 필요한 방수 특성을 얻기 위하여 최대 80℃로 가열해야 한다.

WO 2011/132841은 토양, 산업 폐기물, 해양 모래 및 사막 모래를 결합시키는 일련의 무기염을 구성하는 경화재(curing material)를 기재한다. 경화염(curing salt)은 염화마그네슘, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 황산나트륨, 삼인산나트륨 및 리그노황산나트륨을 포함한다.

DE202006012396은 폴리에스터 수지, 메틸 메타크릴 수지, 에폭시 수지 또는 기타 반응성 수지와 같은 최대 18%의 합성 수지를 기타 화학 첨가제 및 보조 촉진제와의 결합제로서 사용하여 사막 모래로 중합체 콘크리트를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 중합체 콘크리트는 고함량의 합성 수지로 인해 건축 자재에서 사용되는 통상의 콘크리트와는 상이하다.

CN 105036651 및 CN 105036652는 각각 사막 모래를 사용해서 시멘트와 모래 골재 사이의 결합을 보장하기 위하여 시멘트 요건을 증가시키면서 보통의 건축 모래의 일부를 대체하는 방법을 교시하고 있다. 비산회 및 감수제(water reducing agent)는 또한 기재된 시멘트/콘크리트 믹스에서 사용되었다.

CN 106699218은 사막 모래, 시멘트, 석고, 산화칼슘(생석회) 및 발포제를 사용하여 물과 혼합하는 방법을 기술하고 있다. 이 혼합물은 일정 시간 기간 동안 성형하고 경화(harden)시켰다. 이어서, 경화된 벽돌을 가압 증기로 양생(cure)시켜 건축 용도용의 콘크리트 벽돌을 형성한다.

우수한 기계적 성능 및 내구성 콘크리트 복합재를 개발하기 위하여, 나노크기(나노금속 산화물, 나노점토, 탄소 나노섬유 및 탄소 나노튜브 등) 물체를 콘크리트에 혼입시켜 그의 나노구조를 조작하고 그의 매크로 거동을 제어하기 위한 노력이 이루어졌다.

거친 표면을 갖는 뾰족한 각진 형상을 요구하는 고품질 건축 자재에 대한 세계적 요구를 충족시키기 위한 경제적인 대량 생산 가능하고 환경 친화적인 해결책을 제공하는 방법을 제공할 필요성이 여전히 있다. 또한, 콘크리트 제조, 새로운 토지의 복구에서의 사용 및 저급품 모래를 갖는 고급품 콘크리트의 제조를 위해 이용 가능한 막대한 양의 사막 모래를 사용하는 수단이 제공될 필요가 있다.

일 양상에 따르면, 수경성 결합제; 2.9 미만의 조립률(fineness modulus)을 가진 모래; 및 필라멘트상 셀룰로스를 포함하는 콘크리트 조성물이 제공된다.

일 실시형태에 있어서, 모래는 2.11 미만의 조립률을 갖는다.

추가의 실시형태에 있어서, 모래는 사막 모래 또는 오타와 모래(Ottawa sand)이다.

또 다른 실시형태에 있어서, 사막 모래는 황색 사막 모래(Yellow desert sand), 사구 모래(dune sand), 카타르 사막 모래(Qatar desert sand), 고비 사막 모래(Gobi desert sand), 적색 사막 모래(Red desert sand), 흑색 사막 모래(Black desert sand), 또는 이들의 조합이다.

추가의 실시형태에 있어서, 필라멘트상 셀룰로스는 셀룰로스 필라멘트(cellulose filament: CF), 셀룰로스 나노 필라멘트(cellulose nano filament), 셀룰로스 나노파이브릴(cellulose nanofibril: CNF) 또는 미소섬유상 셀룰로스(microfibrillated cellulose: MFC)이다.

일 실시형태에 있어서, 필라멘트상 셀룰로스는 평균 길이가 최대 약 2㎜, 그리고 평균 폭이 약 3㎚ 내지 약 500㎚이다.

또 다른 실시형태에 있어서, 수경성 결합제는 포틀랜드 시멘트(Portland cement), 고알루미나 시멘트(high alumina cement), 석회 시멘트, 킬른 더스트 시멘트(kiln dust cement), 고 인산염 시멘트(high phosphate cement), 고로 슬래그 미분말 시멘트(ground granulated blast furnace slag cement), 비산회, 석회, 석고 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.

특정 실시형태에 있어서, 수경성 결합제는 포틀랜드 시멘트이다.

일 실시형태에 있어서, 수경성 결합제에 대한 필라멘트상 셀룰로스는 수경성 결합제의 5 중량% 미만의 중량%이다.

또 다른 실시형태에 있어서, 수경성 결합제에 대한 필라멘트상 셀룰로스의 중량%는 0.05 중량% 내지 2.5 중량%의 범위이다.

일 실시형태에 있어서, 본 명세서에 기재된 조성물은 조골재를 더 포함한다.

일 실시형태에 있어서, 조골재는 자갈, 굵은 골재(coarse), 규산염, 점토, 금속 산화물, 금속 수산화물, 또는 이들의 혼합물이다.

대안적인 실시형태에 있어서, 조골재는 약 5㎜ 내지 약 40㎜의 평균 입자 크기의 범위이다.

일 실시형태에 있어서, 본 명세서에 기재된 조성물은 2.9 초과의 조립률을 가진 모래를 더 포함한다.

또 다른 실시형태에 있어서, 2.9 초과의 조립률을 가진 모래는 천연 모래이다.

일 실시형태에 있어서, 천연 모래는 강 모래, 강둑 모래, 바다 모래, 또는 이들의 조합이다.

또 다른 실시형태에 있어서, 2.9 초과의 조립률을 가진 모래는 라파즈 모래(Lafarge sand)이다.

일 실시형태에 있어서, 상기 조성물은 콘크리트/모르타르 믹스, 콘크리트 믹스, 모르타르 믹스, 모르타르 조성물, 또는 콘크리트/모르타르 모래 접착 첨가제이다.

수경성 결합제를 제공하는 단계, 2.9 미만의 조립률을 가진 모래를 제공하는 단계, 필라멘트상 셀룰로스를 제공하는 단계 및 수경성 결합제와, 사막 모래와, 필라멘트상 셀룰로스를 혼합하는 단계를 포함하되, 필라멘트상 셀룰로스는 수경성 결합제 및 모래에 부착되는 망상체를 생성하는, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법이 또한 제공된다.

일 실시형태에 있어서, 본 명세서에 기재된 방법은 조골재를 첨가하는 단계를 더 포함한다.

일 실시형태에 있어서, 본 명세서에 기재된 방법은 2.9 초과의 조립률을 가진 모래를 추가로 혼합하는 단계를 더 포함한다.

또 다른 실시형태에 있어서, 본 명세서에 기재된 방법은 콘크리트 조성물을 양생(curing)시키고 주조하는(casting) 단계를 더 포함한다.

이제 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 하기 상이한 공급원으로부터의 모래의 25배 배율의 광학 현미경 사진을 예시한다: (A) 전형적으로 고비 사막, 사하라 사막, 카라쿰 사막, 타르 사막, 루트 사막(Dasht-e-Lut), 아라비아 사막 및 모하비 사막 유래의 황색 사막 모래; (B) 강 모래; (C) 오타와 모래; (D) 사구 모래; (E) 라파즈 건축 모래; (F) 카타르 사막 모래; (G) 고비 사막 모래; (H) 전형적으로 오스트레일리아 사막, 나미브(Namib) 사막, 칼라하리 사막, 마다가스카르 가시덤블(Madagascar Spiny) 사막, 및 소노라 사막 유래의 적색 사막 모래; 및 (I) 칼라하리 사막, 카라쿰 사막, 세추라(Sechura) 사막, 태평양 섬 사막 및 인도양 섬 사막 유래의 흑색 사막 모래.
도 2는 (A) 누적 통과 퍼센트(Cumulative percent passing) 대 입자 크기 및 (B) 개별 체류 분율 대 입자 크기를 도시하는 (ASTM C136-01)에 따른 모래의 체(sieve) 분석이며, 여기서 1: 라파즈 건축 모래; 2: 오타와 모래, 3: 황색 사막 모래; 4: 사구 모래; 5: 카타르 사막 모래; 6: 고비 사막 모래; 7: 적색 사막 모래 및 8: 흑색 사막 모래.
도 3은 일 실시형태에 따른 우측 상의 콘크리트 조성물 샘플 및 시험에 사용된 금속 실린더(좌측, 치수 5.1㎝ 직경×5.1㎝ 높이, 용적 104㎤)에 셋업된 플로 테이블 시험(flow table test)의 사진이고, 이 사진에서의 콘크리트 혼화제는 시멘트, 사막 모래 및 0.3% CF 대 시멘트 결합제의 비로 이루어지고, 여기서 물/시멘트(W/C) 비는 1이고 모래/시멘트(S/C) 비는 2이다.
도 4는 1의 물/시멘트 비, 2의 모래/시멘트 비에서의 시멘트 및 모래 모르타르의 유동성을 나타낸 사진이며, 여기서 샘플 (1)은 황색 사막 모래(21.3㎝ 직경의 유동성을 가짐)로 제조된 모르타르였고; 샘플 (2)는 일 실시형태에 따른 사막 모래 및 시멘트당 0.14% CF(15.5㎝ 직경을 가짐)로 제조되었으며; 샘플 (3)은 일 실시형태에 따른 황색 사막 모래 및 시멘트당 0.275% CF로 제조되었고; 샘플 4는 일 실시형태에 따른 황색 사막 모래 및 시멘트당 1.4% CF로 제조되었으며; 그리고 샘플 5는 CF 없이 강 모래(15.1㎝ 직경을 가짐)로 제조된 시멘트 모르타르였다.
도 5는 도 4로부터의 사막 모래를 가진 건조된 모르타르 샘플의 사진이며, 여기서 샘플 1은 황색 사막 모래로 제조된 건조된 모르타르로 균열을 보이며; 샘플 2, 3, 4는 CF를 가진 황색 사막 모래로 제조된 건조된 모르타르 샘플로 균열이 관찰되지 않고 이의 형상을 유지한다.
도 6은 1의 W/C 비, 25배 배율의 모르타르 샘플의 현미경 사진이며, 여기서 (A) 샘플은 셀룰로스 필라멘트가 없는 황색 사막 모래 및 시멘트로 제조되었고, 균열이 관찰되었으며; (B) 샘플은 일 실시형태에 따른 시멘트, 황색 사막 모래 및 시멘트당 0.3% CF로 제조되었고; 그리고 (C) 샘플은 강 모래로 제조된 건조된 모르타르이다.
도 7은 0.63의 물/시멘트 비 및 2의 모래/시멘트 비로 각각 제조된 4개의 플로 테이블 시험 샘플을 도시한 사진이며; 여기서 샘플 1은 셀룰로스 필라멘트 없이 황색 사막 모래로 제조되었고; 샘플 2는 본 명세서에 기재된 일 실시형태에 따른 시멘트당 0.1% CF 및 황색 사막 모래로 제조되었으며; 샘플 3은 본 명세서에 기재된 일 실시형태에 따른 시멘트당 0.3% CF 및 황색 사막 모래로 제조되었고; 그리고 샘플 4는 본 명세서에 기재된 일 실시형태에 따른 시멘트당 0.70% CF 및 황색 사막 모래로 제조되었다.
도 8은 W/C=1의 상이한 유형의 셀룰로스 나노/마이크로 필라멘트를 가진 시멘트 및 황색 사막 모래 모르타르의 사진이며, 여기서 (1)은 CF 없는 시멘트 및 사막 모래로 만들어진 대조 샘플; 및 (A1): 1.5% CF; (A2): 3% CF; (B1): 1.5% MFC1; (B2): 3% MFC1; (C1): 1.5% CNF; (C2): 3% CNF; (D1): 1.5% MFC2; 및 (D2): 3% MFC2를 가진 시멘트 및 황색 사막 모래 모르타르 믹스이다.
도 9는 CF(0.5% 및 1%)를 가진 상이한 유형의 모래 믹스를 나타내며, 여기서 (A) 좌측으로부터 우측으로, 오타와 모래, 강 모래, 적색 사막 모래, 황색 사막 모래, 흑색 사막 모래; (B) 상이한 비의 CF와 결합된 오타와 모래, 및 (C) 1% CF를 가진 황색 사막 모래의 SEM 특성규명에 따른 미세구조이며, 여기서 CF가 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지하도록 사막 모래 알갱이의 표면 상에 결합 망상체를 형성하는 것이 명확하게 관찰될 수 있다.
도 10은 (A) 시멘트 페이스트와 모래 알갱이 간의 불량한 접착력을 가진 시멘트 사막 모래 모르타르; (B) 상간 상호작용 전이 구역(interphase interaction transition zone: ITZ)에서 시멘트 및 사막 모래와의 CF 접착력; (C) 0.25% CF를 가진 시멘트 및 사막 모래의 모르타르에서의 CF 망상체; 및 (D) CF(0.25%)의 관찰을 도시한 SEM 사진으로, 적절한 접착력을 제공하여 시멘트 입자와 사막 모래를 고정시켜 3D 망상체를 형성시켜서 모래 입자를 유지시켜 상호작용 전이 구역(ITZ)에서 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지한다.
도 11은 상이한 유형의 모래를 갖는 신선한 콘크리트 믹스의 슬럼프(slump) 대 물/시멘트 비의 히스토그램이며, 여기서 (1): 라파즈 모래, (2): 오타와 모래, (3): 황색 사막 모래 및 (4): 사구 모래이다. 오타와 모래 (2)의 슬럼프는 0.41의 물/시멘트 비를 갖는 75㎜이고; 0.42의 w/c에서, 오타와 모래의 슬럼프는 109㎜에 도달하며, 여기서 라파즈 모래 (1)의 슬럼프는 단지 18㎜이고; 0.48의 W/C에서, 오타와 모래의 슬럼프는 197인 한편, 라파즈 모래 (1)의 슬럼프는 73㎜이다.
도 12는 (A) 라파즈 모래, W/C=0.485; S/C=2; (B) 오타와 모래, W/C=0.41, S/C=2; 및 (C) 황색 사막 모래, W/C=0.485; S/C=2를 가진 모르타르 혼합물에서의 수화 열 흐름 및 누적 수화를 도시한다
도 13은, 라파즈 모래를 이용한, 상이한 CF 비를 가진 콘크리트 믹스의 압축 강도 대 양생 시간을 도시한다.
도 14는, 오타와 모래를 이용한, 상이한 CF 비를 가진 콘크리트 믹스의 압축 강도 대 양생 시간을 도시한다.
도 15는, 사막 모래를 이용한, 상이한 CF 비를 가진 콘크리트 믹스의 압축 강도 대 양생 시간을 도시한다.
도 16은, 사구 모래를 이용한, 상이한 CF 비를 가진 콘크리트 믹스의 압축 강도 대 양생 시간을 도시한다.
도 17은 28일 양생에서의 콘크리트 믹스의 굽힘 강도를 도시하며, 여기서 샘플 (1)은 라파즈 모래이고, (2)는 오타와 모래이며, (3)은 황색 사막 모래이고, 그리고 (4)는 사구 모래이다.
도 18은 28일 양생에서의 콘크리트 믹스의 쪼갬 강도를 도시하며, 여기서 샘플 (1)은 라파즈 모래이고, (2)는 오타와 모래이며, (3)은 황색 사막 모래이고, 그리고 (4)는 사구 모래이다.
도 19는 고른 건축 모래를 가진 CF 보강 콘크리트의 파열 표면(rupture surface)을 나타낸 사진이며, 여기서 (A)는 CF를 첨가하지 않은 콘크리트의 사진으로, 다수의 백색 반점으로 표시된 파단면(fracture surface)을 예시하고, 이는 시멘트 페이스트 및 골재 중 계면 전이 구역(interfacial transition zone: ITZ)에서 파단이 일어나는 것을 나타내며; (B)는 시멘트당 0.25% CF를 갖는 콘크리트의 사진이며, 이는 파단면이 일부 흑색 반점을 갖는 것을 나타내고, 이는 골재들 사이에서 파단이 일어나는 것을 나타내었고; 그리고 (C)는 0.5% CF를 갖는 콘크리트의 사진이고, 파단면은 많은 흑색 반점을 갖고, 이는 더 많은 조골재가 파단된 것을 나타낸다.
도 20은 CF의 첨가 및 보통의 건축 모래를 갖는 콘크리트의 쪼갬 인장 파단면(split tensile fracture surface)을 도시한 사진이며 여기서 (A) 0% CF이고, 불량한 접착력을 갖고, 그리고 (B) 강 모래 및 0.5% CF를 갖는 콘크리트이고, ITZ에서 시멘트 페이스트 및 조골재 중 더 양호한 접착력을 갖는다.

본 명세서에서는, 콘크리트 및 모르타르 재료에서 하급품 모래, 예컨대, 사막 모래/구형 모래 및 필라멘트상 셀룰로스 재료의 사용이 제공된다.

수경성 결합제; 2.9 미만의 조립률을 가진 모래; 조골재 및 필라멘트상 셀룰로스를 포함하는 콘크리트 조성물이 제공된다.

따라서, 본 명세서에서는 사막 모래가 시멘트 및 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)와 결합하여 콘크리트를 제조하므로, 환경 친화적이고 풍부한 필라멘트상 셀룰로스 나노 재료와 같은 대체물을 이용하는 것이 입증되어 있다.

본 개시내용 전에는, 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)가 사막 모래와 같은 저급품 모래로부터 콘크리트를 제조하기 위한 첨가제로서 사용되지 않았다.

따라서, 콘크리트 및 모르타르에서 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노파이브릴(CNF), 미소섬유상 셀룰로스(MFC) 및 셀룰로스의 사용이 제공되며, 특히, 사막 모래/구형 모래 및 필라멘트상 셀룰로스 재료를 포함하는 콘크리트/모르타르 믹스, 콘크리트/모르타르 조성물이 개시되어 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF), 미소섬유상 셀룰로스(MFC), 및 셀룰로스의 사용은 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지하고 따라서 유사하게 건축 자재의 안정화에 기여한다.

레올로지(rheology), 수화반응 속도론 및 기계적 성능을 위한 조절제로서 셀룰로스 나노섬유의 사용이 보고되어 있다(Sun et al., 2016, Scientific Reports, 6: 31654; Jiao et al., 2016, PLOS ONE DOI:10.1371/journal.pone.0168422). Hisseine 등(2018, Journal of Material in Civil Engineering, 30(6))은, 셀룰로스 필라멘트가 시멘트 페이스트의 압축 강도에 악영향을 미친 것을 발견하였고, 여기서 공기가 셀룰로스 필라멘트의 첨가와 함께 시멘트 페이스트에 유지되었지만, 주로 나노보강 및 내부 양상으로 인해, 자기-다짐 콘크리트(self-consolidating concrete: SCC)에서 압축 강도 및 휨 능력을 개선시킨 것으로 여겨졌다. Cao 등(2015, Cement Concrete Composites, 56, 73-83)은, CNC(셀룰로스 나노결정)를 콘크리트 믹스에 첨가하는 것에 의한 물 및 초가소제(superplasticizer) 요구의 증가와, CNC를 첨가하는 것에 의해 증대된 수화도 및 작업성의 감소로 인한 0.2 중량%의 최적 CNC 투입량에서 20 내지 30%의 개선된 굽힘 강도를 보고하였다. Peters 등(2010, Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2142: 25-28)은 0.5 중량%의 NFC 첨가가 초고 성능 콘크리트의 로 성능(fracture property)을 개선시키는 것을 발견하였다. Onuaguluchi 등(2014, Construction and Building Materials 63:119-124)은 0.1 중량% NFC를 함유하는 시멘트 페이스트의 굽힘 강도의 대략 106%의 증가를 보고하였다.

JP 2013-188864는 건조 사출 성형 공정을 이용하여 고농축 콘크리트 페이스트에 나노섬유를 첨가하는 방법을 기술하고 있다. 시멘트 성형체에 나노섬유의 분산을 돕기 위하여, 나노섬유를 보유하기 위하여 지지 매체 분말을 도입하였으며, 여기서 나노섬유 대 지지 매체 분말의 비는 3.33 내지 6.67%로 다양하였고, 알코올과 같은 유기 용매는 건조 시멘트 성형 믹스에 나노섬유의 분산을 돕는데 사용되었다. 최종 혼합물 중 나노섬유의 비는 1% 미만이었고, 나노섬유의 바람직한 비는 대략 0.1질량%였다. 이 특허에서의 나노섬유의 종횡비는 대략 100이었다. 최종 콘크리트의 건조 혼합 성형물의 기계적 강도는 제형에 나노섬유를 첨가함으로써 단지 대략 14% 개선된 것이 발견되었다.

U.S. 9,174,873은 콘크리트 혼화제용의 첨가제로서 미세섬유 셀룰로스를 사용하는 방법을 기재하고 있다. 콘크리트 혼화제 중 미세섬유 셀룰로스의 기능은 습식 제형에 영향을 미치도록 시멘트질 조성물 혼화제의 레올로지를 조절하거나 분리를 제어하기 위한 것이었다. 이들 혼화제 중의 물 대 시멘트 비(W/C)는 0.35 내지 1.0의 범위였다. 사용된 미세섬유 셀룰로스의 양은 시멘트질 조성물 및 선택적으로 물 중 시멘트질 결합제의 0.002% 내지 0.2 중량% 사이로 매우 낮았다.

종래 개시내용과 비교해서, 셀룰로스 마이크로/나노 재료를 첨가함으로써 세계의 상이한 지역으로부터의 저급품 모래, 예컨대, 사막 모래를 사용해서 콘크리트를 제조하는 방법이 제공된다. 본 명세서에서는, 콘크리트의 제조를 위한 것과 또한 새 땅을 회복하는데 사용하기 위한 것 둘 다에 이용 가능한 사막의 거대한 양의 모래를 제조하는 제적이고도 환경 친화적 방법이 기재되어 있다.

본 명세서에 기재된 방법의 특별한 이점은 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지하고 따라서 유사하게 건축 자재의 안정화에 기여하는 것에 관한 것이다. 본 명세서에서는, 필라멘트상 셀룰로스, 예컨대, 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)의 식물 유래물을 사용하여 구형 모래의 평활한 표면을 고정하는데 기여하는 건축 화학 물질의 영역에서의 방법을 기술하며, 따라서 필라멘트상 셀룰로스는 식물 유래 셀룰로스 및 둥근 미세 사막 모래 중에서 새로운 접착 결합 화학 물질을 제공하여, 바다에서 땅 회복을 위한 구형 모래를 쌓아 올리는 것을 허용한다.

유리하게는, 본 명세서에 기재된 바와 같은 CF, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)의 사용은 수경성 결합제 또는 시멘트 페이스트와 풍화된 둥근 미세 사막 모래 간에 적절한 접착력을 제공한다. 놀랍게도, CF, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)의 존재는 계면 전이 구역(ITZ)의 접착력을 개선하고, 골재에 가까운 시멘트 페이스트, 예컨대, 콘크리트 내 모래 입자 및 암석에 존재한다.

일 실시형태에 있어서, 소량(≤5%)의 CF, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)를 첨가하여 시멘트 입자와 미세 사막 알갱이 간의 접착력에 영향을 미친다. 따라서, 본 명세서에서는 콘크리트/모르타르의 제조에 사용 가능한 사막 내 거대한 양의 모래를 제조하는 경제적인 접근법이 기재되어 있다.

본 명세서에서 제공된 방법의 추가의 이점은 사막 모래, 시멘트, 자갈 골재 및 기타 혼화제 첨가제, 예컨대, 감수제, 초가소제, 비산회 등을 포함하는 본 명세서에 기재된 콘크리트 믹스의 혼합 전에 물에 CF, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)를 혼합 또는 분산시키는 간단성이다.

정의

본 명세서에서 포괄되는 바와 같이, 콘크리트 조성물은 수경성 결합제, 2.9 미만의 조립률을 가진 모래, 및 필라멘트상 셀룰로스를 포함하는 조성물을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 콘크리트 조성물은, 본 명세서에 기재된 바와 같은, 콘크리트/모르타르 믹스, 콘크리트 믹스, 모르타르 믹스, 모르타르 조성물, 콘크리트/모르타르 모래 접착 첨가제일 수 있다. 특히, 본 명세서에 기재된 바와 같은 콘크리트 조성물은 모르타르보다 더 낮은 물 대 수경성 결합제를 포함할 수 있다. 콘크리트는 모르타르의 것에 비해서 콘크리트에 대해서 더 큰 강도 및 내구성을 제공하는 더 거친 골재(자갈 또는 부순 암석)를 포함한다.

모르타르/콘크리트 믹스는 모르타르/콘크리트 조성물의 건조 성분의 혼합물인 것으로 이해된다. 혼합물의 주된 건조 성분은, 적어도 시멘트, 잔골재(모래), 및 잔골재와 조골재(자갈) 둘 다, 그리고 선택적으로, 콘크리트 혼화제 화학 물질인 것으로 이해되는, 수경성 결합제(시멘트), 골재인 것으로 이해된다.

모르타르/콘크리트 조성물은 모르타르 및 콘크리트로 각각 경화되는 작업 모르타르 또는 작업 콘크리트를 제공하는 물과 모르타르/콘크리트 혼합물인 것으로 이해된다.

모르타르 조성물은, 경화 시 건축 자재를 함께 유지하는데 사용되는, 물, 일반적으로 잔골재 및 수경성 결합제(시멘트)의 걸쭉한 페이스트 혼합물로서 더욱 이해된다. 모르타르 중 물 대 수경성 결합제(시멘트) 비는 콘크리트에서보다 더 높다.

수경성 결합제는 수화 반응으로 물의 첨가 시 경화되는 콘크리트 또는 모르타르 조성물인 것으로 이해된다. 용어 "수경성 결합제" 및 "시멘트"는 본 명세서에서 동의어로서 사용되며, 포틀랜드 시멘트, 고알루미나 시멘트, 석회 시멘트, 킬른 더스트 시멘트, 고 인산염 시멘트, 고로 슬래그 미분말 시멘트 비산회, 석회 및 석고를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 화학 반응은 결합제의 미네랄 구조를 변화시키기 위하여 물의 첨가 시에 일어난다.

골재는 콘크리트의 용적의 60 내지 85%를 차지하는 것으로 이해되며, 즉, 채석장으로부터 유래되는 천연 또는 가공(분쇄) 형태의 모래, 자갈 및 분쇄 미네랄을 포함하는 것으로 이해된다. 대형 암석은 분쇄되고 체거름되며, 모래와 자갈이 특히 콘크리트 및 모르타르에 적용 가능하다. 잔골재는 5㎜ 이하인 대부분의 입자를 갖는 천연 모래 또는 쇄석인 것으로 이해된다. 입자의 형상 및 크기뿐만 아니라, 모래의 표면 텍스처는 프레시(fresh) 또는 경화된 상태로 콘크리트의 품질에 상당한 영향을 가질 수 있다. 본 명세서에서는 특유의 유형이 고려된다. 제1 잔골재는 강(둑), 해변(염을 제거하도록 세척됨)으로부터 또는 분쇄 작업으로부터 유래되는 모래이다. 제1 범주의 모래는 더 넓은 크기, 더 거친 표면 및 뾰족하게 각진 파열된 형상을 갖기 때문에 콘크리트 제조에 적합한 것으로 고려된다. 본 명세서에 개시된 제2 범주의 잔골재는 일반적으로 강 및 해변 모래보다 더 미세한 입자 크기를 갖고, 풍화된 각지지 않은 표면 및 둥근 형상을 갖지만, 천연 유래의 미세하고도 평활한 규산염의 기타 임의의 유형 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 사막 모래는 기존에는 평활한 표면 및 둥근 형상뿐만 아니라 좁은 크기 분포로 인해 콘크리트 및 모르타르에 적합하지 않은 것으로 이해되어 왔다.

도 1은 황색 사막 모래, 오타와 모래, 미국 오레곤주로부터의 사구 모래, 라파즈의 St-Gabriel(캐나다 퀘벡주 소재) 채석장으로부터 공급된 건축용 모래, 카타르 사막 모래, 고비 사막 모래, 적색 사막 모래 및 흑색 사막 모래를 포함하는 각각 다른 공급원으로부터의 모래의 광학 현미경 사진이다. 각각 다른 모래의 현미경 특성규명은 상이한 공급원으로부터의 모래의 기하학적 차이를 나타낸다. 사구 모래 및 오타와 모래뿐만 아니라, 각각 다른 장소로부터의 모든 사막 모래는 뾰족한 각진 형상이라기보다 오히려 비교적 둥글고 그들의 표면이 평활한 한편, 건설 채석장으로부터의 강 모래 및 라파즈 모래는 거친 표면을 갖고 더욱 각져 있는 것이 관찰될 수 있다. "구형 모래"는 사막 모래와 동의어인 것으로 이해되고 또한 둥근 형상을 갖고, 이는 모래의 세계 지도에 기재된 바와 같이 각지지 않고, 사각형도 아니고, 삼각형도 아니고, 불규칙적인 형상도 아니다.

모든 모래를 체로 걸러 ASTM C 136-01(잔골재 및 조골재의 체 분석에 대한 표준 시험 방법)에 따라 분류하였다. 그 결과는 표 1에 요약되어 있고, 여기서 모래의 조립률은 2.93(라파즈 모래), 2.11(오타와 모래), 0.88(황색 사막 모래), 0.93(사구 모래), 1.18(카타르 사막 모래), 0.67(고비 사막 모래), 0.95(적색 사막 모래) 및 0.74(흑색 사막 모래)로 다양하다. ASTM 표준 사양에 따르면, 단지 라파즈 모래만이 건축 모래로서 사용할 자격이 있고, 따라서 2.9 미만의 조립률을 가진 모래는 부적격이다. 다른 유형의 모래의 조립률은 표준 사양으로부터 벗어난다. 도 2A는 누적 통과 퍼센트 대 입자 크기 분포를 도시하고, 여기서 100% 오타와 모래 및 기타 유형의 사구 모래 및 사막 모래는, 크기가 라파즈 모래보다 훨씬 더 작은 1.25㎜의 체를 통과할 수 있는 것이 명확하게 관찰될 수 있다. 도 2B는 모래 입자 크기 분포의 개별적인 분율을 나타내며, 여기서 라파즈 건축 모래는 더 넓은 분포(모래 등급)를 갖고, 오타와 모래 및 사구 모래는 훨씬 더 좁은 크기 분포를 갖는 한편, 황색 사막 모래, 카타르 사막 모래 및 고비 사막 모래는 더 미세하며, 이는 콘크리트를 만드는데 사용하기 위한 매우 하급품인 것이 관찰될 수 있다.

조골재는 자갈 암석으로 이해되지만, 이는 천연 유래 또는 분쇄된 거칠고 각진 규산염을 포함하고, 임의의 다른 유형의 규산염, 점토, 금속 산화물 또는 수산화물, 또는 이들의 혼합물로 제한되지 않는다. 조골재는 일반적으로 구조 용도용의 약 5㎜ 내지 약 40㎜에서 시작하는 입자 크기를 갖는다. 최대 150㎜의 더 큰 골재가 대량의 콘크리트 댐 프로젝트에 사용된다.

용어 "필라멘트상 셀룰로스"는 가는 실 또는 필라멘트로 형성된 세룰로스로서 이해되고, 그리고 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC), 및 이들의 조합을 포함하는 것으로 이해되며, 여기서 필라멘트상 셀룰로스는 최대 약 2㎜의 평균 길이 및 3㎚ 내지 약 500㎚의 평균 폭을 포함한다.

본 명세서에서 이용되는 바와 같은 용어 "셀룰로스 필라멘트" 또는 "CF" 등은 높은 종횡비, 예를 들어, 적어도 약 200의 평균 종횡비, 예를 들어, 약 200 내지 약 5000의 평균 종횡비, 나노미터 범위의 평균 폭, 예를 들어, 약 30㎚ 내지 약 500㎚의 평균 폭 및 마이크로미터 범위 또는 그 이상의 평균 길이, 예를 들어, 약 10㎛ 초과의 평균 길이, 예를 들어, 약 200㎛ 내지 약 2㎜의 평균 길이를 갖는 셀룰로스 섬유로부터 얻어진 필라멘트를 지칭한다. 이러한 셀룰로스 필라멘트는, 예를 들어, 단지 기계적 수단을 사용하는 공정, 예를 들어, U.S. 2013/017394(이의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 편입됨)에 개시된 방법으로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, 이러한 방법은 화학 첨가제가 함유되지 않을 수 있고, 예를 들어, 적어도 약 20 중량%의 고체 농도(또는 점조도)로 작동되는 통상의 고 점조도 리파이너(high consistency refiner)를 사용해서 유도체화가 없을 수 있는 셀룰로스 필라멘트를 제조한다. 이들 강한 셀룰로스 필라멘트는, 예를 들어, 적절한 혼합 조건하에, 수성 매체 중에서 재분산 가능하다. 예를 들어, 셀룰로스 필라멘트가 얻어지는 셀룰로스 섬유는 북부 표백 침엽수 크래프트(Northern Bleached Softwood Kraft: NBSK)와 같은 크래프트 섬유일 수 있지만, 이것으로 제한되지 않고, 기타 종류의 적절한 섬유도 적용 가능한데, 이의 선택은 당업자에 의해 이루어질 수 있다.

용어 "담체"는 펄프 섬유의 바람직한 실시형태에서 일반적으로 천연형인 섬유를 정의한다. 펄프는 목재 또는 기타 식물로부터 유래될 수 있고, 기계적 펄프, 예컨대, CTMP, TMP 또는 BCTMP 또는 화학적 펄프, 예컨대, NBSK일 수 있다.

필라멘트상 셀룰로스에 관하여 용어 "물리적으로 부착된"은, 재분산 가능한 셀룰로스 필라멘트와 담체 간의 결합에 관하여 본 명세서에서 이용된다.

본 명세서에 기재된 필라멘트상 셀룰로스에 관하여 본 명세서에서 정의된 바와 같은 용어 "건조"는, 70 중량% 이상의 고형분, 또는 30 중량% 이하의 수분 함유량인 천연 섬유와 셀룰로스 필라멘트의 혼합물의 고체 함유량을 지칭한다. 특히 바람직한 실시형태에 있어서, 천연 섬유와 셀룰로스 필라멘트의 혼합물의 고체 함유량은 80 중량% 이상의 고형분, 또는 20 중량% 이하의 수분 함유량이다.

본 명세서에서 정의된 바와 같은 용어 "물 재분산 가능한"은 주위 온도 또는 상승된 온도에서 수성 매체 중에서 기계적 교반 시 안정적인 수 분산액을 형성하는 건조된 셀룰로스 필라멘트의 능력을 지칭한다.

용어 "첨가제가 없는"은 각질화(hornification)를 저감시키기 위하여 첨가제로 처리되지 않은 CF를 기재하는 것으로 본 명세서에서 사용된다. 기타 셀룰로스 원섬유와 사용되는 첨가제는 수크로스, 글리세린, 에틸렌 글리콜, 덱스트린, 카복시메틸 셀룰로스 또는 전분을 포함한다(미국 특허 제4,481,076호).

용어 "점조도"는 물과 식물 섬유 또는 셀룰로스 필라멘트(CF)의 혼합물 중 식물 섬유 또는 셀룰로스 필라멘트(CF)의 중량 퍼센트로서 본 명세서에서 필라멘트상 셀룰로스에 관하여 정의된다.

본 명세서에서 정의된 바와 같은 용어 "평량"은, 필라멘트상 셀룰로스에 관하여 본 명세서에서 펄프 섬유 시트 및 CF의 중량(그램(g) 단위)/상기 시트의 제곱미터(㎡)로서 정의된다.

필라멘트상 셀룰로스에 관하여 오븐-건조(od)에 기초한 중량은 물의 중량을 배제한 중량을 지칭한다. CF와 같은 촉촉한 재료에 대해서, 이것은 이의 점조도로부터 계산된 재료의 수분-무함유 중량이다.

따라서, 셀룰로스 나노 필라멘트는 목재 또는 식물 섬유, 예컨대, 표백 침엽수 크래프트 펄프의 다회 통과 고점조도 정제에 의해 제조된 "셀룰로스 필라멘트(CF)"인 것으로 이해된다(U.S.2013/017394). 기타 종류의 적합한 섬유는 또한 해변 모래 및 수경성 결합제와 콘크리트로 사용하기 위하여 적용 가능하고, 이의 선택은 당업자에 의해 이루어질 수 있다.

본 명세서에서 이용되는 용어 "셀룰로스 필라멘트" 또는 "CF"는 "셀룰로스 나노 필라멘트"와 동의어인 것으로 이해되고, 20% 내지 60%의 점도조에서 습식 형태로 제조되고 물투수성 백을 이용해서 이러한 습식 형태로 수송되는 것이다. CF는 또한 CA 2,889,991 또는 WO2014/071523 A1(둘 다 참조에 의해 본 명세서에 편입됨)에 기재된 바와 같이 제지기 상에서 제조된 셀룰로스 필라멘트의 건조 롤 또는 세단 필름을 포함한다. CF-함유 펄프는, 참조에 의해 본 명세서에 편입된 US2016/0319482 A1에 기재된 바와 같은 CF와 펄프 섬유의 건조 및 물 재분산 가능한 혼합물을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 CF는 바람직하게는 약 200㎛ 내지 약 2㎜의 평균 길이, 약 30㎚ 내지 약 500㎚의 평균 폭 및 약 200 내지 약 5000의 평균 종횡비를 갖는다. CF는 물에 분산되거나 또는 분산 가능하고 이어서 콘크리트 믹스에 첨가된다.

용어 "셀룰로스"는 펄프화 또는 기타 공정 및 방법에 의해 얻어진 식물, 예컨대, 목재로부터의 천연 유래 중합체로서 이해된다.

혼화제는 수경성 결합제, 골재 및 물 이외의 것인 콘크리트 믹스 및 조성물로 되는 추가의 성분으로서 본 명세서에서 정의된다. 본 설명에서, 혼화제는 본 명세서에 기재된 셀룰로스 나노 필라멘트를 배제한다. 혼화제인 화학물질/첨가제는 거의 흔하다: 공기 연행제(air entraining agent), 감수제, 초가소제, 미세 미네랄(실리카 흄) 또는 생성물은 수경성 결합제와 물의 수화 반응을 촉진 또는 지연시키는 것을 의미한다.

본 개시내용에 따른 사막 모래 콘크리트는 셀룰로스 필라멘트(CF) 및/또는 CF-함유 펄프, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC), 수경성 결합제, 사막 모래, 및/또는 규산염 모래(잔골재), 및/또는 자갈 골재, 및/또는 비산회, 및/또는 감수제, 및/또는 기타 혼화제 첨가제를 포함한다. 앞서 기재된 바와 같이, CF, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)는 시멘트 및 사막 모래와 결합되는 작용을 하고, 이에 따라서, 미세한 사막 모래, 시멘트 및 골재 간에 적절한 접착력을 제공한다. 놀랍게도, CF, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)의 첨가는 상이한 형태로 적절한 접착력을 제공하여 시멘트 입자와 사막 모래를 고정시키므로, 결합제(시멘트 입자), 사막 모래 및 골재를 함께 유지시켜 복합제 실체를 형성한다. 시멘트, 사막 모래, 및/또는 골재 및 CF, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)로 이루어진 건조된 및 분쇄된 복합제 실체는 사막 모래 콘크리트용의 필요한 기계적 강도를 제공한다. 사막 모래 콘크리트 믹스의 시멘트 비는 15 내지 40%, 바람직하게는 15 내지 30%의 범위로 다양할 수 있다. 사막 모래는 강/해변 또는 쇄석으로부터 거칠고 각진 모래를 완전히 또는 부분적으로 대체할 수 있다. 자갈 골재, 비산회, 공기 연행제, 감수제 및 첨가제는 혼화제에 첨가되어 CF, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)로 사막 모래 콘크리트를 제조할 수 있다.

계면 전이 구역(ITZ)은 콘크리트로 골재(모래 입자 및 암석) 부근에 시멘트 페이스트로 존재하는 영역으로서 본 명세서에 정의되고, (적어도) 3상 복합체: (1) 벌크 시멘트 페이스트, (2) ITZ 시멘트 페이스트 및 (3) 암석 및 모래(일괄해서 골재라 지칭됨)로서 간주된다. 흔히 사용되는 시멘트 알갱이의 중앙 직경은 대략 10 내지 30 마이크로미터인데, 이것은 평균 골재 직경보다 훨씬 더 작다. 골재 표면 부근의 더 높은 다공도 영역은 시멘트 알갱이가 골재 표면에 의해 강제된 "패킹" 제약으로 인해 골재와 조우할 경우 나타날 것이다. 따라서, ITZ는 통상 콘크리트 복합체의 약한 영역이다. 사막 모래 골재의 경우에, 시멘트 입자 단독은 사막 모래 골재를 함께 유지시키는 충분한 접착력을 제공할 수 없다.

강/해변 또는 분쇄 모래(각각 거친 파단면을 갖고 뾰족하게 각짐)로부터의 천연 모래와 비교해서, 사막 모래는 풍화된 각지지 않은 표면 및 둥근 형상(도 1 참조)을 갖고 미세한 모래가 강 모래보다 더 좁은 크기 분포(도 2)를 갖기 때문에 사막 모래는 항상 콘크리트를 제조하는데 적합하지 않은 것으로 간주되어 왔다. 콘크리트용 모래로서 전통적으로 사용되던 것은 항상 더 넓은 입자 크기 분포를 필요로 하고, 그 각진 에지를 가진 형상은 결합제 시멘트 페이스트와 모래 알갱이 간의 결합에 적절한 표면을 제공한다.

플로 테이블 시험은 프레시 콘크리트/모르타르의 점조도를 시험하는 방법이다. 본 명세서에서 사용되는 플로 테이블 시험 절차는 플로 테이블 시험 유럽 표준 BS EN 12350-5: 2000(이것은 도 3에 예시된 장치를 이용하는 슬럼프-플로 시험의 ASTM 표준 C 1611-05와 유사함)의 메커니즘으로부터 개작되었다. 본 명세서에서 제공되는 개작된 시험의 단계는 다음과 같다: 시멘트 페이스트/모르타르를 준비하고; 표준 방법과 유사한 승강 절차로 평탄한 플라스틱 테이블 및 내경 5.1㎝ 및 높이 5.1㎝(총 용적 104 ㎤)를 갖는 강철 실린더 금형으로 플로 테이블 시험 셋업을 형성한다. 프레시한 혼합된 페이스트/모르타르 혼합물을 실린더에 채우고 나서, 금형을 상승시키고, 과잉의 콘크리트를 제거하고, 주위 테이블 상단을 세척하고, 30초 간격 후에, 금형을 서서히 제거한다. 결과적으로, 테이블 상의 프레시 페이스트/모르타르 확산 및 최대 퍼짐 직경을 측정한다. 이용되는 시험 방법이 표준 시험이 아니고 표준에 의해 망라되는 통상의 접근법으로부터의 특징을 편입하고 있는 경우, 시험은 균일성 및 응집성의 관점에서 샘플을 어떻게 비교했는지를 이해하는데 유용한 정보를 제공한다. 시험된 페이스트/모르타르 샘플의 응집이 불충분하게 걸쭉하고 몹시 넓은 퍼짐 직경이 얻어졌다면, 얻어진 페이스트/모르타르 샘플은 일단 세팅되면 목적하는 품질, 특히 목적하는 강도를 갖지 않을 것이다. 모르타르는 이 상태에서 균질성 및 응집성을 보여야만 하고, 그렇지 않으면 시험은 주어진 믹스에 대해서 부적절한 것으로 간주된다. 따라서, 이 시험은 믹스의 응집성의 표시를 제공한다.

플로 테이블 시험 절차는, 더 작은 규모로 셋업된 표준 플로 테이블을 시뮬레이션하고 상이한 모래, 물/시멘트 비, CF, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC) 함유/무함유 및 CF의 상이한 투입량, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)를 갖는 시멘트 페이스트/모르타르의 유동성을 측정한다. 본 시험은, 본 명세서에 기재된 혼합된 모르타르의 정량적인 비교를 확립시키는데 사용된다.

상이한 모르타르 믹스는 셀룰로스 나노 필라멘트와 함께 또는 이것 없이 사막 모래, 시멘트 및 물을 가진 것을 포함하여 제조된다. 성분들을 함께 혼합하고, 모르타르 혼합물의 유동성은 앞서 기재된 바와 같이 그리고 도 3에 표시된 바와 같이 플로 테이블 시험 셋업으로 측정되었다. 관찰은 셀룰로스 나노 필라멘트가 존재하지 않을 경우 개별적인 사막 모래 알갱이가 시멘트 페이스트로부터 그리고 서로에 대해 슬라이딩한다는 결론을 이끌었다.

제조된 모르타르 혼합물의 샘플은 플로 테이블 상에 퍼짐 직경을 생성하도록 허용하였다(도 4). 강 모래를 갖는 보통의 모르타르 조성물에 대한 퍼짐 직경은 도 4에 도시되어 있다(샘플 5). 통상의 모르타르 조성물은 1의 물/시멘트 비 및 2의 S/C 비를 가졌으며 이는 15.1㎝ 직경을 생성하는 CF 재료를 함유하지 않는다. 동일한 조건하에, 사막 모래, 시멘트 및 물의 모르타르 조성물의 퍼짐 직경은 21.3㎝였다(샘플 1).

본 명세서에 기재된 바와 같이, 셀룰로스 필라멘트(CF)를 물, 시멘트 및 사막 모래 알갱이, 및/또는 자갈 골재, 및/또는 다른 첨가제와 혼합하여 콘크리트를 생성하였다. 놀랍게도, 0.14%의 CF만 첨가함으로써(도 4, 샘플 2) CF, 시멘트 및 사막 모래의 프레시 모르타르 조성물(물/시멘트 = 1)의 유동성을 극적으로 변화시킨 것으로 발견되었으며, 이는 동일한 물/시멘트 비에서 강 모래에 의한 시멘트의 프레시 모르타르 조성물의 유동성과 유사하다(도 4, 샘플 5). 시멘트, 사막 모래에 의한 0.14% CF 조성물의 유동성의 퍼짐 직경은 21.3cm의 순수한 시멘트 및 사막 모래 조성물의 퍼짐 직경보다 훨씬 더 작은 15.5cm였다. 이것은 시멘트 및 강 모래의 프레시 모르타르 조성물의 퍼짐 직경 15.1㎝와 유사하다(표 2). 또한 예기치 않게, 시멘트 및 사막 모래의 조성물의 유동성은 CF의 투입량을 0.3%로 증가시킴으로써 극적으로 저감된다(도 4, 샘플 3). 더욱 놀랍게도, 금속 실린더를 제거한 후, 시멘트 및 사막 모래의 프레시 모르타르 조성물은 CF 투입량이 1.41%로 증가된 경우 약간의 슬럼프만을 가진 완전한 실린더 형상인 채로 유지되었다(도 4, 샘플 4).

놀랍게도, 건조된 모르타르는 CF 균열 없는 사막 모래로부터 제조된 한편, 추가의 CF를 가진 모르타르 믹스는 주조된 그대로의 동일한 형상으로 유지되며(도 5), 이것은 CF의 첨가가 결합제 시멘트 입자 및 사막 모래 입자 간에 접착력을 제공하고 시멘트 입자 및 골재를 함께 고정시키는 것을 나타낸다. 따라서, 현미경 사진(도 6A)은 시멘트 및 사막 모래의 건조된 모르타르 조성물의 표면으로부터 바닥으로 더 많은 균열 및 미세균열을 보인다. 따라서, 둥근 미세한 사막 모래와 결합제 시멘트 간에 충분한 접착력이 없다는 것은 명백하다. 놀랍게도, 0.3% CF를 갖는 시멘트, 사막 모래의 건조된 모르타르 조성물의 샘플에서 균열이 발견되지 않았으며, 이것은 모래 알갱이가 서로로부터 슬라이딩되지 않았음을 나타내었다(도 6B). 더욱 놀랍게도, 시멘트, 사막 모래 및 CF의 건조된 모르타르 조성물은 시멘트 및 강 모래의 건조된 모르타르 조성물과 유사하다(도 6C). 모르타르 조성물에의 CF의 첨가는 건축 자재의 안정화에 기여한다. 프레시 모르타르 조성물이 0.63의 W/C로 제조된 경우 유사한 경향이 관찰되었다. 금속 실린더를 제거한 후에, CF 없는 시멘트 및 사막 모래의 모르타르 조성물은 매우 작은 점조도를 지녔고, 플로 테이블 상의 평탄한 디스크로부터 흘러나왔다. 한편, 다른 모르타르 조성물은 함께 결합하고 CF가 프레시 모르타르 조성물에 첨가된 경우 붕괴되는 일 없이 원통형 형상인 채로 유지되었으며, CF의 첨가는 시멘트 페이스트 및 사막 모래를 함께 고정시켜 전체를 형성하는 것을 나타낸다. CF 투입량의 변화가 0.14%에서, 0.3% 내지 0.70%로 변화된 슬럼프 수준에 의한 일부 차이가 있다(도 7).

다른 유형의 CNF, MFC가 프레시 모르타르 조성물에 첨가된 경우 유사한 경향이 관찰되었다. 2가지 유형의 MFC 및 1가지 유형의 CNF를 시멘트, 사막 모래 조성물과 1.5% 및 3%비로 혼합한 한편, 물/시멘트 비가 1이고, 사막 모래/시멘트 비가 2이다. 상이한 MFC 및 CNF의 결합능은 CF와 견줄 만한데(도 8), 이는 동일한 물/시멘트 비, 필라멘트상 셀룰로스 재료 없는 동일한 사막 모래/시멘트 비에서의 조성물과는 상당히 상이하다.

도 9A에 도시된 바와 같이, 분산된 CF를 상이한 모래와 혼합함으로써, 놀랍게도, CF가 모래를 함께 결합할 수 있는 것이 관찰되었다. CF와 모래의 혼합물이 건조된 경우, 혼합물은 함께 들러붙는 한편, 건조된 혼합물은 CF 비의 증가에 따라서 더 강해졌다(도 9B).

따라서, 사막 모래는 분산된 CF(1.3%)와 혼합되었고, 놀랍게도, 사막 모래는 건조 후에 함께 유지되었다. 예기치 않게, SEM 사진은 CF가 사막 모래 알갱이에 고정되어 사막 모래 알갱이의 표면에 고정된 3D 망상체를 형성하는 것을 명백하게 드러냈다(도 9C). CF와 사막 모래 간의 결합은 둥근 미세한 사막 모래 간에 새로운 접착 화학을 제공해서 서로에 대한 모래 알갱이의 슬라이딩을 방지하여, 바다에서 새 땅을 회복하기 위하여 모래를 함께 쌓아 올리는 것을 가능하게 한다.

또한, 본 명세서에 기재된 바와 같이, CF의 존재는 시멘트와 모래 골재 간의 계면 전이 구역(ITZ)에서 접착력을 개선시킨다. 따라서, 사막 모래 시멘트 모르타르로부터 제조된 모르타르의 미세구조는 결합이 불량한 것을 밝혀 내었다(도 10A). 놀랍게도, 뒤얽힌 CF 망상체는 시멘트, 사막 모래 및 CF의 모르타르 혼합물에서 관찰된다(도 10B). 또한 시멘트 페이스트가 이들 CF 망상체에 부착된 것이 관찰될 수 있다. 또한, 사막 모래 알갱이는 도 10C에 도시된 바와 같이 시멘트 입자 및 CF 망상체에 의해 함께 잘 유지된다. 다른 유형의 결합이 또한 도 10D에 나타낸 바와 같이 계면 전이 구역에서 시멘트 및 사막 모래과의 혼합물 중에 CF 접착력으로 관찰되었다. 가장 놀랍게도, 도 10D의 SEM 사진은 시멘트 페이스트에 고정되는 CF가 사막 모래의 표면에 고정되는 3D 망상체를 형성하는 것을 나타낸다. 또한, 시멘트 입자에 고정되고 사막 모래 표면에 결합된 CF가 다른 CF 필라멘트와 얽혀서 망상체를 형성함으로써, 사막 모래 알갱이를 보유하는 강력한 접착력을 생성하고, 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지하는데 기여한다. 본 설명은 CF의 셀룰로스 마이크로/나노 재료를 이용해서 구성 시멘트 재료를 제조하는 방법을 제공하며, 이 시멘트 재료는 콘크리트 혼합물 수화 공정 동안 물 재분포에 기여해서, 시멘트 입자 및 둥근 미세한 사막 모래 간의 새로운 접착 화학을 제공한다.

일 실시형태에 있어서, 본 설명은 수경성 결합제의 중량에 대해서 소량의 CF(결합제의 중량으로 5% 미만의 CF)를 첨가하고, 시멘트 입자, 미세한 사막 알갱이 및 조골재 간에 접착력을 제공하여 모르타르/콘크리트를 제조함으로써 모르타르/콘크리트를 제조하는 방법을 제공한다. 필라멘트상 셀룰로스는 식물로부터 추출된 플래닛(planet)에서 가장 풍부한 재료 중 하나이고, 환경 친화적인 재료이다. 따라서, 이것은 콘크리트 및 모르타르의 제조를 위하여 사막에서 입수 가능한 다량의 모래를 사용하는 경제적이고 환경 친화적인 접근법을 제공한다.

이 방법의 추가의 이점은 콘크리트 조성물을 사막 모래, 시멘트, 골재 및 기타 첨가제, 예컨대, 공기 연행제, 감수제, 초가소제, 비산회 등과의 혼합물에 CF를 첨가하는 것의 간편성이다.

다른 양상에 따르면, CF는 콘크리트/모르타르 믹스와 혼합하기 전에 물에 완전히 분산된다. 또 다른 양상에 따르면, 셀룰로스 필라멘트는 콘크리트/모르타르 믹스에 개별적으로 첨가되어 사막 모래 콘크리트, 또는 이의 혼합물을 제조할 수 있다.

또 다른 양상에 따르면, 셀룰로스 마이크로/나노 재료의 바람직한 투입량은 5 중량% 미만의 결합제의 투입량이다. 또 다른 양상에 따르면, 셀룰로스 마이크로/나노 재료의 가장 바람직한 투입량은 1.5 중량% 미만의 CF/결합제의 투입량이다.

셀룰로스 나노 필라멘트는 사막 모래와 콘크리트를 제조하는데 사용될 수 있거나, 또는 다수의 유형의 셀룰로스 마이크로/나노 재료의 혼합물이 포괄된다.

본 명세서에 기재된 다른 실시형태에 따르면, 사막 모래 혼합물 중 셀룰로스 나노 필라멘트의 바람직한 투입량은 5 중량% 이하, 바람직하게는 3 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 1 중량% 이하, 가장 바람직하게는 0.5 중량% 이하의 CF/결합제의 범위이다.

본 명세서에 기재된 다른 실시형태에 따르면, 저급품 모래(예컨대, 사막 모래, 또는 더 미세한 알갱이 및 더 좁은 크기 분포를 갖는 모래) 혼합물과 셀룰로스 나노 필라멘트의 바람직한 투입량은 5 중량% 이하, 바람직하게는 3 중량% 이하, 더 바람직하게는 1 중량% 이하, 가장 바람직하게는 0.5 중량% 이하의 CF/결합제의 범위이다. 본 명세서에 기재된 바람직한 실시형태에 있어서, 저급품 모래, 시멘트 및 자갈 및 기타 첨가제의 조성물에 CF를 첨가하는 것은 콘크리트를 제조하기 위하여 사막 모래를 사용하는 주된 문제점 중 하나를 효율적으로 해소할 수 있다. CF의 첨가는 3D 망상체를 형성하고, 이는 시멘트 페이스트, 저급품 모래 및 셀룰로스 필라멘트 간에 적절한 접착력을 제공하여 둥글고 평활하며 미세한 모래 입자를 함께 유지시킨다. 본 명세서에 기재된 바람직한 실시형태에 있어서, 사막 모래, 시멘트 및 자갈 및 기타 첨가제의 믹스에 셀룰로스 필라멘트를 첨가하는 것은 시멘트 및 저급품 모래 간의 계면 전이 구역(ITZ)을 가교시킬 수 있다.

본 명세서에 기재된 다른 실시형태에 따르면, 둥근 형상, 평활한 표면 및 좁은 크기 분포를 가진 저급품 모래는 동일한 물/시멘트 비에서 상이한 슬럼프 값으로 불량한 작업성을 보였다. 오타와 모래의 슬럼프는 0.41의 물/시멘트 비에서 극히 높고 75㎜에 도달하며; 0.48의 W/C에서, 오타와 모래의 슬럼프는 197㎜인 한편, 라파즈 모래의 슬럼프는 단지 73㎜이다(도 11). 조립률(2.11)은 라파즈 모래(2.93)보다 낮지만, 오타와 모래의 높은 슬럼프 값은 둥근 형상과 평활한 표면에 기인한다. 사구 모래 및 황색 사막 모래의 슬럼프(도 11)는 오타와 모래보다 훨씬 낮지만, 둥근 형상과 평활한 표면을 갖고, 이것은 이들의 더 작은 크기 좁은 크기 분포에 기인한다. 황색 사막 모래 및 사구 모래의 조립률은 각각 단지 0.88 및 0.99인데(표 1), 이는 오타와 모래 및 라파즈 모래보다 훨씬 더 낮고, 시멘트 페이스트로 덮일 필요가 있는 더 넓은 표면적을 갖는다.

본 명세서에 기재된 바람직한 실시형태에 있어서, 조성물에 셀룰로스 필라멘트를 첨가하는 것은 시멘트 수화 공정 동안 중요한 역할을 한다. 따라서, 상이한 유형의 모래와 함께 상이한 모르타르 혼합물에서의 열 방출은 도 12에 묘시되어 있다(도 12A-라파즈 모래, 도 12B-오타와 모래 및 도 12C-사막 모래). 규산염 수화 피크는 모든 유형의 모래에 대해서 CF를 가진 혼합물에서 약간 더 높고 더 넓다(도 12). 이 관찰은 누적 방출 열이 CF를 혼입하는 일 없이 기준 혼합물의 것에 비해서 모든 유형의 모래를 가진 모든 CF 혼합물에서 약간 더 높은 누적 열 방출에 의해 더욱 확인된다. 오타와 모래 모르타르와 0.15% CF와의 혼합물은, 예를 들어, 기준 혼합물의 것보다 5.6% 더 높은 누적 열 방출을 나타내었다. CF 혼합물에서 관찰된 증가된 수화열이 셀룰로스의 알칼리 가수분해에 연관될 수 있고, 이는 시멘트 수화를 촉진시키고 CF-자기 다짐된 콘크리트 혼합물에 기록된 저감된 세팅 시간에 의해 더욱 확인되는 일종의 가속화를 초래하는 발열 반응이다(Hisseine et al. (2018, Journal of Materials in Civil Engineering, 30(6)).

본 콘크리트 및 모르타르 믹스는 이하의 일반적 절차에 의해 예시되지만, 이것으로 제한되지 않는다.

일반적 절차 A: CF, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)의 분산액.

CF의 가장 초기 분산액을 위하여, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)는 콘크리트 믹스에 분산되고; CF, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)는 혼합 전에 물에 완전히 분산될 수 있다.

예를 들어, 건조되지 않은(비건조) CF, CF 필름 또는 CF-함유 펄프, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC)는 브리티시 파쇄기(British disintegrator)를 이용해서 또는 헬리코 펄퍼(Helico pulper) 또는 다른 입수 가능한 펄퍼에 의해 적절한 고체 함유량(점조도)으로 표준 실험실 방법으로 분산될 수 있다. 고체 함유량은 분산 후에 측정될 수 있다.

일반적 절차 B: 사막 모래, 시멘트 및/또는 자갈의 혼합물의 제조

강/해변으로부터 유래되거나 돌 및/또는 거친 자갈 골재로부터의 분쇄된 각진 형태를 갖는 구형 모래, 수경성 결합제 및/또는 규산염 모래 자갈은 콘크리트 산업 표준에 따라서 믹서에서 잘 혼합한다.

절차 A로부터의 분산된 CF, 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC) 용액을 건조 성분을 함유하는 믹서에 첨가하고, 콘크리트 산업에서의 표준 관행에 따라서 적절한 시간 동안 혼합한다. 혼화제 화합물, 예컨대, 공기 연행제, 감수제 및 기타 첨가제가 또한 이 단계에서 첨가될 수 있고, 사막 모래 콘크리트 혼합물의 균질한 조성물을 확보하는 것을 도울 수 있다.

일반적 절차 C: 레올로지 및 작업성 시험

레올로지, 작업성 및 공기 함유량은 상이한 접근법에 의해 측정될 수 있다. 콘크리트 조성물의 작업성의 중요한 인자인 레올로지는 통상 시험 샘플을 주조하기 전에 완성되는 혼합 직후에 통상 현장에서 측정된다. 콘크리트 조성물의 작업성을 측정하는데 2가지 접근법이 사용되며, 여기서 가장 흔한 것은 "슬럼프 시험"인데, 이는 프레시 조성물을 주조하는데 콘을 사용하고, 측정된 슬럼프 높이는 레올로지가 표준 요건에 도달하는 것을 확실하게 해준다. 콘크리트 조성물의 레올로지 시험의 다른 접근법은 플로 테이블 시험인데, 이는 유동성에 대한 상이한 첨가제의 영향을 시험하는데 사용되는 더 작은 규모 시험이고, 콘크리트 조성물의 레올로지의 양호한 표시자이다.

여기서, 유동성은 ASTM C1437-07 표준 방법 및 인-하우스 셋업 둘 다에 의해 시멘트 및 모래 모르타르에 대해서 플로 테이블을 이용해서 측정되었다. 슬럼프 및 이의 함유량에 대한 프레시 콘크리트 믹스의 작업성은 ASTM C 143/C 143M - 03 표준 방법에 따라서 측정되었다.

일반적 절차 D: 샘플 주조

레올로지 및 공기 함유량이 표준 사양 요건에 도달한 후, 콘크리트 조성물은 상이한 형상의 금형, 즉, 필요한 기계적 및 물리적 특성에 따라서 직사각형 프리즘, 실린더 또는 임의의 다른 유형의 금형에서 주조될 수 있다.

일반적 절차 E: 경화(hardening) 및 양생(curing)

주조된 콘크리트 조성물을 20±3℃에서 100% 상대 습도(RH)를 갖는 조건조절실로 옮겨 주조된 조성물을 경화시키고 궁극적으로 이를 양생시킨다. 경화 및 양생은 일반적으로 그의 완전 강도를 얻기 위하여 콘크리트에 대해서 28일 걸린다. 콘크리트의 강도는 20±3℃ 온도에서 100%의 RH로 28일 후에 계속 증가될 수 있고, 피크값은 3개월 후에 통상 얻어진다. 수분 및 온도가 시멘트의 수화에 대한 거대한 영향을 지니므로 제어된 조건하에 주조된 콘크리트 조성물을 경화 및 양생시키는데 중요하다.

일반적 절차 F: 성능 시험

기계적 특성, 예컨대, 압축 강도, 굽힘 강도, 쪼갬 인장 강도, 탄성률 및 푸아송비는 콘크리트가 상이한 응용을 위하여 특정 요건에 도달하는 것을 확보하기 위하여 측정된다.

기타 특성, 예컨대, 간격계수(spacing factor), 염 스케일링(salt scaling), 냉동/해동 시험이 내구 특성을 측정하는 요건에 따라서 그리고 제조될 콘크리트의 적용 환경에 따라서 측정될 수 있다.

본 개시내용은 이하의 실시예를 참조하면 더욱 용이하게 이해될 것이다.

실시예 I

사막 모래, W/C = 1에서의 시멘트 조성물에 대한 셀룰로스 필라멘트(CF)로 제조된 모르타르의 레올로지/작업성의 영향 연구.

수경성 결합제는 라파즈에 의한 포틀랜드 시멘트 유형 10이다. 사막 모래는 Exo-Terra에 의해 남아프리카에서 수입되고 몬트리올에 소재한 Canada Rolf C. Hagen Inc에 의해 배포되고 Amazon으로부터 구입한 천연 사막 모래로 이루어진다. 강 모래는 Home Depot로부터 구입한 다목적 건조된 모래인 Bomix로부터의 것이다. 셀룰로스 필라멘트는 FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조되었고, 이것은 혼합 전에 물에 충분히 분산되었다. 물/시멘트(W/C) 비는 1이고 S/C 비는 2이다. 모래, 시멘트, CF 투입량, 및 물의 양은 표 2에서 발견된다.

목적하는 양의 건조 성분, 예컨대, 모래 및 시멘트를 측정하고, 제조 단계에서 잘 혼합하였다. 분산된 CF를 물과 혼합하고 나서 건조 모래 및 시멘트 혼합물에 부었다. 이것을 수동으로 잘 혼합하고, 이어서 도 3에 도시된 바와 같이 플랫 플라스틱 테이블 상의 금속 실린더에 넣었다. 퍼짐 직경을 측정하고, 금속 실런더를 제거한 후의 조성물의 사진을 촬영하였다(도 4).

강 모래, 시멘트 및 물 조성물을 대조 샘플로서 제조하였고, 동일한 W/C 비를 사용해서 CF를 사막 모래 조성물에 첨가하는 효과를 비교하였다. CF, 즉, 0.14%에 불과한 CF/수경성 결합제를 조성물에 첨가하는 것은 사막 모래 조성물에 의한 모르타르 믹스의 레올로지에 대한 상당한 영향을 갖는 것은 명백하였다.

이전의 관찰을 더욱 확인하기 위하여, 동일한 W/C, 모래/시멘트 비 및 CF 투입량 실험을 반복하였다. 유동성은 반복 가능하고, 그 결과는 표 2 및 도 4에 나타낸 바와 같다.

시멘트 사막 모래 모르타르의 미세구조는 도 6A에 나타낸 바와 같이 광 현미경에 의해 특성 규명되었고, 균열은 맨눈으로 명확하게 관찰될 수 있는 한편, CF의 존재하에 사막 모래로부터 제조된 모르타르는 도 6B 및 도 6C에 나타낸 바와 같이 강 모래로 제조된 모르타르 샘플과 유사하게 보였다. 더욱 명백하게는, 사막 모래, 시멘트 입자 및 CF의 미세구조는 SEM 현미경 사진으로 특성 규명되었다. CF의 존재하의 사막 모래 모르타르의 미세구조는 또한 CF의 명백한 망상체, 시멘트 입자 및 사막 모래의 가교, 및 구형 사막 모래가 서로에 대해서 슬라이딩하는 것을 방지하도록 하는 3D 망상체의 형성을 보였다.

실시예 II

CF 접합 사막 모래의 영향 연구(구형 모래 알갱이에 대한 셀룰로스 필라멘트의 접착 화학의 영향)

원료는 오타와 모래(Global Gilson으로부터 주문한 미국 일리노이주 오타와의 사구 모래), 강 모래(Bomix로부터의 강 모래, Home Depot으로부터 구입한 다목적 건조 모래) 및 Amazon으로부터 구입되고 Canada Rolf C. Hagen Inc.(몬트리올 소재)에 의해 유통된 Exo-Terra에 의해 세계의 상이한 개소로부터 수입된 3가지 유형의 사막 모래(황색, 적색 및 흑색)를 포함한다. FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조된 셀룰로스 필라멘트를 혼합 전에 물에 완전히 분산시켰다. 2가지 CF/모래 비(0.5%, 1 %)를 사용해서 모래를 혼합하고, 사각형 금형에서 주조하였다. 놀랍게도, 물로부터 건조 후, 주조된 모래/CF 혼합물은 주조된 대로 동일한 형상을 유지하며, 이것은 CF 단독은 모래를 함께 결합시킬 수 있는 것을 나타내었다.

모래/CF의 건조된 혼합물은 도 9A에 도시된 바와 같이 건조 후 실체를 형성하였다. 더 높은 CF비를 갖는 모래의 건조된 혼합물의 샘플은 더 강하다(도 9B). 분산된 CF를 구형 모래 알갱이와 혼합함으로써, 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지하고 따라서 건축 자재의 안정화에 기여하는 방법을 제공하였다. 모래/CF 혼합물의 미세구조는 SEM에 의해 특성규명되었다. CF와 사막 모래 입자 간의 결합은 도 9C에서 명백하게 관찰될 수 있으므로 사막 모래의 평활하고 둥근 표면에 고정하는 명백한 접착력을 보였으며, 이때 CF 망상체는 강력한 결합을 형성하여 개별적인 모래 알갱이의 서로에 대한 슬라이딩을 방지한다.

실시예 III

사막 모래, W/C = 0.63에서의 시멘트 조성물에 대한 셀룰로스 마이크로/나노 재료의 레올로지/작업성의 영향 연구

원료는 앞서 기재된 바와 같고, 셀룰로스 필라멘트를 혼합 전에 물에 완전히 분산시켰다. 물/시멘트(W/C) 비는 0.63이었고, S/C 비는 2이다. 모래, 시멘트, CF 투입량, 및 물은 표 3에 열거되어 있고, 작은 실린더 슬럼프 시험의 형상은 도 7에 도시되어 있다.

물을 첨가하기 전에 모래와 시멘트를 계량하고 잘 혼합하였다. 분산된 CF를 물과 혼합하고, 이어서 건조 모래 및 시멘트 혼합물에 첨가하였다. 모든 성분을 수동으로 잘 혼합하고, 이어서 평탄한 투명 플라스틱 테이블 상의 금속 실린더에 넣었다.

CF, 즉, 심지어 결합제의 중량으로 0.14%에 불과한 CF를 조성물에 첨가하는 것은 사막 모래 조성물의 레올로지에 상당히 영향을 미쳤다.

실시예 IV

사막 모래, W/C = 1에서의 시멘트 조성물에 대한 상이한 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 및 미소섬유상 셀룰로스(MFC) 및 셀룰로스 필라멘트(CF)의 레올로지/작업성의 영향 연구

이용된 재료는 수경성 결합제(라파즈에 의한 포틀랜드 시멘트 유형 10); 황색 사막 모래; 대략 3.15% 고형물 페이스트의 형태의 MFC 1이고, 입자 크기 분포는 마이크론의 범위이고; 3.9%의 고체 함유량, 입자 크기 최대 500 마이크론의 입자 크기의 길이를 가진 페이스트 형태의 MFC 2; 대략 3%의 고체 함유량을 가진 페이스트 형태의 CNF, 대략 50㎚ 폭 및 최대 수백 마이크론의 길이; 및 약 30㎚ 내지 약 500㎚ 범위의 CF의 폭이지만, 약 200㎛ 내지 약 2㎜의 평균 길이를 갖는 대략 30% 고체 함유량의 비건조 CF이다. 모든 셀룰로스 나노 재료를 혼합 전에 물에 완전히 분산시켰다. 물/시멘트(W/C) 비는 1이고 S/C 비는 2이다. 모래, 시멘트, 셀룰로스 필라멘트 투입량, 및 물의 양은 표 4에서 발견된다.

목적하는 양의 건조 성분, 예컨대, 모래 및 시멘트를 측정하고, 제조 단계에서 잘 혼합하였다. 분산된 CF를 물과 혼합하고 건조 모래 및 시멘트 혼합물에 부었다. 이것을 수동으로 잘 혼합하고, 이어서 표 3에 도시된 바와 같이 평탄한 플라스틱 테이블 상의 금속 실린더에 넣었다. 퍼짐 직경을 측정하였고, 금속 실린더를 제거한 후에 조성물의 형상을 촬영하였다(도 8).

실시예 V

ASTM C109에 따라서 라파즈 모래로 제조된 모르타르에 대한 CF의 영향 연구

이용된 재료는 라파즈 모래(9071 SG, 콘크리트 건축 등급 모래, 캐나다 퀘백주 셍-갸브히엘-드-브헝동 소재, 라파즈에 의해 공급); 석회석 유형 GUL을 가진 포틀랜드 시멘트(케나다 퀘벡주 셍-꽁스떵 소재, 라파즈에 의해 공급); 및 FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조된 CF이다.

(0 내지 0.20%)의 상이한 비에서의 라파즈 모래, GUL 시멘트 및 CF를 이용한 모르타르 제제를 ASTM C109에 따라서 제조하고 제형은 표 5에 열거되어 있다. 기지량의 모래 및 시멘트를 Hobart 믹서에서 혼합하고, 기지량의 CF를 믹스에 첨가하고, 이것을 2분 동안 혼합하였다.

유압식 시멘트 모르타르의 유동성을 ASTM C1437-07에 따라서 측정하였다. 유동성의 결과는 표 6에 도시되어 있다. 유동성은 CF비가 증가함에 따라서 감소하였다.

플로 테이블 시험 후에, 2"×2"×2" 큐브의 샘플을 금속 금형에 주조하고 이 금형을 경화 동안 24±1시간 동안 23℃에서 95% 초과의 조절된 상대 습도를 가진 습윤 챔버에 배치하였다. 이어서, 경화된 큐브를 금형으로부터 제거하고, 28일 동안 양생 챔버에서 제어된 pH값으로 양생 욕에 넣었다. 모르타르 큐브의 압축 강도(표 6)를 ASTM C 109(유압식 시멘트 모르타르의 압축 강도에 대한 표준 시험 방법)에 따라서 측정하였다. 대조 샘플과 비교해서, 단지 1개 군의 샘플의 압축 강도는 0.05% CF의 투입량에서 7일 양생 후에 4.8% 더 높다. 놀랍게도, 28일 후에, 0.025%, 0.05% 및 0.10%의 CF를 가진 3개 군의 압축 강도는 대조 샘플보다 더 높았고, 여기서 최고 증가는 제형에 첨가된 0.05% CF로 11% 개선이다.

실시예 VI

ASTM C109에 따른 CF의 첨가와 함께 오타와 모래로 제조된 모르타르

이용된 재료는 오타와 모래(Global Gilson으로부터 주문된 미국 일리노이주 오타와 소재의 사구); 석회석 유형 GUL을 가진 포틀랜드 시멘트(케나다 퀘벡주 셍-꽁스떵 소재, 라파즈에 의해 공급); 및 FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조된 CF이다.

(0 내지 0.20%)로부터 상이한 비에서 오타와 모래, GUL 시멘트 및 CF를 사용한 모르타르 제제를 ASTM C C109에 따라 제조하였으며 제형은 표 7에 열거되어 있다. 기지량의 모래 및 시멘트를 Hobart 믹서에서 혼합하고, 물에 분산된 기지량의 CF를 첨가하고 혼합하였다.

오타와 모래를 갖는 유압식 시멘트 모르타르의 유동성을 ASTM C1437-07에 따라서 측정하였다. 플로 테이블 시험 후에, 2"×2"×2" 큐브의 샘플을 금속 금형에서 주조하고 이 금형을 경화 동안 24±1시간 동안 23℃에서 95% 초과의 조절된 상대 습도를 가진 습윤 챔버에 배치하였다. 이어서, 경화된 큐브를 금형으로부터 제거하고, 28일 동안 양생 챔버 내 제어된 pH값을 가진 양생 욕에 넣었다. 오타와 모래 모르타르 큐브의 압축 강도(표 8)를 ASTM C 109(유압식 시멘트 모르타르의 압축 강도에 대한 표준 시험 방법)에 따라서 측정하였다. 대조 샘플과 비교해서, 놀랍게도, 1개 군의 샘플의 압축 강도는 0.10% CF 투입량에서 7일 양생 후에 9.2% 더 높다. 놀랍게도, 28일 후에, 0.05% 및 0.10%를 가진 두 그룹의 압축 강도는 대조 샘플보다 더 높고, 여기서 최고의 증가는 제형에 0.10% CF 첨가로 9.8%의 개선이다.

실시예 VII

건축 등급 모래 및 CF를 갖는 콘크리트 믹스

이용된 재료는 라파즈 모래(9071 SG, 콘크리트 건축 등급 모래, 캐나다 퀘백주 셍-갸브히엘-드-브헝동 소재, 라파즈에 의해 공급); 석회석 유형 GUL을 가진 포틀랜드 시멘트(케나다 퀘벡주 셍-꽁스떵 소재, 라파즈에 의해 공급); 및 CF(FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조)이다. 32% 고체 함유량을 가진 폴리카복실레이트계 고농도 범위 감수 혼화제(water reducing admixture)를 2500 ㎖/㎥의 투입량에서 첨가하고, 80㎜±30㎜의 목표 작업성을 확보하였다.

포틀랜드시멘트 GUL 유형, 라파즈 모래, 자갈 골재 및 재료의 양의 제형을 표 9에 나열된 바와 같은 조성물에 대해서 혼합하였다. 라파즈 모래를 가진 프레시 콘크리트 믹스의 공기 함유량 및 슬럼프의 결과뿐만 아니라 프레시 믹스의 공기 함유량 및 양생된 콘크리트의 밀도는 표 9에 표시되어 있다.

상이한 비의 CF와 함께 라파즈 모래로 제조된 콘크리트의 압축 강도 결과는 도 13에 보고되어 있다. 압축 강도는 모든 제형에 대해서 양생 시간으로 개선되었다. 대조 샘플을 0.05% CF 및 0.15% CF의 첨가와 비교할 경우, 대략 7.5 내지 8% 개선이 있다. 이 증가 경향은 7일, 14일 내지 28일의 양생 시간과 유사하게 유지되었다. 굽힘 강도는 0.05% CF의 첨가로 다소 증가되었고, 0.1% CF 첨가로는 증가되지 않았다(도 17). 라파즈 모래로 제조된 콘크리트의 쪼갬 인장 강도는 CF의 첨가에 의해 다소 감소된다(도 18).

실시예 VIII

CF의 첨가에 의해 오타와 모래로 제조된 콘크리트

이용된 재료는 오타와 모래; 석회석 유형 GUL를 가진 포틀랜드 시멘트(케나다 퀘벡주 셍-꽁스떵 소재, 라파즈에 의해 공급); 및 FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조된 CF이다. 32% 고체 함유량을 가진 폴리카복실레이트계 고농도 범위 감수 혼화제를 2500 ㎖/㎥의 투입량에서 첨가하여 80㎜±30㎜의 목표 작업성을 확보하였다.

포틀랜드 시멘트 GUL 유형, 오타와 모래, 자갈 골재 및 재료의 양을 표 10에 열거된 바와 같이 조성물에 대해서 혼합하였다. 오타와 모래를 갖는 프레시 콘크리트 믹스의 슬럼프 및 공기 함유량뿐만 아니라, 프레시 믹스의 공기 함유량 및 양생된 콘크리트의 밀도는 표 10에 표시되어 있다.

상이한 비의 CF와 함께 오타와 모래로 제조된 콘크리트의 압축 강도 결과는 도 14에 도시되어 있다. 놀랍게도, 압축 강도는 CF 없는 오타와 모래 콘크리트에 의한 대조 샘플에 비해서 0.15%의 첨가로 22% 증가되었다. 7일 양생 후 오타와 모래 제형에 0.1% CF에 대해서 압축 강도의 16% 개선이 있었다. CF의 첨가에 의한 제형은 모두 7일, 14일 및 28일 양생 후에 압축 강도의 명백한 개선을 가졌다. 0.05%에서 CF의 첨가로 오타와 모래 콘크리트의 굽힘 강도는 7.3% 증가되었고 0.1% CF에서 약간 개선되었다(도 17). 쪼갬 인장 강도는 0.1% CF의 첨가로 33% 개선되었고, 모든 쪼갬 인장 강도는 오타와 모래 콘크리트에 대해서 CF의 첨가에 의해 28일 양생 후 개선되었다(도 18).

실시예 IX

CF의 첨가에 의해 황색 사막 모래로 제조된 콘크리트

이용된 재료는 황색 사막 모래; 석회석 유형 GUL를 가진 포틀랜드 시멘트(케나다 퀘벡주 셍-꽁스떵 소재, 라파즈에 의해 공급); 및 FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조된 CF이다. 32% 고체 함유량을 갖는 폴리카복실레이트계 고농도 범위 감수 혼화제를 4000 ㎖/㎥의 투입량으로 첨가하여 80㎜±30㎜의 목표 작업성을 확보하였다.

포틀랜드 시멘트 GUL 유형, 황색 사막 모래, 자갈 골재 및 재료의 양을 표 11에 열거된 조성물에 대해서 혼합하였다. 황색 모래를 갖는 프레시 콘크리트 믹스의 공기 함유량 및 슬럼프는 표 11에 열거되어 있다. 프레시 믹스의 공기 함유량 및 양생된 콘크리트의 밀도는 표 11에 보고되어 있다.

상이한 비의 CF와 함께 황색 사막 모래로 제조된 콘크리트의 압축 강도 결과는 도 15에 보고되어 있다. 압축 강도는 7일 양생 후에 황색 사막 모래 콘크리트를 가진 대조 샘플에 비해서 0.1% CF의 첨가로 11% 증가되었다. 압축 강도에 대한 개선은 28일 양생 후 0.15% CF에 의해 14%이다. 최대 0.1 내지 0.15%까지 CF를 첨가하는 것이 압축 강도 개선에 긍정적인 영향을 갖는 경향은 명백하다. 놀랍게도, 굽힘 강도는 CF 비의 증가에 따라서 28일 양생 후에 0.15% CF에서 최대 11%까지 증가하였다. 황색 모래 콘크리트의 쪼갬 인장은 0.15% CF의 첨가에 따라 7% 증가하였다.

실시예 X

CF의 첨가에 의해 사구 모래로 제조된 콘크리트

이용된 재료는 미국 오레곤주로부터의 사구 모래; 석회석 유형 GUL을 가진 포틀랜드 시멘트(케나다 퀘벡주 셍-꽁스떵 소재, 라파즈에 의해 공급); 및 FPInnovations의 파일럿 플랜트로부터 제조된 CF이다. 32% 고체 함유량을 가진 폴리카복실레이트계 고농도 범위 감수 혼화제를 4000 ㎖/㎥의 투입량으로 첨가하여 80㎜±30㎜의 목표 작업성을 확보하였다.

포틀랜드 시멘트 GUL 유형, 사구 사막 모래, 자갈 골재 및 재료의 양을 표 12에 열거된 바와 같이 조성물에 대해서 혼합하였다. 슬럼프 및 사구 모래를 가진 프레시 콘크리트 믹스의 공기 함유량이 표 12에 나타나 있을 뿐만 아니라, 프레시 믹스의 공기 함유량 및 양생된 콘크리트의 밀도가 또한 표 12에 보고되어 있다.

상이한 비의 CF와 함께 사구 모래로 제조된 콘크리트의 압축 강도 결과는 도 16에 보고되어 있다. 압축 강도는 7일 양생 후 사구 모래 콘크리트를 갖는 대조 샘플에 비해서 0.1% CF의 첨가에 의해 9.4% 증가하였다. 압축 강도에 대한 개선은 28일 양생 후 0.15% CF에 의해 10.5%이다. 0.1 내지 0.15%의 CF의 첨가가 압축 강도 개선에 긍정적인 영향을 갖는 이 경향은 명백하다. 굽힘 강도와 쪼갬 인장 강도 둘 다는 0.1% 내지 0.15%의 CF의 첨가에 의해 약간 개선된다.

실시예 XI

보통의 건축 모래, 시멘트 및 자갈로 제조된 콘크리트 조성물에 대한 CF의 영향

포틀랜드 시멘트, 보통의 건축 모래, 자갈 골재 및 재료의 양을 표 13에 열거된 바와 같이 조성물에 대해서 혼합하였다.

굽힘 시험 후 CF, 시멘트, 모래 및 자갈의 혼합물의 파단면의 사진은 도 19에 표시되어 있다. 도 19A는 참조 샘플인, 믹스에 CF를 첨가하지 않은 보통의 콘크리트 믹스의 파단 사진이다. 시멘트 페이스트 및 자갈 골재 중 계면 전이 구역에서의 파단 에지에서 많은 백색 반점이 있는 것이 관찰되었고, 이는 보통의 콘크리트 믹스의 ITZ가 콘크리트 복합재에 약한 부분이 있는 것을 나타내었다. CF를 첨가한 콘크리트 믹스의 파단면을 볼 경우, 자갈 골재가 파단되는 경우, 더 어두운 색을 가진 흑색 반점이 나타난 것이 관찰되었고(도 19B 및 도 19C), 이는 CF의 첨가가 시멘트 및 자갈 골재 간 ITZ에서의 부착을 개선시킨 것을 나타내었다. 더욱 놀랍게도, 자갈 골재에서의 유사한 파단이 인장 쪼갬 샘플(도 20)에 대해서도 관찰되었는데, 이때 CF를 갖는 콘크리트의 파단면은, ITZ 골재-페이스트 접촉부에서 더욱 탈착을 보이는 CF가 없는 콘크리트에서보다 더 큰 비율의 파열된 조골재를 보였다. 골재-페이스트 접촉부에서의 부착력은 CF의 첨가에 의해 개선되는 것은 놀라운 발견이었다.

시멘트, 건축 모래, 자갈 골재, 공기 연행제 및 초가소제와 혼합된 CF의 특성을 표 14에 요약한다. 소량의 CF를 첨가하는 것은 결합제의 중량으로 단지 0.14% CF의 첨가로 압축 강도를 최대 20%까지 개선시키는 것을 알 수 있다. 얻어진 압축 강도는 37.3㎫이었는데, 이는 28일에 CF 없는 콘크리트 혼화제에 대한 36.4MPa보다 더 높다. 굽힘 강도는 CF를 첨가함으로써 단지 약간 개선되었다. 쪼갬 인장 강도는 57일에 19% 개선되었다. 전반적으로, 콘크리트 혼화제에 CF의 첨가는 시멘트 페이스트와 자갈 골재 상간 상호작용 구역 간에 접착력을 개선시키고, 따라서 생성된 콘크리트의 기계적 강도를 개선시킨다.

본 명세서에 기재된 각종 양상은 단독으로, 조합하여 또는 실시예에서 구체적으로 논의되지 않은 다양한 배열로 위에서 기재되었고, 따라서 상기 설명에 제시되거나 또는 도면에 예시된 성분의 배열 및 상세로 본 출원을 제한하는 것은 아니다. 예를 들어, 일 실시형태에 기재된 양상은 다른 실시형태에 기재된 양상과 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 특정 실시형태가 도시되고 설명되었지만, 이하의 청구범위의 범위로부터 벗어나는 일 없이 변화 및 변경이 행해질 수 있고 개시내용은 실시예에 제시된 실시형태에 의해 제한되어서는 안되지만, 전체로서 설명과 일치하는 최광의의 합리적인 해석을 취해야 한다.

Claims

콘크리트 조성물로서,
수경성 결합제(hydraulic binder);
2.9 미만의 조립률(fineness modulus)을 가진 모래; 및
필라멘트상 셀룰로스(filamentous cellulose)
를 포함하는, 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서, 모래는 2.11 미만의 조립률을 가진, 콘크리트 조성물.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모래는 사막 모래 또는 오타와 모래(Ottawa sand)인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사막 모래는 황색 사막 모래(Yellow desert sand), 사구 모래(dune sand), 카타르 사막 모래(Qatar desert sand), 고비 사막 모래(Gobi desert sand), 적색 사막 모래(red desert sand), 흑색 사막 모래(black desert sand), 또는 이들의 조합인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필라멘트상 셀룰로스는 셀룰로스 필라멘트(cellulose filament: CF), 셀룰로스 나노 필라멘트(cellulose nano filament), 셀룰로스 나노파이브릴(cellulose nanofibril: CNF) 또는 미소섬유상 셀룰로스(microfibrillated cellulose: MFC)인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필라멘트상 셀룰로스는 평균 길이가 최대 약 2㎜이고, 그리고 평균 폭이 약 3㎚ 내지 약 500㎚인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제는 포틀랜드 시멘트(Portland cement), 고알루미나 시멘트(high alumina cement), 석회 시멘트, 킬른 더스트 시멘트(kiln dust cement), 고 인산염 시멘트(high phosphate cement), 고로 슬래그 미분말 시멘트(ground granulated blast furnace slag cement), 비산회, 석회, 석고 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제는 포틀랜드 시멘트인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제에 대한 필라멘트상 셀룰로스는 상기 수경성 결합제의 5 중량% 미만의 중량%인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제에 대한 상기 필라멘트상 셀룰로스의 중량%는 0.05 중량% 내지 2.5 중량%의 범위인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 조골재(coarse aggregate)를 더 포함하는, 콘크리트 조성물.
제11항에 있어서, 상기 조골재는 자갈, 굵은 골재(coarse), 규산염, 점토, 금속 산화물, 금속 수산화물, 또는 이들의 혼합물인, 콘크리트 조성물.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 조골재는 약 5㎜ 내지 약 40㎜의 평균 입자 크기의 범위인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 2.9 초과의 조립률을 가진 모래를 더 포함하는, 콘크리트 조성물.
제14항에 있어서, 상기 2.9 초과의 조립률을 가진 모래는 천연 모래인, 콘크리트 조성물.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 천연 모래는 강 모래, 강둑 모래, 바다 모래, 또는 이들의 조합인, 콘크리트 조성물.
제14항에 있어서, 상기 2.9 초과의 조립률을 가진 모래는 라파즈 모래(Lafarge sand)인, 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 콘크리트/모르타르 믹스, 콘크리트 믹스, 모르타르 믹스, 모르타르 조성물, 또는 콘크리트/모르타르 모래 접착 첨가제인, 콘크리트 조성물.
콘크리트 조성물을 제조하는 방법으로서,
수경성 결합제를 제공하는 단계;
2.9 미만의 조립률을 가진 모래를 제공하는 단계;
필라멘트상 셀룰로스를 제공하는 단계; 및
상기 수경성 결합제와, 상기 사막 모래와, 상기 필라멘트상 셀룰로스를 혼합하는 단계를 포함하되,
상기 필라멘트상 셀룰로스는 상기 수경성 결합제 및 상기 모래에 부착되는 망상체를 생성하는, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항에 있어서, 모래는 2.11 미만의 조립률을 가진, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 모래는 사막 모래 또는 오타와 모래인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사막 모래는 황색 사막 모래, 사구 모래, 카타르 사막 모래, 고비 사막 모래, 적색 사막 모래, 흑색 사막 모래, 또는 이들의 조합인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필라멘트상 셀룰로스는 셀룰로스 필라멘트(CF), 셀룰로스 나노 필라멘트, 셀룰로스 나노파이브릴(CNF) 또는 미소섬유상 셀룰로스(MFC)인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필라멘트상 셀룰로스는, 평균 길이가 최대 약 2㎜이고, 그리고 평균 폭이 약 3㎚ 내지 약 500㎚인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제는 포틀랜드 시멘트, 고알루미나 시멘트, 석회 시멘트, 킬른 더스트 시멘트, 고 인산염 시멘트, 고로 슬래그 미분말 시멘트, 비산회, 석회, 석고 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제는 포틀랜드 시멘트인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제에 대한 필라멘트상 셀룰로스는 상기 수경성 결합제의 5 중량% 미만의 중량%인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수경성 결합제에 대한 상기 필라멘트상 셀룰로스의 중량%는 0.05 중량% 내지 2.5 중량%의 범위인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 조골재를 첨가하는 단계를 더 포함하는, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 조골재는 자갈, 굵은 골재, 규산염, 점토, 금속 산화물, 금속 수산화물, 또는 이들의 혼합물인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 조골재는 약 5㎜ 내지 약 40㎜의 평균 입자 크기의 범위인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 2.9 초과의 조립률을 가진 모래를 추가로 혼합하는 단계를 더 포함하는, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제32항에 있어서, 상기 2.9 초과의 조립률을 가진 모래는 천연 모래인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제32항 또는 제33항에 있어서, 상기 천연 모래는 강 모래, 강둑 모래, 바다 모래, 또는 이들의 조합물인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제33항에 있어서, 상기 2.9 초과의 조립률을 가진 모래는 라파즈 모래인, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.
제19항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콘크리트 조성물을 양생(curing)시키고 주조하는 단계를 더 포함하는, 콘크리트 조성물을 제조하는 방법.