KR20200128572A

KR20200128572A - 개선된 콘크리트 성능을 위한 신규한 조성물

Info

Publication number: KR20200128572A
Application number: KR1020207029228A
Authority: KR
Inventors: 더스틴 에이. 하트만; 윌리암 아치 조셉 셰털리; 크리스 울프
Original assignee: 더스틴 에이. 하트만; 크리스 울프; 윌리암 아치 조셉 셰털리
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2020-11-13
Also published as: EP3762345A1; JP2021516181A; EP3762345A4; US11279658B2; AU2019232570A1; WO2019172986A1; US20200062659A1; JP7342044B2

Abstract

개선된 압축 강도, 컬링, 균열 및 균열 특성을 갖는 산업용-규모의 콘크리트 설비의 제조를 위한 방법으로서, 상기 방법은 물을 혼합물에 첨가하고, 혼합물을 진탕한 이후에 나노실리카 미립자, 보다 바람직하게는 특정 크기 및 표면적 특성을 갖는 콜로이드 비결정질 실리카를 콘크리트 혼합물에 첨가하는 단계를 포함한다.

Description

개선된 콘크리트 성능을 위한 신규한 조성물

본 발명은 개선된 콘크리트 성능을 위한 신규한 조성물에 관한 것이다.

콘크리트는 고대부터 건축의 기본 구성요소이었다. 유형에 따라, 콘크리트는 구성요소의 강직성에 견디는 충분한 압축 강도와 시간에 따라 구조 열화가 거의 없는 지속적인 공공적 용도를 가질 수 있다. 그것의 유용성에 필수적인 것은 양생되지 않은 콘크리트의 물-함유 혼합물의 주입가능한 레올로지(pourable rheology)이다. 콘크리트의 주입성(pourability)은 단단한 형태로 양생되기 이전에, 예컨대, 예를 들어 주형 또는 기타 구속조건(constraint)을 사용하는 구조 형상화를 가능하게 한다. 물은 콘크리트의 형상화 및 양생 둘 모두에서 역할을 한다. 그러나, 이전에는, 콘크리트의 주입성을 증가시키는 물을 조심스럽게 이용할 필요가 있었으며; 양생 과정에서의 임의의 시점에서 콘크리트 중의 너무 많거나 너무 적은 물은 콘크리트 양생 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 이는 구조적으로 손상된 콘크리트 제품을 초래한다.

양생 콘크리트 중의 물은 일반적으로 3개의 중요한 기능을 갖는다. 첫 번째, 물은 건조 시멘트의 수화를 위해 필요로 된다. 수화 반응(양생)은 콘크리트-형성 반응(C-S-H 형성 반응)이고: 물은 결합이 형성되어 콘크리트에 그것의 압축 강도를 부여하는 반응에 참여한다. 이론적으로, 최고의 압축 강도를 갖는 콘크리트는 수화 반응이 완료될 때에 형성된다. 실제로, 수화 반응은 일반적으로 양생의 최초 단계 과정에서 상당한 정도로 진행되지만, 양생 콘크리트의 표면으로부터 물을 증발시킴으로써 이후 시점에 제한된다. 콘크리트 수화는 풍속, 상대 습도 및 온도와 같은 주위 조건에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 따라서, 콘크리트는 그것이 단지 부분적으로 양생되더라도 "건조"될 수 있다. 콘크리트 표면이 조기에 건조되는 경우, 수화는 불완전할 수 있으며, 이는 다공성이면서도 약한 표면을 유발한다. 콘크리트가 그것의 최대 강도 잠재력에 도달하기 위해서는, 일반적으로 물은 장기간, 종종, 수일 동안 지속적으로 원위치에 있을 것이 요구된다. 사실상, 콘크리트는 그것의 최대 강도 잠재력까지 거의 양생되지 않는다.

물의 두 번째 기능은 콘크리트의 주입성을 보조하는 것이다. 물이 시멘트에 첨가될 때, 그러나 수화가 대규모로 일어나기 이전에, 수화에 궁극적으로 참여할 많은 양의 물은 미리 콘크리트 중의 첨가재 및 수산화칼슘과 회합된다. 과량의 이 회합된 물 중의 물은 일반적으로 콘크리트의 유동성에 유리하며, 더 많은 "여분의" 물은 일반적으로 콘크리트의 더 큰 유동성과 상관된다.

일반적으로, 산업에서는 심지어 상대적으로 적은 양의 이러한 여분의 물은 콘크리트 제품에 유해한 것으로 여겨진다. 환경 조건(바람, 상대 습도 및 온도)은 슬래브의 표면이 실내보다 더 빠르게 건조될 수 있게 한다. 내부 물은 대개 내부에 포집된다. 일정 정도의 수화는 시멘트에 물을 첨가하여 시작되고, 주입 직후에 수화는 잘 진행될 수 있다. 포집된 물은 상대적으로 건조된, 부분적으로 양생된 표면에 의해 형성된 모세관을 통해 표면으로 배출될 수 있다. 포집된 물은 양생 콘크리트 내부에 저장소를 대신 형성할 수 있고, 이는 양생된 콘크리트 제품에 공극을 생성한다. 모세관 및 저장소 둘 모두는 얻은 양생된 콘크리트의 압축 강도를 저하시킬 수 있다. 이는 또한 환경 물이 그것의 사용 수명 과정에서 콘크리트에 유입되게 하며, 이는 동결 손상 및 다른 물-매개 손상 과정에 의해 콘크리트가 열화되게 한다.

또한, 수화에 참여하지 않는 물(즉, 콘크리트와 화학적으로 조합되지 않는 물)은 본질적으로 주입된 콘크리트에 체적을 부가하며, 건조 과정에서의 이 물의 손실은 일반적으로 양생 과정에서 일정 정도의 콘크리트의 수축을 야기한다. 그럼에도 불구하고, 콘크리트는 작용가능하여야 한다. 따라서, 수화/건조 과정에서의 콘크리트에 대한 수축 및 구조적 손상을 최소화하면서, 수화(양생) 및 작용가능성이 최대화되게 하는 최적의 양의 물을 포함시키는 것은 환경 요인에 의해 더욱 어렵게 된 정교한 균형화 작용을 유지시킨다.

물의 세 번째 기능은 또한 증발로 인해 건조될 수 있는 부분적으로 양생된 표면의 처리를 가능하게 하는 것이다. 조기 건조되는 표면은 일반적으로 처리하기 곤란하다. 스트라이크-오프(strike-off), 마감(closing) 및 처리(finishing)를 촉진하기 위해 이러한 표면에 물을 첨가하는 것이 일반적인 관행이다. 첨가된 물은 특히 모세관이 존재하는 경우에 표면을 통과할 수 있다. 이러한 물은 일반적으로 서서히 장기간에 걸쳐, 종종 심지어 콘크리트가 건조된 것으로 보여지는 경우에 콘크리트에서 배출된다. 종종 추가의 단계, 예컨대 실링(sealing) 또는 바닥 타일과 같은 부속품을 고정하거나 또는 바닥에 카펫을 배치하는 것을 요구하는 단계는 처리수의 느린 방출에 영향을 받는다. 예를 들어, 물의 느린 방출로 인하여 바닥 설치 직후에 접착제가 불량이 되는 경우는 드문 경우가 아니다. 이러한 물은 종종 주로 처리수이다. 심지어 물이 첨가되는 경우, 처리 기계는 종종 부분적으로 건조된 표면을 효과적으로 처리하기 위해 더 높은 설정으로 작동되어야 한다.

예를 들어, 수분 불투과성(water impermeability), 압축 강도 및 내마모성과 같은 콘크리트 특성을 개선하기 위한 콘크리트에서의 추가적인 시멘트 재료의 사용은 익히 알려져 있다. 예를 들어, 실리카 흄과 같은 다양한 유형의 미립자 실리카는 수분 불투과성 및 압축 강도를 개선하기 위해 추가적인 시멘트 재료로서 콘크리트에 사용되고 있다. 실리카를 사용하는 일반적인 문제점은 이것이 양생 과정에서의 모세관 및 공극 형성의 가능성이 상당한 블리드워터(bleedwater)의 더 높은 가능성으로 인하여 증가되도록 콘크리트 배합물의 물 수요를 증가시킬 수 있다는 것이다. 블리드 워터를 감소시키기 위해, 예를 들어, 시멘트 재료에 대해 중량 기준으로 약 0.5의 물의 비율 미만과 같은 상대적으로 적은 양으로 최소화되거나 또는 신중하게 할당되는 물과 함께 상대적으로 많은 양의 실리카 흄(시멘트 재료의 5 내지 10 중량%)을 사용하는 것은 본 기술분야에서 일반적인 것이다. 문헌(Design and Control of Concrete Mixtures, Sixteenth Edition, Second Printing (revised); Kosmatka, Steven H.; pg. 156). 이러한 적은 양의 물은 일반적으로 시멘트 제조사에 의해 권장되는 것보다 적고, 콘크리트의 레올로지를 상당하게 손상시킬 수 있으며, 이는 주입 또는 작업을 어렵게 만든다.

수분 불투과성, 압축 강도 및 내마모성과 같은 콘크리트 특성을 개선할 수 있는 조성물을 제공하는 것이다.

일 실시예에 의하면, 콘크리트 설비의 제조 방법으로서, 상기 방법은, A) 성분들로부터 콘크리트 혼합물을 생성하는 단계로서, 상기 성분들은, 각각, a) 일정 양의 건조 시멘트 혼합물로서, 상기 시멘트 혼합물은, i) 제조사 제시한 물/시멘트 비율 값으로서; 여기서 상기 제시한 비율은 약 3.5 내지 약 6.5의 범위 내에 포함되고; 그리고 b)와의 조합시, 물/시멘트 비율은 상기 제시한 값보다 약 10% 미만에 해당하는 값보다 크고, 상기 제시한 값보다 약 30% 초과에 해당하는 값 이하인 제조사 제시한 물/시멘트 비율 값; 또는 ii) 상한값 및 하한값을 갖는 제조사 제시한 물/시멘트 비율 범위로서, 하기 b)와의 조합시, 물/시멘트 비율이 하한값의 것보다 약 10% 미만에 해당하는 값보다 크고, 상한값보다 약 30% 초과에 해당하는 값보다 낮은 제조사 제시한 제조사 제시한 물/시멘트 비율 범위; 또는 iii) 하기 b)와의 조합시, 물/시멘트 비율이 약 0.35 내지 0.65의 범위 내에 있게 되는 양을 특징으로 하는 일정 양의 건조 시멘트 혼합물; b) 일정 양의 물, c) a)에서 시멘트의 백중량당 약 0.1 내지 약 7.0 온스의 범위 내의 일정 양의 비결정질 실리카로서; 여기서 평균 실리카 입도는 1 내지 55 나노미터의 범위 내에 있고 및/또는 실리카 입자의 표면적은 약 300 내지 약 900 m2/g의 범위 내에 있는 일정 양의 비결정질 실리카; d) 약 400 내지 약 700 중량% bwoc의 범위 내에 있는 일정 양의 골재 및/또는 일정 양의 모래를 포함하는 단계; 및 B) b)의 물이 그것의 전체로서 또는 상기 양의 물의 적어도 약 20 중량%를 포함하는 초기 회분, 및 테일워터 회분을 포함하는 회분들로서 첨가되고; 여기서 물의 초기 회분은 a) 및 d)의 성분들과 조합되어 제1 혼합물을 형성하고; 그리고 상기 비결정질 실리카는 a), d) 및 b)의 초기 회분을 포함하는 혼합물에 첨가되어 제2 혼합물을 형성하고; 그리고 여기서 상기 테일워터는 1) 제1 혼합물에 첨가되거나 또는 2) 제2 혼합물에 첨가되거나; 또는 3) 비결정질 실리카와 함께 제1 혼합물에 공동-첨가되고, 상기 비결정질 실리카 및 테일워터는, 선택적으로, 첨가되고 선택적으로 상호조합되고; 그리고 1) 제1 혼합물은 테일워터의 첨가 이전의 시간 t11 동안, 테일워터의 첨가 이후에 그러나 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t12 동안, 그리고 비결정질 실리카의 첨가 이후의 시간 t13 동안 진탕되거나; 또는 2) 제2 혼합물은 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t21 동안, 비결정질 실리카의 첨가 이후 그러나 테일워터의 첨가 이전의 시간 t22 동안, 그리고 테일워터의 첨가 이후의 시간 t23 동안 진탕되거나; 또는 3) 제2 혼합물은 비결정질 실리카 및 테일워터의 공동-첨가 이전의 시간 t31 동안 진탕되고, 그리고 콘크리트 혼합물은 이후 시간 t32 동안 진탕되는 단계; 또는 C) 상기 양의 물이 a) 및 d)의 성분들에 첨가되어 혼합물을 형성하는 단계로서, 그리고 상기 혼합물이 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 ta 동안 진탕되고, 그리고 콘크리트 혼합물은 이후 시간 tb 동안 진탕되는 단계; D) B) 또는 C)의 콘크리트 혼합물을 주입하여 콘크리트 설비를 형성하는 단계를 포함하는 콘크리트 설비의 제조 방법이 제공될 수 있다.

수분 불투과성, 압축 강도 및 내마모성과 같은 콘크리트 특성을 개선할 수 있는 조성물이 제공될 수 있다.

우선권 주장

본 출원은 2018년 3월 9일에 출원된 가특허출원 제62/761,064호, 2018년 3월 22일에 출원된 가특허출원 제62/761,393호, 및 2018년 9월 1일에 출원된 가특허출원 제62/765,597호에 대한 우선권을 주장한다.

본 발명의 간단한 설명

놀랍게도, 주입된 콘크리트 설비에서의 나노실리카(즉, 시멘트(즉, 물, 골재, 모래 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)의 100 lb 당 약 0.1 내지 약 4 온스의 비결정질 실리카의 범위로의 중량비로 콘크리트 내에 존재하는 양으로, 약 55 nm 미만, 일부 구현예에서, 약 7.8 nm 미만, 또는 다른 구현예에서, 약 5 내지 약 55 nm, 또는 약 5 내지 약 7.9 nm의 평균 입도를 갖는 입자를 갖고; 약 300 내지 약 900 m²/g, 또는 다른 구현예에서, 약 450 내지 약 900 m²/g의 범위의 표면적을 갖는 비결정질 실리카)의 사용은 이러한 비결정질 실리카의 부재 하에 수화된 콘크리트보다 양생 과정에서 물 손실의 상당하게 낮은 속도를 야기할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명의 방법의 새롭게-주입된, 부분적으로-양생된 콘크리트의 표면은 다른 방법에 의해 제조된 콘크리트의 것보다 장기간 동안 용이하게 작업할 수 있게 유지되고, 일반적으로 증발을 가속화하는 환경 조건에 대해 덜 민감성이다. 블리드워터, 컬링(curling), 균열 및 수축은 일반적으로 크게 감소된다. 얻은 양생된 콘크리트의 압축 강도는 일반적으로 상당하게 증가된다. 놀랍게도, 본 발명의 이점을 실현하는 데 중요한 것은 건조 성분이 완전하게 습윤되도록 물과 다른 건조 성분이 혼합된 이후에 콘크리트 혼합물에 실리카를 주입하는 것이다. 습윤 이전과 같은 초기 단계에서의 실리카의 주입은, 일반적으로 블리드워터, 균열 및 수축의 상당한 감소를 유발하지 않으며, 비-실리카 대조군보다 이러한 면에서 사실상 더 좋지 않을 수 있다. 심지어 비-실라카 대조군과 관련하여 압축 강도에서의 개선이 존재하는 경우에서도 상기의 것이 적용된다.

구조적 목적을 위한 산업에서 일반적으로 사용되는 것보다 매우 적은 시멘트에 대한 비율: 시멘트 혼합물의 백중량("cwt")당 단이 약 0.1 내지 약 4 온스로 사용되는 소입도, 고표면적 비결정질 실리카를 포함하는 콘크리트가 개시되어 있다. 추가의 양태에서, 개선된 콘크리트는 실리카의 공정-특이적 첨가에 의해 제조된다. 이러한 개선된 콘크리트는 압축 강도를 상당하게 손상시키지 않고 시멘트 제조사에 의해 권장되는 표준량의 물, 또는 심지어 권장되는 양보다 과량의 물을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 결과는 진실로 놀라운 것이다. 이러한 물 양의 사용에도 불구하고, 약간이거나 없는 블리드워터가 양생 과정에서 관찰된다. 모세관 및 공극의 형성은 최소화되거나 또는 심지어 본질적으로 완전하게 억제되며, 더 많은 물은 양생 과정에서 콘크리트 내에서 보유되고, 이는 더 많은 물이 장기간에 걸쳐 양생에 참여되게 하며, 초기(3일) 및 특히 후기(28일) 둘 모두에서의 압축 강도는 크게 개선된다.

상대적으로 많은 양의 물에 대한 그것의 허용가능성에도 불구하고, 저-실리카 콘크리트는 다른 개선된 특성들 중에서도 개선된 압축 강도 및 내마모성을 갖는다. 압축 강도의 개선은 이용되는 적은 양의 실리카를 고려할 때 놀라운 것이며, 한편 공지된 방법은 일부 경우에서 상당하게 더 적은 이득을 얻기 위해 더 많은 양을 사용한다. 또한, 콘크리트 내마모성의 더 큰 개선은 일반적으로, 심지어 보통 사용되는 양보다 더 많이, 예를 들어, 실리카 흄과 같은 실리카를 사용하여 관찰되지 않았다(id, pg. 159). 본원에 기재된 저-실리카 콘크리트는 시험 ASTM C944에 의해 측정된 내마모성의 상당한 개선을 부여한다. (22 pd를 비용하는 버전인 상기 표준과 관련하여, 본원에서의 표준에 대한 모든 참조에 98 kg 하중을 사용하였음을 주지한다). 표준 콘크리트(즉, 하기 교시된 고-표면적 비결정질 실리카를 포함하지 않음)는 약 2.5 내지 약 4.0 그램의 범위의 손실값을 가질 수 있다. 본원에 교시된 저-실리카 콘크리트는 1.1 그램 이하의 손실 정도로 낮은 ASTM C944 값을 가질 수 있다.

보다 더 놀랍게도, 시멘트 혼합물을 형성하기 위해 성분들을 혼합하기 위한 공정의 특정 단계는 새롭게 주입된, 부분적으로-양생된 콘크리트 표면의 증가된 물 보유력, 압축 강도 및 작업가능성의 실현을 위해 중요하다. 본질적으로 모든 비결정질 실리카는 예를 들어 혼합 단계에서 (즉, 실제 주입 이전에) 사용되는 레디-믹스(Ready-mix)와 같은 혼합 기계 내에서 일부 또는 본질적으로 모든 물 및 건조 성분(예를 들어, 시멘트 혼합물, 골재, 모래)의 조합 이후에 첨가된다. "본질적으로 모든 물"은 예를 들어 콘크리트 혼합물에 첨가되는 물보다 일반적으로 훨씬 적은 비결정질 실리카의 콜로이드 현탁액을 생성하는 데 수반되는 물과 같은 비결정질 실리카 배합물의 일부인 물이 "본질적으로 모든"의 의미 내에 포함되지 않음을 의미한다. 최종 혼합 및 주입 이전의 물의 최종 회분(즉, "테일워터(tailwater)") 이후에 (또는 일부 구현예에서 이와 같이) 소입도 실라카를 첨가하는 것이 특히 편리하다. 2회분으로의 물 첨가의 중단은 레디-믹스를 사용하여 특히 편리하며, 이에서 제2 회분은 드럼의 입구 근처로부터 그 공간 아래에 있는 잔류된 건조 성분들을 세정하기 위해 사용될 수 있다.

소입자 실리카는 테일워터 첨가 이후에 보다 효과적이며 이는 예상외의 것이다. 본 기술분야에서의 일반적 생각은 콘크리트에의 실리카의 첨가는 지금까지 일반적으로 이것이 물의 첨가 이전에 시멘트 재료의 혼합물에 첨가되는 경우에도 일반적으로 효과적인 것으로 고려되고 있다는 것이다. 그러나, 혼합 및 주입 장비 예컨대 레디-믹스가 사용되는 건축 슬래브, 푸우팅(footing) 및 다른 대규모 콘크리트 주입부의 건설을 위해 요구되는 규모에 대해, 본원에 기재된 소량의 소입도 실리카의 첨가는 이것이 물 이전에, 또는 시멘트 재료를 습윤시키기 위해 사용되는 물의 회분과 함께 첨가되는 경우보다, 본원에 나타난 바와 같이, 습윤된, 본원에 개시된 바와 같이 임의로 장기간 동안 혼합된 콘크리트에 대해 상기 양의 물이 첨가된 경우에, 또는, 바람직한 구현예에서, 제2 회분의 물("테일워터")과 같이 또는 그 이후에 훨씬 더 효과적인 것으로 입증되었음을 밝혀내었다.

비결정질 실리카는 예컨대, 예를 들어 레디-믹스 또는 다른 믹서를 사용하여, 물, 시멘트 혼합물 및 고형물(골재 및 모래)을 혼합한 이후에 첨가된다. 모세관 및 저장소의 형성은 감소되거나 근절될 수 있다. 본 발명의 이점은 심지어 콘크리트 혼합물이 그것의 혼합물을 완전하게 수화시키기 위해 콘크리트에 의해 요구되는 것보다 과량으로 상당한 양의 물을 함유할 때 일반적으로 얻어질 수 있다(시멘트 혼합물은 일반적으로 제조사 사양에 따라 완전하게 수화될 수 있는 콘크리트를 얻기 위해 권장되는 양의 물을 갖는다). 완전 수화를 위해 요구되는 또는 시멘트 혼합물 제조사에 의해 권장되는 양과 동일하게, 또는 심지어 과량으로 물을 갖는 콘크리트가 바람직하다.

더 큰 크기의 실리카가 콘크리트의 압축 강도를 개선하는 것으로 보여지는 한편, 실리카는 요수량(water requirement)을 갖고, 크기가 감소되고, 표면적이 증가함에 따라, 콘크리트에 의해 요구되는 물의 양을 증가하는 것으로 잘 알려져 있다. 따라서, 본 기술분야의 인식은 1) 실리카 입도를 감소시키는 것과 2) 모세관 및 공극의 형성이 최소화되도록 충분하게 물 함량을 낮게 유지하는 것 사이의 긴장 관계가 존재한다는 것이다. 따라서, 소입도에서, 요수량이 실리카에 의해 제공되는 구조적 이점보다 우선되는 것으로 여겨진다. 이 사실을 설명하며, 본 출원인은 규정된 비결정질 실리카가 예를 들어, 물 및 시멘트 혼합물의 상대적으로 완전한 혼합 이전의 임의의 시점과 같은 주입가능한 콘크리트 혼합물의 제조시의 다른 시점에 (시멘트 혼합물을 습윤시키는 물 이전 또는 그와 함께 시멘트 또는 콘크리트 혼합물에 첨가되는 경우, 생성된 주입된 콘크리트는 비결정질 실리카가 물 및 시멘트 혼합물의 완전한 혼합 이후에 첨가되는 경우보다 상당하게 더 많은 모세관, 공극 및/또는 생성된 표면 블리드 워터를 나타낼 수 있음을 밝혀내었다. 따라서, 시멘트 및 물이 완전하게 혼합된 이후의 시점에 (바람직하게는 비결정질 콜로이드 실리카 또는 침강성 실리카로서) 실리카가 첨가되는 경우, 모세관 및 공극의 형성은 감소되거나 근절되고, 수분 증발이 느려지며, 새롭게-주입된, 부분적으로 양생된 표면은 종종 처리수의 첨가 없이도 일반적으로 용이하게 작업될 수 있다는 것은 진실로 놀라운 것이다. 일반적으로, 물 및 시멘트 혼합물의 완전한 혼합이 일어나지 않은 경우에도 실리카를 물 이후에 첨가하는 경우에 어느 정도의 이점이 관찰될 수 있는 것으로 예측된다.

나노실리카의 지연된 첨가의 성공은, 콘크리트-형성 혼합물에 콜로이드 실리카로서 주입되는 경우에 나노실리카 입도 및 표면적과 같은 인자가 콘트리트 특성, 특히 압축 강도에 영향을 미치는 방식에 대해 발견한 것과 관련하여 특히 놀라운 것이다. 본 기술분야에서의 일부 발견, 본 발명자가 유일하게 그것의 자체의 실험 이후에 인식하게 되는 가장 최근의 발견의 요약은 하기와 같다. 콘크리트-형성 혼합물에서의 콜로이드 나노실리카(약 100 nm 미만의 평균 입도를 갖는 실리카, 특히 약 10-15 nm 미만의 평균 입도를 갖는 실리카)의 사용은 다른 특성 중에서도 생성된 콘크리트의 압축 강도와 관련된 문제가 많이 일어난다. 예를 들어, 과거 연구는 예를 들어, 실리카 흄(약 145 nm)과 같은 대입도 실리카가 일반적으로 넓은 범위의 입도 및 하중에서 압축 강도에 대해 긍정적인 효과를 가지는 것을 나타내었다. 그러나, 더 작은 실리카 입자는 압축 강도와 훨씬 더 복잡한 상관관계를 갖는다. 최근 연구는 나노실리카 입자가 콜로이드 용액 중에서 응집하는 경향이 있음을 나타내었다. (예를 들어, 실리카 흄과 같은 비-나노-크기의 실리카 입자는 더 큰 표면 전위(surface potential)를 갖고, 응집되는 경향이 훨씬 적다). 상기 연구는 추가로 콘크리트-형성 혼합물에 주입되고 이후 예컨대, 예를 들어 진탕에 의해서 충분하게 분산되지 않은 경우에 이러한 응집체가 콘크리트 매트릭스 구조가 없는 최종 콘크리트 제품에 공간이 되게 될 수 있음을 나타내며, 이는 압축 강도 및 다른 특성에 부정적인 영향을 주는 것을 보여준다. 그러나, 상기 연구는 또한 비-나노 크기의 실리카의 것보다 (10배 초과, 종종 수십배까지) 훨씬 더 큰 포졸란 반응을 위해 나노실리카에 의해 제공된 연장된 표면적은 C-S-H 매트릭스-형성 반응이 실리카 표면에서의 반응과 경쟁이 일어나게 하는 것을 나타낸다. 결과적으로, 대량의 표면적의 이용가능성은 더 약한 C-S-H 매트릭스을 초래할 수 있고, 이는 더 낮은 압축 강도를 초래한다. 따라서, 압축 강도를 증가시키는 나노실리카 장입량 파라미터에 대한 연구에서, 골재가 감소하거나 근절되지만, 노출된 실리카 표면적의 양이 급증되도록, 1) 콘크리트-형성 혼합물에서의 골재의 잔존과 2) 콘크리트-형성 혼합물의 진탕 또는 다른 방식의 분산의 적용 사이에 긴장 관계가 존재할 수 있다.

본 기술분야에 나노실리카를 사용하는 본 발명자의 시도에 차질을 겪었다. ASTM 305-06와 같은 표준 절차에 의해 제조되는 경우에 슬래브에서 분명하게 압축 강도 장점을 일으키는 실리카 장입량은 종종 산업적 주입의 제조 구속조건, 예를 들어 레디믹스 공정에 가해지는 대량 공정에서 표준 방식으로 사용되는 경우에 압축 강도를 제공하지 못하는 것이 밝혀졌다. 또한, 콘크리트는 종종 유변학적으로 손상되었고, 이는 좋지 않은 주입가능성을 가질 뿐만 아니라 종종 실리카 무함유 대조군보다 더 큰 많은 블리드워터, 균열, 양생 및 수축을 나타낸다.

나노실리카의 동일한 장입량 수준에 대한 이러한 절차 의존성은 예상외의 것으로 고려될 수 있고, 이는 레디믹스와 연관된 성분 혼합을 완료하기 위해 규모뿐만 아니라 증가된 시간에 있어서 분명한 차이가 있기 때문이다. 본 기술분야의 당업자는 혼합 시간의 차이가 압축 강도에 영향을 주도록 콘크리트 성분의 초기 혼합과 관련되는 비교적 짧은 기간에 일어나는 압축 강도에 영향을 주는 공정들을 예상할 수 없었다. 특히 주입 시간 시점에 시험 실린더를 사용하는 점을 고려할 때 특히 상기의 것이 적용되며; 즉, 측정된 압축 강도의 차이는 슬래브의 더 큰 벌크 크기 대 샘플의 크기에 부분적으로도 기인하지 않는 것으로 주장될 수 있다.

또한, 연장된 실험 시점에, 하기 기재된 바와 같은 혼합 공정 후기에서의 실리카의 첨가는 나노실리카의 압축 강도-증강 효과를 복원하는 것으로 밝혀졌다. 나노실리카가 최종적으로 첨가되는 시점까지 대부분, 그렇지 않으면 거의 전부의 혼합 진탕이 일어나기 때문에 이는 예상하지 못한 결과이었다. 따라서, 임의의 골재가 콘크리트 혼합물에서 완전하게 없어질 가능성이 낮고, 이론적으로 상기 기재된 바와 같이 콘크리트를 약하게 만든다. 일반적으로, 건축 규모로, 물의 첨가 이후에 콜로이드 나노실리카를 첨가하는 것은 표준 추가 샘플 및 실리카 무함유 대조군 샘플과 관련하여, 더 주입가능한 콘크리트 혼합물 및 압축 강도, 주입가능성, 및 내마모성을 증가시킬 뿐만 아니라 균열, 컬링 및 수축을 감소시키는 콘크리트 제품을 제공하는 것을 밝혀졌다.

상세한 설명

콘크리트 혼합물은 일정 양의 a) 건조 시멘트 혼합물; b) 물; c) 비결정질 실리카; 및 d) 골재 및 또는 모래를 포함하는 성분들로부터 생성된다.

건조 시멘트 혼합물은 일반적으로 바람직한 주입 및 양생 특성의 조합을 갖는 콘크리트 혼합물을 제공하는 물/시멘트 비율을 제공하는 권장된 물 함량을 갖는다. 일부 경우에서, 권장된 물 함량은 일정 범위의 물 함량을 포괄한다. 이하 나타낸 바와 같이, 주입 이전의 콘크리트 혼합물의 초기 물 함량은 생성된 콘크리트 설비(슬래브, 푸우팅 등)의 품질을 감소시키는 양생 및 처리 과정에서 문제점을 일으킬 수 있다. 이는 양생된 콘크리트에서의 물-매개된 구조 결함을 감소시키 데 관심이 모여진 이용되는 "물-감소제" 및 초가소제의 사용과 같은 물-감소 수단에 대해 일반적이다. 본 발명의 이점이 물 함량이 제조사에 의해 권장되는 것보다 낮게 감소되는 환경에서 자명할 것인 한편, 본 발명은 콘크리트 혼합물에 포함된 물이 건조 시멘트 혼합물의 제조사에 의해 특정된 양과 동일하거나 더 큰 상황에 본 발명의 콘크리트를 제공하기 위해 사용될 수 있음을 주지하여야 한다. 콘크리트 혼합물에서의 물-감소제는 일반적으로 불필요하다.

따라서, 광범위한 양태에서, 시멘트 혼합물 및 물은 하기 비율로 콘크리트 혼합물에 존재하고 상기 혼합물에 존재한다:

일정 양의 물; 및 일정 양의 건조 시멘트 혼합물, 상기 시멘트 혼합물는 하기를 특징으로 한다:

i) 제조사 제시한 물/시멘트 비율 값; 여기서 상기 제시한 비율은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위 내에 있고; 상기 양의 물과의 조합시, 물/시멘트 비율은 제시한 값보다 약 10% 미만에 해당하는 값보다 크고, 그러나 제시한 값보다 약 30% 초과에 해당하는 값보다 낮고;

또는

ii) 상한값 및 하한값을 갖는 제조사 제시한 물/시멘트 비율 범위, 상기 양의 물과의 조합시, 물/시멘트 비율은 하한값보다 약 10% 미만에 해당하는 값보다 크고, 그러나 상한값보다 약 30% 초과에 해당하는 값 이하이고;

또는

iii) 상기 양의 물과의 조합시, 물/시멘트 비율이 약 0.35 내지 0.65의 범위 내에 있게 되는 양;

본 발명의 장점은 일반적으로 상업적으로 유용한 유형의 포틀랜드 시멘트를 사용하여 나타날 것으로 예상된다. 시멘트 혼합물은 예를 들어, 유형 I, II, III, IV 및 V의 포틀랜드 시멘트와 같이 건축에 일반적으로 사용되는 유형 중 하나 이상이다.

상기 양의 물이 시멘트 혼합물에 첨가된다. 이 양에는 콜로이드, 분산액, 에멀젼 등과 같은 물-함유 배합물의 경우에 실리카와 함께 주입된 물을 제외하고 적어도 시멘트 혼합물을 포함하는 콘크리트 혼합물과 조합되는 모든 물이 포함된다. 하기에 추가로 설명된 바와 같이, 물은 예를 들어, 제1 회분의 물이 콘크리트 혼합물과 조합되고 일정 시점에 진탕된 이후에 제2 회분의 물(예를 들어, "테일워터")의 첨가와 같은 복수회로 적어도 시멘트 혼합물을 포함하는 콘크리트 혼합물과 조합될 수 있다. 물은 때때로 이것이 부분적으로 양생된 이후에 콘크리트의 표면에 적용되어 표면의 조기 건조를 방지하고, 이는 수축뿐만 아니라 작업 및 처리에 있어서의 이후의 곤란성을 야기할 수 있음을 주지한다. 이 "처리"수는 상기 양의 물에 포함되지 않는다. 다른 구현예에서, 물/시멘트 비율은 약 0.38 내지 0.55의 범위, 또는 보다 특정한 구현예에서, 약 0.48 내지 약 0.52의 범위, 또는 약 0.38 내지 약 0.42의 범위 내에 있다.

보다 바람직한 구현예에서, 상기 i), ii), 및 iii)를 참조하면, 물 및 시멘트 혼합물은 하기 비율로 콘크리트 혼합물에 존재하고, 여기서 일정 양의 물과 함께 일정 양의 건조 시멘트 혼합물을 조합시, 물/시멘트 비율은 하기와 같다:

제시한 값 이상, 그러나 제시한 값보다 30% 초과에 해당하는 값 이하; 또는

제시한 범위의 상한값 이상, 그러나, 상한값보다 약 30% 초과에 해당하는 값 이하;

또는

적어도 0.35, 그러나 0.65 이하.

비결정질 실리카의 입도가 특히 중요하다. 예컨대 미세화된 실리카에서 발견될 것인 더 큰 입도는 일반적으로 본원에 기재된 바와 같은 크기의 비결정질 실리카가 기재된 양으로 사용되는 경우에 보여진 정도로 모세관 및 공극의 형성을 감소시키지 않는다. 본 발명의 콘크리트 혼합물은 평균 실리카 입도가 약 1 내지 약 55 나노미터의 범위 내에 있고, 및/또는 실리카 입자의 표면적이 약 300 내지 약 900 m²/g, 또는 다른 구현예에서, 약 450 내지 약 900 m²/g의 범위 내에 있게 하는 입도를 갖는 a)에서의 시멘트의 백중량(cwt) 당 약 0.1 내지 약 7.0 온스의 범위의 양으로 바람직하게 존재하는 일정 양의 비결정질 나노실라카를 포함한다.

다양한 공급원으로부터의 비결정질 실리카는 그것이 상기 입도 및 표면적 파라미터를 특징으로 할 수 있는 한, 일반적으로 적합하다. 적합한 비결정질 실리카의 비제한적인 예는 콜로이드 실리카, 침강성 실리카, 실리카겔 및 흄드 실리카를 포함한다. 그러나, 콜로이드 비결정질 실리카 및 실리카 겔이 바람직하고, 콜로이드 비결정질 실리카가 가장 바람직하다.

추가의 구현예에서, 실리카 입도는 약 5 내지 약 55 nm의 범위 내에 있다. 약 25 nm 미만의 평균 입도를 갖는 입자가 바람직하고, 약 10 nm 미만의 평균 입도가 보다 바람직하고, 심지어 약 7.9 nm 미만의 평균 입도가 보다 바람직하다. 콘크리트에서의 바람직한 중량 비율은 시멘트(물, 골재, 모래 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)의 100 lb당 약 0.1 내지 약 3 온스의 비결정질 실리카이다. 콘크리트에서의 보다 바람직한 중량 비율은 시멘트(마찬가지로, 물, 골재, 모래 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)의 100 lb당 약 0.1 내지 약 1 온스의 비결정질 실리카이다. 시멘트(마찬가지로 물, 골재, 모래 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)의 100 lb당 약 0.45 내지 약 0.75 온스의 비결정질 실리카가 보다 더 바람직하다. 놀랍게도, 100 lb 시멘트 혼합물당 약 3 내지 약 4 온스의 비결정질 나노실리카를 초과하면, 콘크리트 혼합물은 주입하거나 작업하기 어렵게 될 수 있고, 압축 강도는 심지어 비-실리카 대조군과 관련하여 더 크게 저해될 수 있다. 그렇지 않으면, 100 lb 시멘트당 약 1 온스를 초과하는 양은 일반적으로 100 lb 시멘트당 약 0.45 내지 약 0.75 온스의 비결정질 실리카의 바람직한 범위와 관련하여 압축 강도 이익을 감소시킨다. 주어진 바람직한 범위는 가장 경제적으로 실현가능한 범위이며, 즉, 이 초과에서, 압축 강도 이익은 실리카의 추가적인 단위보다 더 낮고, 압축 강도의 단위 증가당 실리카의 비용은 콘크리트의 비용을 고가로 만들 수 있다.

약 50 내지 약 900 m²/그램의 범위의 표면적을 갖는 비결정질 실리카가 바람직하고, 약 150 내지 약 900 m²/그램이 보다 바람직하고, 약 400 내지 약 900 m²/그램이 보다 더 바람직하고, 450 - 700 m²/그램 또는 500 - 600 m²/그램이 보다 더 바람직하다. 알칼리 pH(약 pH 7 이상)를 갖는 비결정질 실리카가 바람직하고, 8 내지 11의 범위의 pH가 보다 바람직하다.

또 다른 구현예에서, 비결정질 실리카는 약 85 중량% 물 중에 약 15 중량%의 비결정질 실리카를 함유하는, 스피서피케이션 프로덕츠 LLC로부터 상업적으로 이용가능한 첨가재인 E5 INTERNAL CURE의 사용에 의해 제공된다. 실리카 입자 특성은 (BET 방법에 의해 측정된) 약 10 nm 미만의 평균 입도, 및 약 550 m2/g의 표면적이다. 일 구현예에서, 시멘트에 대한 E5 INTERNAL CURE의 중량 비율은 100 lb 시멘트(물, 모래, 골재 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)에 대해 약 1 내지 약 20 온스의 E5 INTERNAL CURE의 범위 내에 있다. 보다 바람직하게는 시멘트에 대한 E5 INTERNAL CURE의 중량 비율은 약 100 lb 시멘트(물, 모래, 골재 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)에 대해 약 1 내지 약 10 온스의 E5 INTERNAL CURE의 범위 내에 있다. 시멘트에 대한 E5 INTERNAL CURE의 보다 바람직한 중량 비율은 약 100 lb 시멘트에 대해 약 1 내지 약 5 온스의 E5 INTERNAL CURE의 범위 내에 있고, 약 100 lb 시멘트(물, 모래, 골재 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)에 대해 약 3 내지 약 5 온스의 E5 INTERNAL CURE가 보다 더 바람직하다. 놀랍게도, 약 100 lb 시멘트(마찬가지로, 물 모래, 골재 또는 다른 첨가재를 포함하지 않음)에 대한 약 20 온스 초과의 E5의 사용은 장점이 중단되게 할 수 있으며, 이에서 추가적으로 유리한 물 또는 압축 강도 장점이 관측되지 않을 수 있거나 또는 최소로 관측될 수 있다. 생성된 콘크리트 혼합물은 주입하기 어려울 수 있고, 임의의 생성된 콘크리트는 좋지 않은 품질의 것일 수 있다. 콘크리트의 품질은 100 lb 시멘트당 약 3 내지 약 5 온스의 바람직한 범위로부터 일정 거리로 감소되지만, 압축 강도는 E5 INTERNAL CURE 콜로이드 비결정질 실리카의 부재 시의 것보다 여전히 개선될 수 있음을 주지한다. 바람직한 구현예에서, 콘크리트 혼합물에 첨가되는 콜로이드 실리카는 약 40 내지 약 98 중량%의 실리카의 범위 내에 있고, 60 내지 95 중량%가 바람직하고, 70 내지 92 중량% 가 보다 바람직하고, 75 내지 90 중량%가 보다 더 바람직하다.

골재 및 모래는 일반적으로 건축 목적을 위한 기술분야에서 알려진 양으로 본 발명의 콘크리트에 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 일정 양의 골재 및/또는 일정 양의 모래는 이들의 양의 합계가 약 400 내지 약 700 중량% bwoc의 범위가 되도록 사용된다. 일반적으로 콘크리트 혼합물은 시멘트 혼합물, 물, 및 바람직하게는 일정 양의 골재 및 모래(때때로 본 기술분야에서 각각 "대골재" 및 "소골재"로서 지칭됨)를 포함하는 성분들을 사용하여 제조된다. 콘크리트 혼합물이 유일한 모래 또는 유일한 골재와 같이 2개 중 단지 하나만을 포함하는 것이 허용되지만, 혼합물이 적어도 각각을 일정 양으로 포함하는 것이 바람직하다. 모래 및 골재는 시멘트 혼합물의 실리카 함량에 기여할 수 있고, 이에 따라 이들은 콘크리트 혼합물의 요수량에 영향을 줄 수 있다(즉, 어느 정도 증가시킬 수 있다). 일반적으로, 콘크리트에 포함되는, 사용하기에 적합한 대부분의 유형의 골재가 사용될 수 있다. 조립질의 분쇄된 석회석 자갈, 더 큰 등급의 분쇄된 클린 스톤(clean stone) 등과 같은 더 큰 골재뿐만 아니라 더 낮은 등급의 분쇄된 클린 스톤, 미세한 석회적 자갈 등과 같은 더 작은 골재가 포함된다. 마찬가지로, 산 (조립질) 모래, 강 모래 등과 같은 수많은 유형의 모래가 사용될 수 있다. 일반적으로, 콘크리트 응용분야에서, "조립질 모래"는 모르타르에 사용하기에 보다 적절한 것으로 알려진 "연질 모래(soft sand)"보다 바람직하다. 그러나, 연질 모래는 일반적으로 콘크리트 제조에 사용되는 경우에 조립질 모래과 상이한 요수량을 갖는 것으로 예측될 수 있다. 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 무게-받침 응용분야(weight-bearing application)는 조립질, 분쇄된 석회석과 같은 더 큰 골재가 필요할 수 있다. 이러한 더 큰 골재는 주입된 콘크리트 적용을 위해 바람직하고, 특히, 주입된 빌딩 슬래브에서 사용하기 위해 예를 들어 조립질 분쇄된 석회석 자갈 및 더 큰 등급의 분쇄된 클린 스톤, 및 산 모래와 같은 더 큰 골재가 바람직하다.

시멘트의 중량(bwoc) 기준으로 함께 취해지는 골재 및 모래의 비율은 바람직하게는 건조 시멘트 혼합물의 야드당 약 2000 내지 약 4000 lb의 범위(야드당 약 520 내지 약 610 lb의 범위, 또는 보다 바람직하게는 야드당 약 560 내지 약 570 lb의 범위, 보다 더 바람직하게는 야드당 약 564 lb) 내에 있다. 골재 및 모래의 조합된 비율은 건조 시멘트 혼합물의 야드당 약 2700 내지 약 3300 lb의 범위가 보다 바람직하다. 건조 시멘트 혼합물의 야드당 약 2900 내지 약 3100 lb의 범위가 보다 바람직하다. 다른 구현예에서, 골재 및 모래의 중량은 콘크리트의 중량 기준으로 50 내지 90 중량%이며, 약 70 내지 약 85 중량%의 범위가 바람직하다. 골재 및 모래의 상대적인 양은 중요하지 않으며, 그러나 모래 및 골재의 조합된 중량 기준으로 20 중량% 내지 70 중량%의 모래의 범위가 바람직하고, 약 40 중량% 내지 약 50 중량%의 모래가 바람직하다.

특히 상업적 규모의 주입시, 심지어 물에 앞서 시멘트 혼합물에 첨가되는 경우에 개시된 장점에 영향을 주는 데 요구되는 소량의 비결정질 나노실리카는 콘크리트 혼합물의 주입가능성뿐만 아니라 생성된 콘크리트의 품질에 유해할 수 있고, 심지어 콘크리트를 부적합하게 만든는 것이 발견되었다. 본 발명의 공정은 일반적으로 비결정질 실리카의 첨가 이전에 물을 분산시키기 위한 첨가들 사이의 적어도 일정 기간의 진탕과 함께 일정 양의 물의 적어도 일부가 상기 양의 비결정질 나노실리카의 첨가 이전에 첨가되는 상황을 포함한다. 실제로, 일부 물은, 바람직한 경우에, 제조 공정 후반에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 제1 회분의 첨가 및 진탕 이후의 "테일워터"로서의 일회분을 첨가하는 실시와 같은 2회분 (이상)으로 물을 첨가하는 것이 알려져 있다. 일 구현예에서, 비결정질 실리카는 제2 회분의 물과 함께 콜로이드 실리카로서 첨가된다. 바람직한 구현예에서, 콜로이드 실리카는 각 회분의 첨가 이후의 진탕과 함께 2회분으로 첨가된 물의 첨가 이후에 첨가된다.

따라서, 보다 일반적으로, 상기 양의 물은 그것의 전체로서 첨가될 수 있거나 또는 상기 양의 물의 약 20 중량% 내지 약 95 중량%의 범위, 및 나머지를 포함하는 테일워터 회분을 포함하여 초기 회분을 포함하는 회분들로 첨가될 수 있고; 여기서 초기 회분의 물은 상기 양의 시멘트 혼합물 및 골재/모래 성분과 조합되어 제1 혼합물을 형성하고; 비결정질 실리카는 상기 양의 시멘트 혼합물, 골재/모래 성분 및 초기 회분의 물을 포함하는 혼합물에 첨가되어 제2 혼합물을 형성한다. 상기 양의 물의 35 내지 약 60 중량%의 범위를 포함하는 초기 회분이 보다 더 바람직하다.

(하기의 3개의 상황(즉, "상황 1", "상황 2" 및 "상황 3")은 각각 i) 테일워터의 첨가 이후의 실리카의 첨가; ii) 테일워터의 첨가 이전의 실리카의 첨가; 및 iii) 테일워터와 함께의 실리카의 공동-첨가에 해당한다).

분할 물 첨가를 사용한 구현예에서, 여기서 테일워터가 1) 제1 혼합물에 첨가되거나; 또는 2) 제2 혼합물에 첨가되거나; 또는 3) 비결정질 실리카와 함께 제1 혼합물에 공동-첨가되며, 여기서 비결정질 실리카 및 테일워터가 선택적으로 상호조합되고; 그리고 1) 테일워터의 첨가 이전의 시간 t₁₁ 동안, 테일워터의 첨가 이후에 그러나 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t₁₂ 동안, 그리고 비결정질 실리카의 첨가 이후의 시간 t₁₃ 동안 제1 혼합물이 진탕되거나; 또는 2) 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t₂₁ 동안, 비결정질 실리카의 첨가 이후에 그러나 테일워터의 첨가 이전의 시간 t₂₂ 동안 제2 혼합물이 진탕되거나; 또는 3) 비결정질 실리카 및 테일워터의 공동-첨가 이전의 시간 t₃₁ 동안 제2 혼합물이 진탕되고, 그리고 콘크리트 혼합물은 이후 시간 t₃₂ 동안 진탕된다.

제2 회분의 물(테일워터)이 제1 회분의 물, 상기 양의 시멘트 혼합물 및 모래/골재 성분을 포함하는 콘크리트 혼합물에 첨가되는 상황 1)에서, t₁₁은 바람직하게는 약 2 내지 약 8분의 범위이고, 약 3 내지 약 6분이 보다 바람직하고, (예컨대, 예를 들어 레디-믹스 중에서) 혼합 속도는 바람직하게는 약 2 내지 약 5 rpm의 범위이다. 시간 t₁₂은 바람직하게는 약 0.5 내지 약 4분의 범위이고, 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 혼합 속도에서 약 1 내지 2분의 범위가 보다 바람직하다. 시간 t₁₃은 바람직하게는 약 2 내지 약 10분의 범위이고, 약 12 내지 약 15 rpm의 범위의 속도의 상대적으로 높은 혼합 속도를 사용하는 약 5 내지 약 10분의 범위가 보다 바람직하다. 고속 혼합 이후, 상기 속도는 예를 들어 주입 부위까지의 이동 시간과 같은 시간 동안 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 속도까지 저하될 수 있다. 이동 시간 표준은 아메리칸 콘크리트 인스티튜트(American Concrete lnstitute)에 의해 설정된다. 예를 들어, 콘크리트는 온도가 90℉ 이상이고, 그리고 90분 이내에 온도가 90℉ 미만인 경우에 고속 혼합의 종료의 60분 내에 주입되어야 한다.

제2 회분의 물(테일워터)이 제1 회분의 물, 상기 양의 시멘트 혼합물 및 모래/골재 성분, 및 비결정질 실리카를 포함하는 콘크리트 혼합물에 첨가되는 상황 2)에서, t₂₁은 바람직하게는 약 2 내지 약 8분의 범위이고, 바람직하게는 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 혼합 속도(예컨대, 예를 들어 레디-믹스 중에서)로의 약 3 내지 약 6분이 보다 바람직하다. 시간 t₂₂는 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2분의 범위이고, 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 혼합 속도에서 약 0.5 내지 1분의 범위가 보다 바람직하다. 시간 t₂₃은 바람직하게는 약 2 내지 약 10분의 범위이고, 약 12 내지 약 15 rpm의 범위의 속도의 상대적으로 높은 혼합 속도를 사용하는 약 5 내지 약 10분의 범위가 보다 바람직하다. 고속 혼합 이후, 상기 속도는 예를 들어 주입 부위까지의 이동 시간과 같은 시간 동안 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 속도까지 저하될 수 있다. 상기 주지한 바와 같이, 이동 속도 표준은 아메리칸 콘크리트 인스티튜트에 의해 설정된다.

테일 워터가 비결정질 실리카와 함께 제1 혼합물에 공동-첨가되는 상황 3)에서, 비결정질 실리카 및 테일워터는 선택적으로 상호조합되고, t₃₁은 바람직하게는 약 2 내지 약 8분의 범위이고, 바람직하게는 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 혼합 속도(예컨대, 예를 들어 레디-믹스 중에서)로의 약 3 내지 약 6분이 보다 바람직하다. 시간 t₃₂는 바람직하게는 약 2 내지 약 10분의 범위이고, 약 12 내지 약 15 rpm의 범위의 속도의 상대적으로 높은 혼합 속도를 사용하는 약 5 내지 약 10분의 범위가 보다 바람직하다. 고속 혼합 이후, 상기 속도는 예를 들어 주입 부위까지의 이동 시간과 같은 시간 동안 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 속도까지 저하될 수 있다. 상기 주지한 바와 같이, 이동 속도 표준은 아메리칸 콘크리트 인스티튜트에 의해 설정된다.

다른 구현예에서, 전체 양의 물은 상기 양의 시멘트 혼합물 및 골재/모래 성분에 첨가되어 혼합물을 형성하고, 그리고 상기 혼합물은 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t_a 동안 진탕되고, 그리고 콘크리트 혼합물은 이후 주입 이전의 시간 t_b 동안 진탕된다. 1회로의 전체 양의 물의 첨가는 습식 회분식 공정의 경우에서 유용하다. 시간 t_a는 바람직하게는 약 2 내지 약 8분의 범위이고, 바람직하게는 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 혼합 속도(예컨대, 예를 들어 레디-믹스 중에서)로의 약 3 내지 약 6분이 보다 바람직하다. 시간 t_b는 바람직하게는 약 2 내지 약 10분의 범위이고, 약 12 내지 약 15 rpm의 범위의 속도의 상대적으로 높은 혼합 속도를 사용하는 약 5 내지 약 10분의 범위가 보다 바람직하다. 고속 혼합 이후, 상기 속도는 예를 들어 주입 부위까지의 이동 시간과 같은 시간 동안 약 2 내지 약 5 rpm의 범위의 속도까지 저하될 수 있다. 상기 주지한 바와 같이, 이동 속도 표준은 아메리칸 콘크리트 인스티튜트에 의해 설정된다. 본 발명의 장점이 일반적으로 물의 단일 첨가의 경우에서 관찰될 것이지만, 실제로, 물의 2회분 분할이 일반적으로 준수된다. 제1 회분을 포함하는 콘크리트 혼합물의 진탕 이후, 제2 회분의 사용은 배럴의 입구 근처로부터 불충분하게 혼합된 시멘트 혼합물의 레디-믹스 잔류물 아래까지 세척되는 장점을 갖는다.

콘크리트 혼합물은 습식 ("중심 혼합물") 또는 건식 ("이동 혼합물") 회분식 상황에서 제조될 수 있다. 습식 회분식 방식에서, 건조 성분은 상기 양의 물, 그 다음 비결정질 실리카와 혼합되어 상기 나타낸 방식들 중 하나에서 콘크리트 혼합물을 제공한다. 혼합물은 상기와 같이 진탕되거나 또는 레디-믹스로 주입되고, 상기 나타낸 바와 같이 그 안에서 진탕된다. 본질적으로, 습식 및 건식 회분식 상황은 습식 회분을 위한 절차의 일부가 레디-믹스의 외부에서 (예를 들어, 플랜트에서) 수행되는 것을 제외하고 유사하다. 건식 회분("이동 혼합물")이 다소 바람직하다. 예를 들어, 회분에서 사용되는 콘크리트 혼합물, 모래, 및 조립질 골재의 제조시에 이용되는 물의 총량의 40 플러스 또는 마이너스 20%, 또는, 추가의 구현예에서, 플러스 또는 마이너스 10%는 레디-믹스로 장입된다. 콘크리트 혼합물, 조립질 골재 및 모래는 함께 혼합되어 레디-믹스로 장입된다. 잔류된 물은 이후 레디-믹스로 장입된다. 건조 성분 및 물이 완전하게 혼합될 때, 비결정질 실리카가 첨가되고, 혼합물은 5 내지 10분 동안 혼합된다. 혼합은 바람직하게는 예를 들어 약 12 내지 약 15 rpm의 범위의 속도와 같은 상대적으로 높은 드럼 회전 속도로 실시된다. 고속 혼합이 실시될 때, 회분이 이후 주입될 수 있다. 그러나, 주입 부위로의 이동 시간과 같은 고속 혼합과 주입 사이의 기간을 갖는 것이 허용될 수 있다. 일반적으로, 예를 들어, 약 3 내지 약 5 rpm와 같이 콘크리트가 저속으로 혼합되는 한, 약 1 내지 약 60분의 범위의 고속 혼합과 주입 사이의 시간이 허용될 수 있다.

일 구현예에서, 레디-믹스가 주입 부위에 도달될 때, 물, 시멘트 및 다른 건조 성분들을 함유하는 레디-믹스에 실리카를 첨가하는 것이 특히 편리하다. 비결정질 실리카가 첨가된 이후, 콘크리트/실리카 혼합물은 일정 시간 동안, 가장 바람직하게는 적어도 약 5 내지 약 10분 동안 주입하기 이전에 혼합되어야 하는 것을 또한 밝혀내었다. 그러나, 다른 기간은 본 발명의 장점을 적어도 부분적으로 얻는 것과 관련하여 허용될 수 있다.

본 발명의 장점은 비결정질 실리카는 종료시 건조 성분들 및 제1 및 제2 회분의 물과 함께 (또는 제2 회분의 물을 사용하여) 혼합한 이후에 첨가되고, 실리카-첨가 혼합물이 주입 이전에 본원에 특정된 시간 동안 혼합되는 한, 상기 공정의 상업적으로 사용되는 변형예에서 예측될 수 있다.

콘크리트 혼합물은 이후 콘크리트 설비를 형성하도록 주입된다. 바람직한 구현예에서, 콘크리트 혼합물은 푸우팅 또는 슬래브의 제조와 같은 산업적 규모 주입의 맥락에서 형성되고 진탕된다. 추가의 구현예에서, 콘크리트 혼합물은 예를 들어 레디-믹스와 같은, 혼합물이 생성된 그대로 유지하고, 또한 혼합물을 진탕하는 능력을 갖는 장치를 사용하여 그리고 그 내부에서 생성된다.

본 발명의 공정의 하나의 장점은 본 발명에 따라 배합되는, 예를 들어, 슬래브와 같은 콘크리트 형성시의 물은 증발로 손실되기 보다는 형성시에 부동화되는 것으로 보여진다. 이러한 물의 대부분의 가능한 숙명은 모세관 및 공극을 형성하기 보다는 장기간 동안 수화에 참여하는 것이다. 따라서, 두께와 무관하게, 콘크리트 슬래브, 벽면 및 다른 형성물은 공극 및 모세관의 감소 또는 결여, 및 압축 강도의 상관관계된 이익을 나타낼 것으로 예상된다. 최대 약 20 피트의 두께를 갖는, 개선된 구조 및 압축 강도를 갖는 콘크리트 형성물은 본 발명의 콘크리트를 사용하여 형성될 수 있다.

본 발명 공정의 장점은 주입된 콘크리트가 온도, 상대 습도 및 바람과 같은 공기 이동과 같은 환경 조건에 의해 야기되는 건조에 의해 덜 손상되는 것이다. 예를 들어, 양호한 품질의 콘크리트는 50 mph 정도로 높은 풍속, 120℉ 정도로 높은 그리고 10℉ 정도로 낮은 온도, 및 5% 정도로 낮은 그리고 85%로 높거나 또는 심지어 그 이상의 상대 습도에서 제조될 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 형성된 콘크리트의 압축 강도는 일반적으로 물, 시멘트 혼합물, 및 충전재(골재, 모래 등)을 혼합한 이후에 실리카의 첨가를 위한 것을 제외하고 유사하거나 또는, 바람직하게는 동일한 방법에 의해 형성된 콘크리트와 관련하여 증가된다. "유사" 또는 "동일"은 풍속, 상대 습도 및 온도 프로파일와 같은 환경 조건뿐만 아니라 압축 강도의 증가의 평가와 관련된 셰이딩(shading) 또는 방열 환경과 같은 다른 환경 인자에 적용된다. 혼합 시간 및 파라미터, 주입 파라미터(즉, 슬래브 치수)와 같은 주입자 제어 내의 인자들은 보다 용이하게 설명된다. 압축 강도의 증가는 바람직하게는 비결정질 실리카의 첨가를 위한 것을 제외하고 동일한 주입물로부터 평가된다. 바람직한 구현예에서, 상기 평가는 동시에 그러나 별개의 레디-믹스에서 동일한 양의 동일한 성분들로부터 제조되고, 동시에 그러나 별개의 레디-믹스를 사용하여 함께 주입된 주입물로부터 제조된다. 이러한 주입물은 "실질적으로 동일하다".

압축 강도의 증가는 한쌍의 실질적으로 동일한 주입물의 비-실리카-함유 주입물의 압축 강도에 기초하여 약 5 내지 약 40% 또는 심지어 그 이상의 범위일 수 있다. 보다 일반적으로 관찰된 구현예에서, 실질적으로 동일한 주입물을 통해 평가된 압축 강도 증가는 약 10 내지 약 30%의 범위이다.

본 발명의 콘크리트는 일반적으로 예를 들어 슬래브, 푸우팅 등과 같은 주입된 콘크리트를 필요로 하는 응용분야에서 사용될 수 있다. 본 발명의 장점은 이로부터 제조된 콘크리트는 일반적으로 증가된 물 투과에 대한 저항성이며, 이에 따라 특히 푸우팅과 같은 관련된 손상 및 수분 노출에 대한 경향이 있는 주입된 응용분야에서 사용될 수 있다.

하기에 나타난 바와 같이 본 발명은 나노실리카가 물의 적어도 일부의 첨가 이후에 바람직하게는 콜로이드 실리카로서 콘크리트 혼합물에 첨가되는 경우에, 내마모성 및 수투과성과 같은 다른 개선된 특성 중에서 개선된 압축 강도를 갖는 시멘트를 생성한다.

본 기술분야에 사용되는 크기의 모래 및 골재와 같은 추가적인 콘크리트 성분은 일반적으로 본 발명에 의해 제공된 장점을 훼손하지 않고 본 발명의 콘크리트에 사용될 수 있다.

따라서, 일반적으로 많은 양의 수송수를 갖는 콘크리트로부터의 콘크리트와 관련된 결점이 없는 콘크리트의 제조에 있어서 수화, 주입 및 작업을 위해 충분한 물을 포함하는 콘크리트를 이용하는 것이 가능하다. 본 발명의 조성물은 노출된 표면이 첨가된 결정질 실리카를 갖지 않은 콘크리트보다 조기에 건조될 가능성이 낮도록 물을 보유하는 콘크리트를 생성한다. 상대적인 물 보유 효과는 표면이 보통 건조되는 경향을 갖는 주위 조건에서도 관찰된다. 콘크리트는 이에 따라 표준 콘크리트보다 더 넓은 범위의 환경 조건 하에서 주입될 수 있다. 표면은 이에 따라 감소된 양의 표면수로 처리되거나, 또는 심지어, 일부 경우에서, 표면수를 첨가하지 않고도 처리될 수 있다.

놀랍게도, 수축은 비슷한 양의 물을 함유한 콘크리트와 관련하여 감소된다. 더 놀랍게도, 압축 강도는 증가된다. 일반적으로 콘크리트가 비결정질 실리카의 부재 하에 모세관 및 공극 형성의 위험이 있는 일정 양의 수송수를 함유하더라도 이 결과가 얻어진다.

이론에 구속됨을 바라지 않고, 비결정질 실리카는 물이 이동하는 것을 방지하고, 증발뿐만 아니라 모세관 및 공극 형성을 억제하도록 양생 과정에서 물을 부동화킬 수 있는 것으로 추정된다. 놀랍게도, 상기 부동화는 물이 장기간, 연장된 수화에 참여하는 것을 방지하지 못하며, 이는 압축 강도의 예상하지 못한 증가를 일으킨다.

본 발명의 가장 중요한 이점은 일반적으로 증발로의 물의 손실로 인하여 양생 반응(수화)에서 과량의 물을 사용하지 않는 능력이다. 이러한 장점은 콘크리트의 완전 수화에 대해 이론적으로 요구되는 것보다 적은 물 수준뿐만 아니라 수화에 이론적으로 요구되는 것보다 과량의 물 수준을 갖는 주입된 콘크리트의 경우에서도 얻을 수 있다.

기존 콘크리트 제조 및 주입 공정을 사용하는 문제점은 주입이 최적 조건 미만에서 실시되는 경우에 일어나는 위험이다. 이하에 나타난 바와 같이, 다른 환경 인자 중에서도 상대 습도, 풍속 및 온도는 일상적으로 콘크리트 상의 또는 그 내부의 다양한 위치에서의 물 수준에 대한 그것의 효과로 인하여 표준 주입물을 저해한다. 이는 심지어 이것이 권장된 범위의 값 또는 단일의 특정된 최적 값인지 여부와 무관하게, 포함된 물의 양이 시멘트 혼합물 제조사에 의해 특정된 권장된 양에 부합되는 경우에 일어날 수 있다. 본 발명은 물-관련 문제의 감소된 위험을 갖는 시멘트 제조사의 제시된 물 함량에서의 운행을 가능하게 한다. 이러한 제시된 값은 일반적으로 허용가능한 정도로 진행되고, 또는 일부 경우에서, 완료를 가능하게 하는 데 요구되는 물의 양에 해당한다. 본 발명의 실시에 있어서, 시멘트 제조사에 의해 특정된 양으로의 물의 사용이 바람직하다. 그러나, 본 발명은 또한 물 함량이 심지어 제조사에 의해 특정된 것으로부터 벗어난 경우에도 다른 공정과 관련하여 물 문제점의 위험을 감소시킨다. 따라서, 일부 구현예에서, 물 함량은 본원에 기재된 콜로이드 비결정성 또는 다른 실리카의 첨가 이전에 시멘트에 첨가된 물의 중량 기준으로, 제조사 사양에 의해 특정된 최저값의 약 -30%와 제조사 사양에 의해 특정된 최고값의 +30%의 범위 내에 있다.

본 발명의 또 다른 이점은 모세관 및 공극 저장소를 형성하지 않고 연장된 수화의 이점을 위해 물을 보유하기 위한 이의 배합의 능력에 따른다. 골재, 모래 및 다른 일반적으로 포함된 벌크화제 및 강화 재료를 시멘트에 첨가하여 콘크리트를 형성하는 것은 일반적으로 이를 콘크리트 내에 수용하기 위해 추가의 물을 필요로 하며, 이는 실제로 모세관 및, 특히, 공극 저장소의 형성을 촉진하는 것으로 본 기술분야에 알려져 있다. 이러한 저장소는 포함된 재료의 표면과 연관되어 위치한다. 일반적으로, 가장 바람직한 골재 및 재료는 이것이 그것의 표면적 위의 콘크리트와 밀접하게 연관되게 하며, 수화 과정에서, 압축 강도의 관련된 손실과 마찬가지로 저장소 형성이 최소화되게 하는 품질의 것이다. 그러나, 이러한 고품질의 포함된 재료는 일반적으로 비경제적이다. 놀랍게도, 심지어 골재의 존재에서도, 비결정질 실리카 입자를 포함시켜 공극 저장소 및 모세관의 형성을 감소시키거나 방지할 수 있다. 이론에 구속됨을 바라지 않고, 이러한 결함, 특히 공극 저장소의 감소, 및 압축 강도의 관련된 증가는 고표면적 비결정질 실리카 입자가 재료 차선 품질과 무관하게, 포함된 재료와 직접적인 연관에 관여하는 것을 나타내는 경향이 있다. 이러한 연관관계는 물을 배제하여 포함된 재료에의 콘크리트의 부착을 강화할 수 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 이의 제조된 콘크리트 배합물이 소위 "초가소제"를 사용하지 않고도 주입가능하고 및/또는 작용될 수 있다는 것이다. 이러한 초가소제의 비제한적인 예는 이들이 에멀젼, 분산액, 분말 또는 다른 화학 형태인지 여부와 무관하게, 리그닌설포네이트, 설폰화된 나프탈렌 포름알데히드 축중합물, 설폰화된 멜라민 포름알데히드 축중합물, 폴리카르복실레이트 에테르 및 다른 초가소제 성분을 포함한다. 일 구현예에서, 본 발명의 콘크리트 배합물은 초가소제를 포함하지 않고도 주입가능하며, 가소제를 함유하지 않거나 또는 본질적으로 가소제를 함유하지 않는다. "본질적으로 가소제를 함유하지 않는"은 초가소제 함량이 시멘트의 중량 기준으로 약 0.1% 미만의 미량인 것을 의미한다.

본 발명과 함께 사용될 수 있는 부가물의 혼화물의 비제한적인 목록은 하기와 같다. 대안적으로, 본 발명의 콘크리트 혼합물은 하기 첨가재, 또는 다른 첨가재들 중 임의의 것 또는 모두를 함유하지 않을 수 있다. 하기 목록은 ASTM C 494 카테고리에 따라 정렬된다. ASTM C-494에 의해 인증되고 그리고 인증되지 않은 혼화물이 포함된다.

혼화물은 분말 또는 액체로서 첨가될 수 있다.

일반 물 감소제 및 지연제(유형 A, B, D)

일반 투여 범위: 0.5 - 6 OZ/C

초가소제: 일반 경화 및 지연(유형 F, G)

일반 투여 범위: 2 - 40 OZ/C

가속화 혼화물: 물-감소 또는 비-물-감소(유형 C, E)

일반 투여 범위: 2 - 45 OZ/C

ASTM C 494에 정의된 바와 같은 유형 S 혼화물:

중간-범위 물-감소제 및 지연제

일반 투여 범위: 2 - 45 OZ/C

부식 억제제

일반 투여 범위: 0.25 - 5 GAL/YD

MVRA(수증기-감소 혼화물)

일반 투여 범위: 5 - 24 OZ/C

SRA(수축-감소 혼화물)

일반 투여 범위: 0.25 - 5 GAL/YD

수화 안정화제

일반 투여 범위: 0.5 - 24 OZ/C

점도 조절제

일반 투여 범위: 0.25 - 8 OZ/C

공기 연행 혼화제;

일반 투여 범위: 공기를 연행하기 위해 필요한 OZ: 0.1 - 36 OZ/C

착색제: 액체 및 고체

일반 투여 범위: 0.1 - 20 LB/YD

실시예 1

위치: 셸비빌, 인디아나 소재 셸비 머티리얼 레디-믹스 플랜트

환경 조건: 대략 60℉의 출발 온도를 사용한 주입의 시작 시간은 07:30 AM이었다. 주위 온도는 낮 동안 높은 80으로 최고였다. 상대 습도는 18% 내지 67%의 범위이었다. 풍속의 범위는 3 내지 13 mph이었다.

단계 및 결과:

1 - 입방 야드(총 9야드)당 31 갤런의 물(SSD - 포화된 표면 건조)에 대한 6 백(564 lb) 시멘트의 종래 계열 A 콘크리트 디자인을 사용하여 비-공기-연행형 콘크리트와 함께 4-인치 두께의 인테리어 콘크리트를 배치하였다. 입방 야드당 대략 12 갤런의 물을, 그 다음 건조 시멘트 혼합물(야드당 564 lb)뿐만 아니라 골재 및 모래(야드당 1250 lb의 모래, 및 1750 lb의 석재)를 레디-믹스에 첨가하였다. 물 및 건조 성분들을 1 - 2분 동안 혼합하였고, 야드당 대략 19 갤런의 추가의 물을 이후 레디-믹스에 첨가하였다. 혼합물을 5 - 10분의 추가의 시간 동안 (콘크리트의 혼합 동안 12 - 15 rpm의 높은 속도를 갖는 콘크리트 드럼에서) 혼합하였다. 운행자가 작업 현장으로 콘크리트를 이송할 준비가 되어 있을 경우, 운행자는 이후 3 - 5 rpm로 콘크리트 배럴을 서행시켰다.

2- 380.7의 총 온스의 E5 INTERNAL CURE(7.5 온스/100 lb 시멘트)를 이후 9야드 장입 및 배치 이후에 첨가하였다. 또 다시, 큐빅 야드당 564 lb 시멘트 및 31 갤론의 물이 존재하였다.

3- 본 팀은 레디-믹스 운행자가 12 - 15 rpm에서 5분 동안 회분을 혼합하게 하였다.

4- 레디-믹스를 이후 2 - 5 rpm로 서행시켰고, 작업 현장으로 15분 운행하였다. 콘크리트를 이후 슬래브 폼에 주입하였다. 슬래브를 금속 빌딩에 배치하였다.

5- 종래의 처리 공정을 실시하였다. 주입 이후, 슬래브가 수평을 이루었다. 불 플로트(bull float)를 이후 사용하여 표면을 폐쇄하였다. 표면은 처리를 완료하기 위해 본 기술분야에서 널리 사용되는 기계 처리 공정 적합 방법을 시작하기에 충분하도록 단단하다.

6- 불 플로팅 공정 과정에서, 콘크리트가 종래의 레디-믹스 공정의 것보다 폐쇄하는데 더 용이하였음을 주지하였다.

7- 블리드 워터가 일반적으로 존재하는 처리 공정 과정에서, 이 공정은 블리드 워터가 존재하지 않았다. 그러나, 표면은 촉촉하게 유지되었다. 팀은 종래의 레디-믹스 제품으로부터 제조된 콘크리트와 달리, 물은 놀랍게도 E5 INTERNAL CURE의 부재 하에 레디 믹스를 사용하여 훨씬 더 건조된 표면을 제공할 수 있는 조건 하에서 콘크리트 표면 내에 잔류하였을 것으로 추측하였다.

8- 팀은 이후 콘크리트 처리 공정을 완료하는 데 4시간을 사용하였다. 종래의 레디-믹스로부터 제조된 콘크리트와 달리, 처리 공정은 콘크리트 표면에서 여전히 존재하는 수분으로 인하여 하프 스로틀(half throttle)에서 실행되는 기계로 수행할 수 있다. 이는 더 쉬운 처리 공정을 야기한다. 종래의 콘크리트는 100%의 스로틀로 기계가 운행될 것을 요구하고, 처리 과정에서 표면 손상의 증가된 위험을 수반하는 보다 더 노동-집약적인 공정이다.

9- 팀은 또한 내부 열 온도 변동(internal thermal temperature swing)이 50℉ 초과인 것을 주지하였다. 사실상, 주입이 금속 빌딩에 위치하였기 때문에, 내부 센서에 의해 측정된 내부 콘크리트 온도 변동은 주간 최고 145℉에서 야간 최저 70℉까지였다. 팀의 경험에서, 이러한 온도 변동은 컬링(하기 10 참조) 과정에서 콘크리트의 상당한 균열을 야기하는 것으로 예상되었다. 팀의 방대한 경험에서, 열 온도는 일반적으로 콘크리트의 표면에서 수분의 증발에 대한 최고의 촉진제 중 하나이다. 이러한 주입의 당일에 팀은 수분이 표면에서 남아있었고, 열 온도 변동에 의해 상대적으로 영향을 받지 않는 것처럼 보였음을 인지하였다. 팀은 이러한 거동은 종래의 주입된 콘크리트와 완전하게 상이하였고, 산업에서 매우 유용할 수 있음을 알게 되었다.

10- 팀의 경험에서, 종래의 콘크리트는 일반적으로 주입하고 24시간 내에 톱 절단이 요구될 수 있다. 그러나, 팀은 콘크리트의 상면에 분명하게 보유된 물의 증가된 양과, 그 결과 수축 타이밍(수축이 일반적으로 일어나는 기간)이 감소되어 균열을 감소시킬 수 있는 가능성으로 인하여 톱 절단을 하지 않았다. 따라서, 콘크리트 슬래브는 팀이 슬래브가 내부적으로 해제되는 데 소요되는 시간을 결정하도록 방해받지 않게 유지될 수 있었다. 팀이 놀랍게도, 슬래브는 10일 동안 내부적으로 그 자체가 해제되지 않았다. 온도와 강우 같은 유의미한 환경적 변화가 존재하였음을 주지하여야 한다. 이론에 구속됨을 바라지 않고, 팀은 E5 INTERNAL CURE의 첨가가 증발을 통한 손실보다 가능하게는 E5 INTERNAL CURE에서의 비결정질 실리카와의 화학적 회합을 통해 물의 대부분을 유지하게 하는 것으로 추정하였다. 유지된 물의 대부분은 궁극적으로 수화에 참여하여 내부 양생을 일으키는 것으로 추가로 추정되었다. 이후 수화(내부 양생)를 통해 통합되는 (예를 들어, 레디-믹스 트럭에 주입되기 전에 콘크리트에 첨가되는) E5 INTERNAL CURE에서의 비결정질 실리카와의 화학적 회합을 통한 물의 유지는 이전에 관찰되지 않았으며, 이는 팀에 의해 가장 잘 결정될 수 있다.

실시예 2

이는 제품의 성능의 일관성을 보장하고 내부 양생의 최대 효과를 위한 공정을 이해하기 위해 실시되었다.

위치: 비치 글로브, 인디아나 소재 셸비 머티리얼 레디-믹스 플랜트

시간 프레임: 08:30 am과 09:35 am 사이에 주입함.

환경 조건: 79℉, 61% 내지 93%의 범위의 상대 습도, 흐림 및 6.9 내지 12.7 mph의 범위의 풍속.

단계 및 결과:

1- 2개의 샘플을 위한 콘크리트는 5.5 백 (517 lb)의 시멘트, 0.5 물 대 시멘트 비율(31 갤론의 물(SSD - 포화된 표면 건조) 비-공기 연행된, 5.5 인치 슬럼프(야드당 517 lb의 시멘트, 1225 lb의 모래, 및 1800 lb의 석재)이었다. 처리 공정은 실시예 1의 것과 동일하였다.

2- 샘플 1을 참조로서 주입하였다. 샘플 1을 실시하였고 4" 두께의 슬래브로서 배치하였다. 콘크리트 슬래브를 또한 아메리칸 콘크리트 인스티튜트(ACI)에 의해 권장된 바와 같은 7일 동안 슬래브의 상면에 플라스틱 시팅을 적용함으로써 양생하였다. 압축 강도를 5760 psi이도록 주입한 이후에 7일 동안 측정하였다.

3- 시멘트, 골재 및 모래, E5 INTERNAL CURE(100 lb의 시멘트당 3.5 oz)의 (야드당 517 lb의 시멘트, 1225 lb의 모래, 및 1800 lb의 석재)를 혼합한 이후에 첨가하는 것을 제외하고 샘플 2를 샘플 1과 같이 주입하였다. 이를 샘플 1과 같이 양생하였다. 주입 이후 7일차에, 압축 강도를 6580 psi인 것으로 측정하였다. 샘플 1과 2(E5 INTERNAL CURE 사용) 사이의 차이는 강도의 14% 증가이었다.

4- 전문가 팀은 이후 E5 INTERNAL CURE가 내부 양생을 촉진하였고, 이에 따라 콘크리트에 물을 화학적으로 결합시킨다는 발상을 추가로 지지하기 위해 ACI(아메리칸 콘크리트 인스티튜트)에 의해 권장된 28일 강도 시험을 시행하였다. 28-일 시험 결과는 하기와 같았다: 참조 압축 강도: 6910 psi. E5 INTERNAL CURE가 주입된 콘크리트에 포함되는 경우의 압축 강도: 8040 psi. E5 INTERNAL CURE는 16%까지 압축 강도 psi를 증가시킨다.

실시예 3

콘크리트의 16개의 산업적 규모의 회분을 제조하였다. 각각의 샘플로부터의 실린더를 선택하여 3, 7 및 28일차에 ASTM C-39에 따라 압축 강도에 대해 시험하였다. 모든 샘플은 1350 lb 모래를 포함하였다. 모든 샘플에 대해, 레디-믹스를 작업 현장까지 평균 20분 동안 운행하였고, 콘크리트 시험 실린더를 이후 ASTM C-39에 따라 주입하였다. 그 결과는 표 1에 주어져 있다.

4개(샘플 1-4)의 제1 그룹, "콘크리트 대조군" 그룹을 콜로이드 실리카의 첨가 없이 제조한다. 0.51의 물/시멘트 비율. 대략 40%의 나타낸 물을 2-5 rpm로 회전하는 레디-믹스에 첨가하고, 이후 나타낸 총량의 시멘트 혼합물, 골재 및 모래의 첨가를 후속함으로써 이를 제조하였다. 연구에서의 모든 샘플에서의 골재는 (3/4" #8 ASTM C-33 #8 INDOT 승인된) 자갈이었다. 물 및 건조 성분들을 1-2분 동안 혼합하였고, 이는 성분들을 레디-믹스 드럼에 첨가하기 위해 소요된 시간을 포함한다. 잔류된 물(나타낸 물의 대략 60%)을 이후 레디-믹스에 첨가하였다. 5 - 10분의 추가의 시간 동안 콘크리트의 혼합을 위해 12 - 15 RPM의 고속을 갖는 콘크리트 드럼에서 혼합물을 혼합하였다. 운행자가 콘크리트를 작업 현장으로 이송할 준비가 되어 있는 경우, 운행자는 이후 3 -5 RPM으로 콘크리트 배럴을 서행시켰다. 레디-믹스를 작업 현장으로 운행하였고, 콘크리트 시험 실린더를 이후 ASTM C-39에 따라 주입하였다.

백중량 시멘트(cwt) 당 4 oz의 콜로이드 실리카 용액(E5 Internal Cure: 대략 15 중량%의 실리카, 10 nm 미만의 평균 입도, 대략 550 m²/g의 BET 표면적, 및 85 중량%의 물을 가짐)을 첨가하여 4개(샘플 5-8)의 제2 그룹을 제조한다.

샘플 7 및 8(테일 워터 이후의 4oz/cwt)에 대한 절차는 추가적으로, 4oz/cwt E5 Internal Cure가 이후 배럴을 3 - 5 rpm로 서행시킨 이후에 첨가된 것을 제외하고 샘플 1-4에 대한 것과 동일하다. 레디-믹스는 약 5분 동안 12 - 20 rpm로 회분을 혼합하였다. 레디-믹스를 3 - 5 rpm으로 서행시켰고, 작업 현장으로 운행하였고, 콘크리트 시험 실린더를 이후 ASTM C-39에 따라 주입하였다.

샘플 5 및 6(테일 워터 이전의 4oz/cwt)에 대한 절차는 E5 Internal Cure가 초기 콘크리트 혼합물에 포함되는 것을 제외하고 샘플 1-4에 대한 것과 같았고, 첨가의 순서는 시멘트 혼합물, 골재/모래, 4oz/cwt E5 Internal Cure, 40%의 물이었다.

샘플 9-12(테일 워터 이전의 2, 4, 6 및 8 oz/E5 Internal Cure/cwt; W/C=0.41)에 대한 절차는 샘플 6 및 7에 대한 것과 동일하다. E5 Internal Cure의 양은 각각의 샘플에 대해 증가하고, 물/시멘트 비율은 0.51이 아니고, 샘플 1-8의 경우 0.41임을 주지한다.

샘플 13-16(테일 워터 이후의 2, 4, 6 및 8 oz/E5 lnternal Cure/cwt; W/C=0.41)에 대한 절차는 샘플 7 및 8에 대한 것과 동일하다. E5 Internal Cure의 양은 각각의 샘플에 대해 증가하고, 물/시멘트 비율은 0.51이 아니고, 샘플 1-8의 경우 0.41임을 주지한다.

각각의 샘플에 대해, 압축 강도를 3, 7 및 28일차에 에이징된 실린더로부터 측정하였다. 유사한 샘플(1 - 4; 5 및 6; 7 및 8; 9 - 12; 13 - 16)의 그룹에 대해 측정된 압축 강도는 샘플이 완전하게 동일하게 되는 것을 방지하는 다수의 인자에서의 변화의 결과인 자연적 도포(natural spread)를 반영하는 것임을 주지한다. 샘플은 단지 편의를 위해서만 압축 강도의 상승 순서로 정렬된다.

실리카가 테일워터 이후에 첨가되는 모든 경우에서, 콘크리트는 존재하는 경우 약간의 블리드워터, 컬링, 균열 또는 수축을 나타내었다. 물 이전에 첨가되는 동일한 양의 실리카는 대조군에 유사한, 또는 일부 경우에서, 대조군보다 저조한 블리드워터 양을 갖는 시멘트를 제공하였다. 두 물/시멘트 비율(0.51 및 0.41)에 대해 상기의 것이 적용되었다. 압축 강도는 일반적으로 실리카의 사용으로의 증가를 나타내었고, 더 많은 실리카는 압축 강도의 더 높은 증가를 유발하였다. 그러나, 후-테일 워터 첨가는 실리카의 사전-물 첨가보다 상당하게 더 많은 증가를 야기하였다. 이러한 장점은 크게 감소된 블리드워터 및 컬링 균열 및 수축의 초기 언급된 장점 이외의 것이다. 이론에 구속됨을 바라지 않고, 물이 다른 건조 성분들과 혼합된 이후에 첨가되는 경우에 실리카는 이것이 물 이전에 건조 성분들에 첨가하거나, 또는 가능하게는 심지어 물을 함유하는 불충분하게 혼합된 콘크리트 혼합물에 첨가되는 경우에, 상층으로부터의 물 증발을 보다 충분하게 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 따라서, 상기 실시예는 특히 테일워터의 첨가 이후에 실리카가 잘-혼합된 그리고 습윤된 콘크리트 혼합물에 첨가하는 것은 예상외로 압축 강도의 예상하지 못한 상당한 개선뿐만 아니라 적거나 없는 블리드워터, 및 양생 콘크리트의 노출된 상부 표면으로부터의 높은 증발과 결합된 소수이거나 없는 결함을 제공하는 것을 예시한다.

Claims

콘크리트 설비의 제조 방법으로서, 상기 방법은,
A) 성분들로부터 콘크리트 혼합물을 생성하는 단계로서, 상기 성분들은, 각각,
a) 일정 양의 건조 시멘트 혼합물로서, 상기 시멘트 혼합물은,
i) 제조사 제시한 물/시멘트 비율 값으로서; 여기서 상기 제시한 비율은 약 3.5 내지 약 6.5의 범위 내에 포함되고; 그리고 b)와의 조합시, 물/시멘트 비율은 상기 제시한 값보다 약 10% 미만에 해당하는 값보다 크고, 상기 제시한 값보다 약 30% 초과에 해당하는 값 이하인 제조사 제시한 물/시멘트 비율 값;
또는
ii) 상한값 및 하한값을 갖는 제조사 제시한 물/시멘트 비율 범위로서, 하기 b)와의 조합시, 물/시멘트 비율이 하한값의 것보다 약 10% 미만에 해당하는 값보다 크고, 상한값보다 약 30% 초과에 해당하는 값보다 낮은 제조사 제시한 제조사 제시한 물/시멘트 비율 범위;
또는
iii) 하기 b)와의 조합시, 물/시멘트 비율이 약 0.35 내지 0.65의 범위 내에 있게 되는 양
을 특징으로 하는 일정 양의 건조 시멘트 혼합물;
b) 일정 양의 물,
c) a)에서 시멘트의 백중량당 약 0.1 내지 약 7.0 온스의 범위 내의 일정 양의 비결정질 실리카로서; 여기서 평균 실리카 입도는 1 내지 55 나노미터의 범위 내에 있고 및/또는 실리카 입자의 표면적은 약 300 내지 약 900 m²/g의 범위 내에 있는 일정 양의 비결정질 실리카;
d) 약 400 내지 약 700 중량% bwoc의 범위 내에 있는 일정 양의 골재 및/또는 일정 양의 모래
를 포함하는 단계; 및
B) b)의 물이 그것의 전체로서 또는 상기 양의 물의 적어도 약 20 중량%를 포함하는 초기 회분, 및 테일워터 회분을 포함하는 회분들로서 첨가되고; 여기서 물의 초기 회분은 a) 및 d)의 성분들과 조합되어 제1 혼합물을 형성하고; 그리고 상기 비결정질 실리카는 a), d) 및 b)의 초기 회분을 포함하는 혼합물에 첨가되어 제2 혼합물을 형성하고;
그리고
여기서 상기 테일워터는 1) 제1 혼합물에 첨가되거나 또는 2) 제2 혼합물에 첨가되거나; 또는 3) 비결정질 실리카와 함께 제1 혼합물에 공동-첨가되고, 상기 비결정질 실리카 및 테일워터는, 선택적으로, 첨가되고 선택적으로 상호조합되고; 그리고 1) 제1 혼합물은 테일워터의 첨가 이전의 시간 t₁₁ 동안, 테일워터의 첨가 이후에 그러나 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t₁₂ 동안, 그리고 비결정질 실리카의 첨가 이후의 시간 t₁₃ 동안 진탕되거나; 또는 2) 제2 혼합물은 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t₂₁ 동안, 비결정질 실리카의 첨가 이후 그러나 테일워터의 첨가 이전의 시간 t₂₂ 동안, 그리고 테일워터의 첨가 이후의 시간 t₂₃ 동안 진탕되거나; 또는 3) 제2 혼합물은 비결정질 실리카 및 테일워터의 공동-첨가 이전의 시간 t₃₁ 동안 진탕되고, 그리고 콘크리트 혼합물은 이후 시간 t₃₂ 동안 진탕되는 단계;
또는
C) 상기 양의 물이 a) 및 d)의 성분들에 첨가되어 혼합물을 형성하는 단계로서, 그리고 상기 혼합물이 비결정질 실리카의 첨가 이전의 시간 t_a 동안 진탕되고, 그리고 콘크리트 혼합물은 이후 시간 t_b 동안 진탕되는 단계;
D) B) 또는 C)의 콘크리트 혼합물을 주입하여 콘크리트 설비를 형성하는 단계
를 포함하는 콘크리트 설비의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 물의 초기 회분은 상기 양의 물의 적어도 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99 중량%를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, a)의 건조 시멘트 혼합물과 b)의 물의 조합시, 물/시멘트 비율은,
i)에서의 제시한 값 이상이고, 그러나 제시한 값보다 30% 초과에 해당하는 값보다 낮거나; 또는
ii)에서의 제시한 범위의 상한값 이상이고, 그러나 상기 상한값보다 30% 초과에 해당하는 값 이하이거나; 또는
iii)과 관련하여 적어도 0.35이고, 그러나 0.65 이하인 방법.
제1항에 있어서, 상기 비결정질 실리카가 콜로이드 실리카 용액으로서 제1 혼합물에 주입되고, 상기 용액은 약 50 내지 약 95 중량%의 실리카, 및 약 5 내지 약 50 중량%의 물을 포함하는 방법.
제4항에 있어서, 상기 실리카는 약 75 내지 약 90 중량%의 실리카 및 약 10 내지 약 25 중량%의 물을 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 비결정질 실리카는 시멘트 백중량당 약 2.5 내지 약 5.5 온스의 범위의 양으로 첨가되는 방법.
제6항에 있어서, 상기 비결정질 실리카는 시멘트 백중량당 약 3.5 내지 약 4.5 온스의 범위의 양으로 첨가되는 방법.
콜로이드 실리카가 테일워터 이후에 첨가되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 콘크리트가 슬래브 또는 푸우팅(footing)에 주입되는 방법.
제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 방법은 레디-믹스에서 실시되고; 여기서 상기 테일워터는 제1 혼합물이 15초 내지 5분의 범위의 시간 동안 약 2 rpm 내지 약 18 rpm의 범위의 속도로 진탕된 이후에 제1 혼합물에 첨가되고; 테일워터 첨가 이후에, 상기 혼합물은 약 1분 내지 약 18분의 범위의 시간 동안 약 5 rpm 내지 약 18 rpm의 범위의 속도로 진탕되고, 그 이후에 실리카가 콜로이드 실리카로서 레디-믹스에 첨가되고, 상기 혼합물은 약 2 내지 약 18 rpm의 범위의 속도로 약 1 내지 약 15분의 범위의 시간 동안 진탕되고; 상기 콘크리트는 이후 슬래브 폼으로서 주입되는 방법.