KR20210024001A - 기계적-화학적으로 변형된 성분을 포함하는 조작된 콘크리트 바인더 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컴팩트하고 조밀한 조작된 콘크리트 바인더 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 적어도 하나의 기계 화학적 변형 성분을 포함한다.

Description

기계적-화학적으로 변형된 성분을 포함하는 조작된 콘크리트 바인더 조성물 및 그 제조 방법
본 발명은 콤팩트(compact)하고 고밀도(highly dense)의 조작된 콘크리트 바인더 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 적어도 하나의 기계적-화학적 변형된 성분을 포함한다.
콘크리트는 전 세계적으로 가장 일반적으로 많이 사용되는 건축 자재 중 하나이다. 그것은 주로 시멘트와 거칠고 미세한 골재로 구성된 복합재이다. 그런 다음 물을 첨가하여 슬러리를 얻고 이 콘크리트 슬러리는 다양한 건축 목적으로 사용된다. 콘크리트의 용도에는 도로 및 포장도로 설치, 건물 건설, 초고층 빌딩, 댐, 다층 주차장 등이 포함 되나 이에 제한되지 않는다.
그러나 콘크리트의 사용은 시멘트 생산이 온실 가스 배출의 주요 원인이기 때문에 환경 친화적이지 않은 공정이다. 따라서 현재 시멘트의 대체품으로 여러 가지 다른 성분이 사용되고 있으며, 콘크리트의 특성을 손상시키지 않으면서 더욱 친환경적인 콘크리트 혼합물을 얻기 위해 노력하고 있다.
시멘트 대체물로 사용되는 화합물에는 포졸란 물질이 포함된다. 포졸란에는 규산질(siliceous)이나 알루미늄을 함유한(aluminous) 광범위한 종류의 화합물이 포함됩니다. 포졸란 물질의 몇 가지 예로는 플라이 애쉬, 실리카 흄, 과립 고로 슬래그(granulated blast furnace slag) 및 메타카올린(metakaolin)을 포함한다. 이 물질은 그 자체로 콘크리트에 어떤 특성도 기여하지 않지만, 포졸란 물질을 매우 미세하게 갈면(finely ground), 그들은 콘크리트 성분(수산화칼슘 및 물)과 반응하여 시멘트질 특성을 향상시킬 수 있다.
가장 요구되는 콘크리트의 특성은 초과 시간으로 발생하는 열화에 대해 저항하는 콘크리트의 내구성, 취급, 설정 및 마감이 용이한 워커빌리티(workability), 높은 압력과 중량을 견딜 수 있는 강도 등이다. 콘크리트의 강도는 용도를 결정하는 데 매우 중요한 속성이다. 예를 들어 콘크리트 압축 강도 요구 사항은 주거용 콘크리트의 경우 2500psi (17MPa)에서 상업용 구조물의 경우 4000psi (28MPa) 이상까지 다양하다. 특정 응용 분야에는 최대 10,000psi (70MPa) 이상의 더 높은 강도가 지정된다.
콘크리트의 강도 특성은 콘크리트가 경화된 후 며칠 동안 굳어짐에 따라 발전한다. 콘크리트의 강도가 발달하는 단계에서는 콘크리트가 필요한 전체 압력 요구 사항을 견딜 수 없기 때문에 자유롭게 사용할 수 없다. 이는 공사가 늦어지고 공사 이용이 지연되어 문제가 된다.
미국 특허 제4,350,533호는 수화의 초기 단계 동안 시멘트/물 페이스트 중량의 약 40% 내지 약 60%에 해당하는 양의 에트링자이트(ettringite)를 생성하는 수 화성 시멘트 분말을 제공하고, 상기 분말은 중량으로 약 18% 내지 약 65% 고알루미나 시멘트, 약 16% 내지 약 35% 황산칼슘, 0% 내지 약 65% 포틀랜드 시멘트 및 0% 내지 약 8.5% 외부 석회를 포함하고, 상기 포틀랜드 시멘트 및 상기 외부 석회는 시멘트 분말의 수화 동안 약 3.5% 내지 약 8.5%의 산화칼슘의 대체 또는 보완 공급원이다.
미국 특허 제5,352,288호는 저비용, 고압축 강도 시멘트 혼합물을 얻기 위해 산화칼슘 재료, 포졸란 물질 및 알칼리 금속 촉매를 포함하는 콘크리트 조성물을 제공한다.
미국 특허 제4,957,556호는 초기 세팅(setting), 초고강도 시멘트를 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3 및 SO3을 포함하는 원료의 혼합물을 형성하는 것을 포함한다. 이 혼합물은 고농도의 C4A3S를 포함하는 클링커를 생성하기 위해 충분한 시간 동안 1,000℃에서 1,200℃ 사이의 고온으로 가열된다.
초기 경화 및 초기 고강도 콘크리트 혼합물을 얻기 위해 출원인은 이전에 인도 특허 번호 292690에서 전체 클링커 계수(clinker factor)가 감소된 콘크리트 바인더 조성물을 제안했으며, 상기 콘크리트 바인더 조성물은 10-60 중량%의 비율로 하나 이상의 1차 결합제를 포함하고, 여기서 1차 결합제는 자발적 수화 특성(spontaneous hydration property)을 갖는 1차 물질 그룹으로부터 선택되고; 40-90 중량% 비율의 적어도 하나의 2차 결합제를 포함하고, 2차 결합제는 유도된 수화 특성(induced hydration property)을 갖는 2차 물질 그룹으로부터 선택되고; 여기서 상기 1차 물질 그룹 및 상기 2차 물질 그룹은 최종 콘크리트 재료의 강도 특성 및 내구성 지수를 증가시키기 위해 매크로-마이크로-나노 입자 격자 배열(Macro-Micro-Nano particle lattice arrangement)을 형성한다. 인도 특허 번호 292690의 전체 내용이 여기에 포함된다. 출원인은 추가로 인도 특허 출원 번호 201731027025에서 적어도 하나의 수경 물질(hydraulic material); 적어도 하나의 포졸란 물질; 및 선택적으로 적어도 하나의 첨가제;를 포함하고, 상기 수경 물질(W1)의 양이 상기 조성물의 20 내지 60 중량% 범위에 있고; 포졸란 물질(W2)의 양이 상기 조성물의 40 내지 90 중량% 범위에 있고; 상기 적어도 하나의 첨가제(W3)의 양이 상기 조성물의 0 내지 15 중량% 범위에 있고; 각각의 수경 물질 및 포졸란 물질은 제1분획, 제2분획 및 제3분획을 포함하며: 제1분획은 3000 내지 4000cm2/gm 범위의 블레인 섬도(Blaine's fineness) 및 70 내지 80 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함하고; 제2분획은 10000 내지 15000cm2/gm 범위의 블레인 섬도(Blaine's fineness) 및 20 내지 30 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함하고; 제3분획은 40000 내지 50000cm2/gm 범위의 블레인 섬도(Blaine's fineness) 및 3 내지 8 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함하는 공학 콘크리트 바인더 조성물을 제안했다. 인도 특허 출원 번호 201731027025의 전체 내용이 여기에 포함된다.
초기 설정(early setting)을 얻기 위한 노력이 있었지만, 초기 강도가 높은 콘크리트 혼합물은 여러 다른 구성 요소의 제조 및 추가를 위한 추가 단계를 수반하기 때문에 부족했다. 이는 특히 건식 포장 콘크리트가 필요한 경우 이러한 조성물을 비싸고 사용하기 어렵게 만든다. 따라서 사용하기 쉽고 저렴한 초기 설정, 초기 고강도 콘크리트 믹스를 얻을 필요가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 요구와 단점을 고려하여, 일 측면에서, 높은 초기 강도 특성을 갖는 조밀하고(compact) 고밀도의 건축 재료를 제조하는 조성물 및 공정을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선택적으로 포졸란 물질과 함께 수경성 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제1세트; 및 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트를 포함하고, 상기 시멘트질 물질의 제2세트는 상기 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 시멘트질 물질의 제1세트는 3000 ~ 4000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 70 ~ 80 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함하고, 상기 시멘트질 물질의 제2세트는 10000 ~ 15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20 ~ 30 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 70 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 30 중량%의 포졸란 활성화제 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 제조 공정을 제공하고, 상기 공정은 제1양(first amount)의 시멘트질 물질의 제1세트를 제2양(second amount)의 시멘트질 물질의 제2세트와 혼합하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 시멘트질 물질의 제1세트는 선택적으로 포졸란 물질과 함께 수경 물질을 포함하고; 시멘트질 물질의 제2세트는 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질을 포함하고, 시멘트질 물질의 제2세트는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는다.
본 조작된 콘크리트 바인더 조성물 및 그 제조 공정은 다양한 콘크리트 산업 표준에서 요구되는 모든 기계적 특성, 화학적 특성, 응결 시간 특성, 초기 강도 특성 및 생산 비용을 충족한다. 따라서, 본 발명은 개선된 강도 및 경화 특성을 동시에 제공하여 콘크리트 산업에서 일반적인 포틀랜드 시멘트 대신 포졸란 물질의 최대 활용을 제공한다.
이는 본 개시를 특징으로 하는 다양한 신규성의 특징과 함께 본 발명의 다른 측면과 함께 여기에 첨부된 청구항에서 구체적으로 지적되고 본 발명의 일부를 형성한다. 본 개시 내용, 그 작동 이점 및 그 사용에 의해 달성되는 특정 목적의 더 나은 이해를 위해, 본 발명의 예시적인 실시 예가 도시된 첨부된 설명 사항을 참조해야 한다.
예시적인 목적을 위해 본 명세서에 상세히 설명된 예시적인 실시 예는 다양한 변형이 있을 수 있다. 그러나 본 발명은 콤팩트하고 고밀도의 건축 재료(들)를 생산하는 방법에 제한되지 않는다는 것이 강조되어야 한다. 다양한 생략 및 균등물의 대체는 상황이 편의를 제안하거나 제공할 수 있기 때문에 고려되지만, 이들은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 적용 또는 구현을 포함하도록 의도된 것으로 이해된다.
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 "기계적으로 변형된 입자(mechanically modified particle)"는 여기서 원하는 힘과 에너지를 적용함으로써 전제 조건의 입자 크기로 기계적으로 변형된 재료의 입자를 의미하는 것으로 이해된다.
용어 "그라데이션 공정(gradation process)"은 여기서 선택된 원료 건축 자재의 물리적 그라데이션의 공정을 의미하는 것으로 이해된다. 특히 본 발명에서 이러한 "그라데이션 공정"은 가장 작은 미세 골재 분획(fine aggregate fraction)을 생성하도록 조정된다.
용어 "격자 공극 충전제(lattice void filler)"는 여기서 입자가 건축 재료의 혼합물에서 격자 공극을 채울 수 있는 충전제로서 작용함을 의미하는 것으로 이해된다.
콘크리트의 "강도" 또는 "압축 강도"라는 용어는 건물 및 기타 구조물을 설계할 때 엔지니어가 사용하는 가장 일반적인 성능 단위이다. 압축 강도는 압축 시험기에서 원통형 콘크리트 시편을 파괴하여 측정한다. 압축 강도는 하중을 견디는 단면적으로 나눈 파손 하중에서 계산되며 미국 관습 단위의 psi(pound-force per square inch) 또는 SI 단위의 Mpa(megapascals) 단위로 보고된다.
아래에서 언급되는 용어 포졸란 물질은 당업계에서 이해되는 바와 같이 물의 존재하에 결합 능력을 갖는 물질을 의미한다는 점에 유의해야 한다.
본 명세서에 제공된 모드 평균 입자 직경은 PSD 분석에서 얻은 입자 주파수 분포 곡선의 피크인 것으로 이해된다. 간단히 말해서 모드(mode)는 입자 주파수 분포 곡선에서 볼 수 있는 가장 높은 피크이다. 상기 모드는 입자 주파수 분포 곡선에서 가장 일반적으로 발견되는 입자 크기(또는 크기 범위)를 나타낸다.
본 명세서에서 가장 작은 미세 응집체 모드 평균 입자 직경(smallest fine aggregate mode average particle diameter)은 원료 건축 재료에 존재하는 가장 작은 미세 입자의 모드 평균 입자 직경으로 지칭된다. 따라서 가장 작은 미세 골재 모드 평균 입자 직경은 격자 공극 충전제(lattice void filler)가 원료 건축 재료의 가장 작은 입자라는 명확한 아이디어를 제공한다.
또한, 입자 크기 분포(particle-size distribution, PSD) 분석은 본 명세서에서 주어진 원료 건축 재료에 존재하는 다양한 입자 크기 범위의 비율/분포에 대한 수학적 표현으로 지칭된다. 일반적으로 부피, 면적, 길이 및 수량은 원료 건축 재료에 존재하는 입자량을 결정하기 위한 표준 치수로 사용된다. 그러나 원료 건축 재료의 부피는 주어진 원료 건축 재료에 존재하는 다양한 입자 크기 범위의 비율을 알아내는 가장 쉬운 치수 및/또는 방법으로 간주된다.
포졸란 물질은 시멘트 분획을 대체하기 위해 콘크리트 혼합물의 일부로 추가된다. 이러한 재료는 시멘트와 같은 결합 특성이 없지만 매우 미세한 수준으로 연마되면 포졸란이 콘크리트의 수산화칼슘 및 물과 반응하기 시작한다. 그러나 이 반응은 매우 느린 과정이며 콘크리트 설정의 후반 단계에서만 볼 수 있다. 상대적으로 크기가 더 큰 입자와 수경 물질의 1차 수화에 의해 방출되는 사용 가능한 Ca(OH)2 상의 활용 가능성이 적기 때문에, 이것은 시멘트의 초기 경화 단계에서 많은 비율의 포졸란 물질이 비활성 상태로 남아 있음을 의미한다. 따라서 포졸란 물질의 특성이 미사용 상태로 남아 있기 때문에 콘크리트 혼합물에 사용되는 시멘트의 비율도 증가한다.
본 발명은 콘크리트 혼합물의 포졸란 성분의 특성을 가장 잘 활용하기 위해 콘크리트의 기계적-화학적 변형(mechano-chemical modification)을 채택함으로써 이 문제에 대한 해결책을 제공한다. 본 발명에 개시된 조성물 및 공정은 더 적은 양의 시멘트를 사용하여 콘크리트 바인더 혼합물의 초기 강도 특성을 향상시키는데 도움을 준다. 따라서 비용 효율적이고 환경 친화적이며 기계 화학적 변형 없이 콘크리트에 비해 우수한 특성을 갖는 장점이 있다.
본 발명은 수경 물질 성분(hydraulic material component), 포졸란 성분 및 포졸란 활성화제를 포함하는 특정 조성을 포함하는 조성물을 제시하고, 따라서 그라데이션 공정을 통해 포졸란 성분을 특정 입자 크기로 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 다음을 포함하는 조작된 콘크리트 바인더 조성물이 제공된다: 선택적으로 포졸란 물질과 함께 수경 물질을 포함하는 시멘트질(cementitious) 물질의 제1세트; 및 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트, 상기 시멘트질 물질의 제2세트는 상기 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에서, 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 3000 내지 4000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도(Blaine's fineness) 및 70 내지 80 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS, mode average particle size)를 갖는 제1세트의 시멘트질 물질을 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 3000-3500 cm2/gm, 3500-4000 cm2/gm, 3000-3200 cm2/gm, 3200-3400 cm2/gm, 3200-3800 cm2/gm, 또는 3800-4000 cm2/gm 중 적어도 하나의 범위에 있는 블레인의 섬도를 갖는 시멘트질 물질의 제1세트를 포함한다. 또한 조작된 콘크리트 바인더의 시멘트질 물질의 제1세트는 70-80 마이크론, 75-80 마이크론, 70-75 마이크론, 또는 72-80 마이크론 중 적어도 하나의 범위에서 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함한다.
본 발명의 추가 실시예에서, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 10000 내지 15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20 내지 30 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 갖는 시멘트질 물질의 제2세트를 포함한다. 상기 제2세트의 시멘트질 물질은 10000-12000 cm2/gm, 12000-15000 cm2/gm, 또는 13000-15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20-25 마이크론, 25-20 마이크론, 22-28 마이크론 또는 24-29 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 추가로 포함할 수 있다.
본 주제의 실시예에서, 본원에 기재된 바와 같은 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 70 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 30 중량%의 포졸란 활성화제 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트를 포함한다. 추가 실시예에서, 상기 시멘트질 물질의 제2세트는 75 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 25 중량%의 포졸란 활성화제; 80 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 20 중량%의 포졸란 활성화제 물질; 포졸란 물질 90 내지 97 중량% 및 포졸란 활성화제 물질 3 내지 10 중량%; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
시멘트질 물질의 제2세트는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 내지 1/5 범위의 모드 평균 입자 직경(D2)을 가질 수 있다. 또한, 일 실시예에서 포졸란 활성화제 물질의 모드 평균 입자 직경은 포졸란 물질의 모드 평균 입자 직경보다 작다.
추가로, 포졸란 물질은 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 24 내지 80 중량% 범위의 양으로 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 상기 조성물의 24-70 중량%, 24-50 중량%, 24-30 중량%, 또는 50-30% 중량% 범위의 양으로 포졸란 물질을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 포졸란 물질은 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재 물질(volcanic ash material), 석영 물질(quartz material), 폰드 애쉬(pond ash), 화학적으로 변형된 플라이 애쉬, 화학적으로 변형된 고로 슬래그, 화학적으로 변형된 석영 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 또한, 포졸란 물질은 바람직하게는 플라이 애쉬이다.
본 발명의 일 실시 예에서, 포졸란 활성화제 물질은 황산나트륨(sodium sulphate), 슬래그 모래(slag sand), 석회(lime) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 포졸란 활성화제 물질은 본 발명의 일 실시예에서 포졸란 물질의 외부 표면상의 코팅으로서 제공된다.
또한, 본 명세서에 개시된 바와 같은 콘크리트 바인더 조성물은 조성물의 20 내지 60 중량% 범위의 양으로 존재하는 수경 물질(hydraulic material)을 또한 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 콘크리트 바인더 조성물은 바인더 조성물의 20-30% 중량%, 20-40% 중량%, 20-50 중량%, 또는 30-60 중량% 범위의 양으로 상기 수경 물질을 포함한다.
추가적으로 본 주제의 일 실시예에서, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 포틀랜드 시멘트, 개질된 포틀랜드 시멘트 또는 메리슨리 시멘트(masonry cement), 분쇄된 과립화 고로 슬래그(ground granulated blast furnace slag), 수경 수화 석회(hydraulic hydrated lime), 백색 시멘트(white cement), 칼슘 알루미네이트 시멘트, 실리케이트 시멘트, 포스페이트 시멘트, 고-알루미나 시멘트, 마그네슘 옥시클로라이드 시멘트, 유정 시멘트(oil well cements) 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 수경 물질을 포함한다.
추가로, 본원에 기재된 바와 같은 조성물은 마이크로 실리카, 나노-실리카, 메타카올린, 탄소 나노 튜브(CNT) 기반 첨가제 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함한다.
따라서, 포졸란 물질이 시멘트질 물질의 제2세트를 포함하는 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 기계-화학적 활성화에 의해 얻어지며, 여기서 바인더는 분쇄 중에 공정에 도입된 화학 물질과 함께 볼 밀에서 지정된 기간 동안 분쇄된다. 이것은 화학 물질에 따른 포졸란의 일종의 인터-그라인딩(inter-grinding) 메커니즘이다. 포졸란 활성화제(예를 들어 황산나트륨-Na2SO4 또는 석회 또는 슬래그)를 추가하면 플라이 애시와 같은 포졸란 물질이 활성화되어 예를 들어 수산화칼슘과의 포졸란 반응을 유발하며, 상기 화학 물질은 플라이 애쉬/포졸란과 자체적으로 반응하도록 의도되지 않는다.
또한, 조작된 콘크리트 바인더 조성물을 얻기 위해 제1양(first amount)의 시멘트질 물질의 제1세트를 제2양(second amount)의 시멘트질 물질의 제2세트와 혼합하는 단계를 포함하는 엔지니어링 콘크리트 바인더 조성물의 제조 방법이 제공되며, 여기서, 시멘트질 물질의 제1세트는 선택적으로 포졸란 물질과 함께 수경 물질을 포함하고; 시멘트질 물질의 제2세트는 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질을 포함하고, 시멘트질 물질의 제2세트는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는다.
또한, 상기 방법은 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는 시멘트질 물질의 제2세트를 수득(obtaining)하는 단계를 포함한다. 따라서, 시멘트질 물질의 제2세트의 모드 평균 입자 직경은 PSD 곡선 분석 해석을 통해 결정된다. 다음, 상기 시멘트질 물질의 제2세트는 모드 평균 입자 직경(D2)이 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 내지 1/5 범위에 있을 때까지 제어된 방식으로 기계적 개질 공정(mechanical modification process)을 거진다.
상기 기계적 개질 공정에서 입자 크기는 원하는 힘과 에너지를 적용하여 필수(prerequisite) 입자 크기로 개질될 수 있다. 보다 구체적으로, 기계 적용과 관련된 임의의 공정을 통해 입자 크기를 원하는 크기 수준으로 개질하는 것은 예를 들어 그라인딩(grinding), 크러싱(crushing), 밀링(milling), 과열 증기를 사용한 증기 제트 밀링(steam jet milling with superheated steam), 전기력에 의한 입자 분해(particle breakdown by electrical force), 자력에 의한 입자 분해(particle breakdown by magnetic force)와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 재료 입자 크기를 원하는 크기 수준으로 수정하기 위한 기계 적용 사례로 간주되어야 한다.
예시적인 구현에서, 시멘트질 물질의 제1세트는 3000 내지 4000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 70 내지 80 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함한다. 또한, 시멘트질 물질의 제1세트는 3000-3500 cm2/gm, 3500-4000 cm2/gm, 3000-3200 cm2/gm, 3200-3400 cm2/gm, 3200-3800 cm2/gm 또는 3800-4000 cm2/gm 중 적어도 하나의 범위에서 블레인 섬도를 포함한다. 또한, 조작된 콘크리트 바인더의 시멘트질 물질의 제1세트는 70-80 마이크론, 75-80 마이크론, 70-75 마이크론 또는 72-80 마이크론 중 적어도 하나의 범위에서 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함한다.
본 명세서에 기재된 방법에서, 시멘트질 물질의 제2세트는 10000 내지 15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20 내지 30 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 포함한다. 추가로, 본 주제의 실시 양태에서 시멘트질 물질의 제2세트는 10000-12000 cm2/gm, 12000-15000 cm2/gm, 또는 13000-15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20-25 마이크론, 25-20 마이크론, 22-28 마이크론 또는 24-29 마이크론의 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 추가로 포함할 수 있다.
본 주제의 실시예에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 70 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 30 중량%의 포졸란 활성화제 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트를 포함한다. 추가 실시예에서는, 시멘트질 물질의 제2세트는 75 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 25 중량%의 포졸란 활성화제; 포졸란 물질 80 내지 97 중량% 및 포졸란 활성화제 물질 3 내지 20 중량%; 포졸란 물질 90 내지 97 중량% 및 포졸란 활성화제 물질 3 내지 10 중량% 중 적어도 하나를 포함 할 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 포졸란 물질은 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재 물질(volcanic ash material), 석영 물질(quartz material), 폰드 애쉬(pond ash), 화학적으로 변형된 플라이 애쉬, 화학적으로 변형된 고로 슬래그, 화학적으로 변형된 석영 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 또한, 포졸란 물질은 바람직하게는 플라이 애쉬이다.
추가로, 상기 포졸란 활성화제 물질은 황산나트륨(sodium sulphate), 슬래그 모래(slag sand), 석회(lime) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 포졸란 활성화제 물질은 본 발명의 일 실시예에서 포졸란 물질의 외부 표면상의 코팅으로서 제공된다.
일 실시예에서, 조작된 콘크리트 바인더 조성물은 상기 조성물의 20 내지 60 중량% 범위의 양으로 존재하는 수경 물질(hydraulic material)을 또한 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 콘크리트 바인더 조성물은 바인더 조성물의 20-30% 중량%, 20-40% 중량%, 20-50 중량%, 또는 30-60 중량% 범위의 양으로 상기 수경 물질을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수경 물질은 포틀랜드 시멘트, 개질된 포틀랜드 시멘트 또는 메리슨리 시멘트(masonry cement), 분쇄된 과립화 고로 슬래그(ground granulated blast furnace slag), 수경 수화 석회(hydraulic hydrated lime), 백색 시멘트(white cement), 칼슘 알루미네이트 시멘트, 실리케이트 시멘트, 포스페이트 시멘트, 고-알루미나 시멘트, 마그네슘 옥시클로라이드 시멘트, 유정 시멘트(oil well cements) 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
또한, 본 명세서에 개시된 방법은 마이크로 실리카, 나노-실리카, 메타카올린(metakaoline), 탄소 나노 튜브(CNT) 기반 첨가제 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함한다.
상기 조작된 바인더 콘크리트 조성물을 제조하기 위한 본 공정은 기계-화학적 개질 방법을 포함하고, 여기서 콘크리트 조성물의 초기 강도 특성이 현저하게 향상되고, 결과적으로 상기 조성물의 내구성 및 수명이 현저하게 개선된다. 본 조성물의 초기 강도 특성을 개시하기 위해, 본 명세서에 개시된 공정은 혼합물을 얻기 위해 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질을 혼합(mixing)하는 단계; 및 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하인 모드 평균 입자 직경(D2)을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트를 수득하기 위하여 상기 수득된 혼합물을 분쇄(grinding)하는 단계를 추가로 포함한다.
제2시멘트질 물질은 또한 포졸란 물질과 포졸란 활성화제 물질을 혼합함으로써 얻어질 수 있으며, 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질 모두는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경을 갖는다. 추가로, 시멘트질 물질의 제2세트는 포졸란 물질의 외부 표면에 포졸란 활성화제 물질의 코팅을 제공함으로써 얻을 수 있다.
주제가 특정 바람직한 실시 예를 참조하여 상당히 상세하게 설명되었지만, 다른 실시 예가 가능하다. 본 개시는 본 개시의 범위에 대한 임의의 제한을 암시하는 것으로 제한적으로 취하도록 의도되지 않고 개시의 동작을 예시하기 위한 것으로 의도된 작업 실시 예와 함께 예시될 것이다. 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기재된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 물질이 개시된 방법 및 조성물의 실행에 사용될 수 있지만, 예시적인 방법, 장치 및 물질이 본원에 기재된다. 본 개시 내용은 특정 방법 및 기술된 실험 조건에 제한되지 않으며, 그러한 방법 및 조건은 다양할 수 있음을 이해해야 한다.
예시적인 실시예에서, 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 기계-화학적 변형은 수경 물질 PCE/PCP, 석회(lime), 슬래그 모래(slag sand) 및 포졸란 물질 플라이 애시 및 포졸란 활성화제 황산나트륨(sodium sulphate)을 사용하여 수행된다. 상기 물질은 2시간 동안 40 RPM에서 분쇄된다. 각 분획에 대한 입자 크기는 PCE/PCP를 포함하는 수경 물질(hydraulic material)이 3000 ~ 4000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도(Blaine's fineness) 및 70 ~ 80 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 갖도록 결정된다. 상기 포졸란 물질 및 활성화제를 포함하는 분획은 10000 내지 15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20 내지 30 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 갖는다. 그런 다음 큐브로 주조한 다음 1, 3, 7, 14, 28 및 56일 동안 강도와 내구성을 테스트했다.
예시적인 실시예에서, 수경 물질, 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제의 비율은 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물로 주조된 각 샘플 큐브에서 다양하다. 예를 들어, 하나의 큐브는 포졸란 활성화제가 없는 50% 수경 물질 및 50% 포졸란 질을 포함할 수 있는 반면, 다른 큐브는 50% 수경 물질 및 50% 포졸란 유도체(derivatives)를 포함할 수 있고, 상기 포졸란 유도체는 96% 포졸란 물질 및 3% 포졸란 활성화제를 포함할 수 있다. 이는 표 1 및 표 2에 설명되어 있으며, 여기서 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 조성은 다양하다. 예를 들어, 대조군(control) 조성물은 주로 포졸란 플라이 애시 및 OPC를 함유하지만 포졸란 활성화제 물질인 황산나트륨을 함유하지 않는다. 조성물 CA1-CA4는 다른 성분과 함께 다양한 비율로 플라이 애시, 황산나트륨을 함유할 수 있으며 또한 표 1에 예시된 바와 같이 다양한 비율의 OPC를 함유할 수 있다. 그런 다음 모든 조성물을 침투성(penetration) 및 반죽 질기(consistency)에 대해 테스트하고 표 2에 표시된 대로 강도를 주기적으로 테스트한다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
표 2에서 볼 수 있듯이, 상기 혼합물의 반죽 질기(consistency)는 포졸란 활성화제 물질을 첨가했음에도 변하지 않으며, 이 경우 반죽 질기는 힘의 감소/증가에 영향을 미치지 않는다는 핵심 성과 지표이다. 흥미롭게도 테스트(CA) 샘플과 대조군의 초기 강도 특성(early strength properties)에 상당한 차이가 있다. 1일, 특히 3일과 7일에 테스트 샘플의 강도 특성은 대조군 샘플보다 훨씬 높다(표 2, 열 6, 7, 8). 예를 들어, 대조군 1을 50% OPC 및 50% CA를 포함하는 CA-1 50과 비교하면, CA1-50은 7일까지 25.16 Mpa 압축 강도를 나타내는 반면, 대조군 1은 17.69 Mpa 강도만 나타낸다. 이것은 대조군 샘플 1에 비해 CA1-50의 초기 강도 특성이 42.2% 증가했음을 나타낸다.
상기 실시 예에서 입증된 바와 같이, 본 콘크리트 바인더 조성물 및 이를 제조하는 과정은 광범위한 실험을 거쳐 얻어졌다. 다양한 성분의 특정 입자 크기와 포졸란 및 포졸란 활성화제의 특정 화학 성분을 갖는 상기 바인더 조성물은 과도한 실험 및 관찰 없이 도달하지 않았다. 정의된 모드 평균 입자 직경을 갖는 이 연속적인 일련의 다양한 입자 크기는 다양한 기계적 입자 크기 수정 공정을 통해 달성된다. 연속적인 일련의 상이한 모드 평균 입자 직경을 갖는 상이한 입자 크기의 이러한 최적화는 마이크로에서 나노 레벨에 이르는 입자 격자 구조의 격자 공극의 컴팩트한 충전제를 제공한다. 이 혼합물은 입자 격자 구조의 최대 공극을 채우기 위한 완벽한 입자 화학을 제공하고 콘크리트 재료의 초기 설정 및 후자의 설정과 관련된 화학을 개선한다.
또한, 콘크리트 조성의 화학적 개질은 미세 입자 크기에 따른 특성을 향상시키고, 여기서 황산나트륨과 같은 활성화제는 플라이 애쉬와 같은 포졸란 물질과 1차 수화 과정으로 인해 방출된 Ca(OH)2 상과의 반응을 시작하여 경화 후 1일 이내에 콘크리트 조성물의 초기 강도를 향상시킨다.
따라서, 본 명세서에 기술된 콘크리트 조성물의 기계적 개질 외에도 특정 포졸란 활성화제를 사용한 화학적 개질은 포졸란과 Ca(OH)2 상 간의 반응이 조기에 일어나고 콘크리트 조성물의 조기 경화가 시작되도록 보장한다. 이것은 기계적인 수정으로만 가능하지 않으며, 초기 설정 속성을 표시하지 않는 컨트롤 샘플에서 증명된다.
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 (28)

  1. 선택적으로 포졸란 물질과 함께 수경성 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제1세트; 및
    포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트를 포함하고,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는 상기 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제1세트는 3000 ~ 4000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 70 ~ 80 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 갖는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는 10000 ~ 15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20 ~ 30 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 갖는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는 70 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 30 중량%의 포졸란 활성화제 물질을 포함하는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포졸란 활성화제 물질은 황산나트륨(sodium sulphate), 슬래그 모래(slag sand), 석회(lime) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수경 물질은 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 20 내지 60 중량% 범위의 양으로 존재하는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포졸란 물질은 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 24 내지 80 중량% 범위의 양으로 존재하는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포졸란 물질은 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재 물질(volcanic ash material), 석영 물질(quartz material), 폰드 애쉬(pond ash), 화학적으로 변형된 플라이 애쉬, 화학적으로 변형된 고로 슬래그, 화학적으로 변형된 석영 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수경 물질은 포틀랜드 시멘트, 개질된 포틀랜드 시멘트 또는 메리슨리 시멘트(masonry cement), 분쇄된 과립화 고로 슬래그(ground granulated blast furnace slag), 수경 수화 석회(hydraulic hydrated lime), 백색 시멘트(white cement), 칼슘 알루미네이트 시멘트, 실리케이트 시멘트, 포스페이트 시멘트, 고-알루미나 시멘트, 마그네슘 옥시클로라이드 시멘트, 유정 시멘트(oil well cements) 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    마이크로 실리카, 나노-실리카, 메타카올린, 탄소 나노 튜브(CNT) 기반 첨가제 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 내지 1/5 범위의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 포졸란 활성화제 물질은 상기 포졸란 물질의 외부 표면에 코팅으로 제공되는, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 포졸란 활성화제 물질의 모드 평균 입자 직경은 상기 포졸란 물질의 모드 평균 입자 직경보다 작은, 조작된 콘크리트 바인더 조성물.
  14. 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 제조 공정으로, 상기 공정은
    제1양(first amount)의 시멘트질 물질의 제1세트를 제2양(second amount)의 시멘트질 물질의 제2세트와 혼합하는 단계를 포함하고,
    여기서 상기 시멘트질 물질의 제1세트는 선택적으로 포졸란 물질과 함께 수경 물질을 포함하고;
    시멘트질 물질의 제2세트는 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질을 포함하고, 시멘트질 물질의 제2세트는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는, 공정.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제1세트는 3000 ~ 4000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 70 ~ 80 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 갖는, 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는 10000 ~ 15000 cm2/gm 범위의 블레인 섬도 및 20 ~ 30 마이크론 범위의 모드 평균 입자 크기(MAPS)를 갖는, 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는 40 내지 97 중량%의 포졸란 물질 및 3 내지 30 중량%의 포졸란 활성화제 물질을 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 포졸란 활성화제 물질은 황산나트륨(sodium sulphate), 슬래그 모래(slag sand), 석회(lime) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 수경 물질은 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 20 내지 60 중량% 범위의 양으로 존재하는, 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 포졸란 물질은 상기 조작된 콘크리트 바인더 조성물의 24 내지 80 중량% 범위의 양으로 존재하는, 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 포졸란 물질은 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 화산재 물질(volcanic ash material), 석영 물질(quartz material), 폰드 애쉬(pond ash), 화학적으로 변형된 플라이 애쉬, 화학적으로 변형된 고로 슬래그, 화학적으로 변형된 석영 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 수경 물질은 포틀랜드 시멘트, 개질된 포틀랜드 시멘트 또는 메리슨리 시멘트(masonry cement), 분쇄된 과립화 고로 슬래그(ground granulated blast furnace slag), 수경 수화 석회(hydraulic hydrated lime), 백색 시멘트(white cement), 칼슘 알루미네이트 시멘트, 실리케이트 시멘트, 포스페이트 시멘트, 고-알루미나 시멘트, 마그네슘 옥시클로라이드 시멘트, 유정 시멘트(oil well cements) 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  23. 제14항에 있어서,
    마이크로 실리카, 나노-실리카, 메타카올린, 탄소 나노 튜브(CNT) 기반 첨가제 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는, 방법.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 내지 1/5 범위의 모드 평균 입자 직경(D2)을 갖는, 방법.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는
    - 혼합물을 얻기 위해 포졸란 물질과 포졸란 활성화제 물질을 혼합(mixing)하는 단계;및
    - 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하인 모드 평균 입자 직경(D2)을 포함하는 시멘트질 물질의 제2세트를 수득하기 위하여 상기 수득된 혼합물을 분쇄(grinding)하는 단계에 의하여 수득되는, 방법.
  26. 제14항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는
    - 포졸란 물질과 포졸란 활성화제 물질을 혼합하는 단계에 의하여 수득되고,
    상기 포졸란 물질 및 포졸란 활성화제 물질 모두는 시멘트질 물질의 제1세트의 모드 평균 입자 직경(D1)의 1/3 이하의 모드 평균 입자 직경을 갖는, 방법.
  27. 제14항에 있어서,
    상기 시멘트질 물질의 제2세트는
    - 포졸란 물질의 외부 표면에 포졸란 활성 물질의 코팅을 제공하는 단계에 의하여 수득되는, 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 포졸란 활성화제 물질의 모드 평균 입자 직경은 상기 포졸란 물질의 모드 평균 입자 직경보다 작은, 방법.
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