KR20210152512A - 시멘트 매트릭스 보강용 코팅된 강철 섬유 - Google Patents

Abstract

시멘트 매트릭스의 보강을 위해 구성된 강철 섬유에 아연 알루미늄 합금 코팅이 제공된다. 알루미늄의 양은 0.05 wt% 내지 0.5 wt% 범위이다. 코팅의 나머지는 아연과 불가피한 불순물이다. 소량의 알루미늄은 합금 층의 성장을 지연시키고 표면에 갈색 녹 얼룩의 출현을 지연시킨다.

Description

시멘트 매트릭스 보강용 코팅된 강철 섬유

본 발명은 시멘트 매트릭스 보강용 코팅된 강철 섬유에 관한 것이다.

강철 섬유는 콘크리트 또는 모르타르와 같은 시멘트 매트릭스를 보강하는 것으로 알려져 있다.

콘크리트 또는 모르타르의 알칼리 특성으로 인해, 이들 강철 섬유의 부식 보호는 많은 경우에 필요하지 않다. 그러나, 강철 섬유가 보강 시멘트 매트릭스의 표면에 가깝거나 강철 섬유가 시멘트 매트릭스에 혼합되기 전에 기상 조건에 노출되는 일부 다른 경우에, 부식의 문제가 있을 수 있다.

WO-A1-2006/067095호는 시멘트 매트릭스의 보강을 위한 아연 코팅된 강철 섬유와 같은 아연 코팅된 금속 요소를 개시하고 있다. 수소 가스의 발생을 억제하기 위해, 이미다졸, 트리아졸 및 테트라졸의 그룹으로부터 선택된 화합물이 아연 코팅된 금속 요소와 시멘트 매트릭스의 계면에 존재한다.

강철 섬유에 아연 코팅이 존재함에도 불구하고, 일부 아연 코팅된 강철 섬유는 표면에서 약간의 녹슨 양상을 보인다. 이 녹은 아연 코팅의 열화를 나타낸다. 아연 코팅은 잘 부서지고 박리되어, 강철 섬유의 단부에 냉간 가공된 고정 장치를 제공하게 될 때 불리하다. 또한, 취성 아연 코팅은 수명이 제한되고 부식에 대한 보호 능력이 떨어진다.

본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술의 단점을 피하는 것이다.

본 발명의 특별한 목적은 코팅된 강철 섬유의 표면에서 녹 형성을 피하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 시멘트 매트릭스와 양호한 양립성을 갖는 코팅을 갖는 강철 섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 허용 가능한 접착력 및 허용 가능한 중심도를 갖는 코팅을 갖는 강철 섬유를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 시멘트 매트릭스의 보강을 위한 강철 섬유가 제공되며, 강철 섬유에는 아연 알루미늄 합금 코팅이 제공되고, 코팅의 알루미늄의 양은 0.05 wt% 내지 0.5 wt%, 예를 들어 0.10 wt% 내지 0.50 wt% 범위이고, 코팅의 나머지는 아연 및 불가피한 불순물이다.

바람직하게는, 코팅을 갖는 강철 섬유는 단부 인발되며, 이는 코팅이 두꺼운 중간 직경을 갖는 강철 와이어에 적용된다는 것을 의미한다. 그 후, 이에 따라 코팅된 강철 와이어는 최종 직경까지 인발된다.

가장 바람직하게는, 강철 섬유는 강철 코어, 아연 알루미늄 합금 코팅, 및 강철 코어와 아연 알루미늄 코팅 사이에 Fe₂Al₅를 갖는 금속간 층을 갖는다. 금속간 층의 두께는 1 마이크로미터 미만, 예를 들어 0.5 마이크로미터 미만, 예를 들어 0.25 마이크로미터 미만이다.

표준 아연 코팅(아연 및 불가피한 불순물만 포함)의 경우, 강철 와이어 또는 강철 섬유가 가열될 때 철이 코팅 내로 확산된다. 이 가열은 전체 강철 와이어에 걸쳐 발생하거나 제한된 지점에서만 국소로 발생할 수 있다. 가열은 인발 작업 중에 부적절한 냉각 또는 아연 코팅된 강철 와이어 또는 강철 섬유에 적용된 열처리의 결과일 수 있다.

알루미늄이 0.05 wt% 내지 0.50 wt% 범위인 아연 알루미늄 합금 코팅의 경우, 매우 얇은 금속간 층 Fe₂Al₅이 형성되어 철 확산을 지연시킨다. 철이 아연으로 확산되는 온도가 420℃에서 600℃로 증가되었다.

0.05 wt% 미만의 알루미늄 함량은 본 발명의 완전한 이점을 제공하지 않으며 그 결과 표준 아연 코팅과 더 동등한 코팅을 초래한다. 알루미늄 함량이 0.5 wt%보다 크면 알루미늄이 아연보다 더 강성인 원소이기 때문에 인발 가공성이 감소될 수 있고 알루미늄 함량이 0.5 wt%보다 크면 시멘트 매트릭스에서 수소 형성 위험이 증가될 수 있다.

알루미늄 함량이 0.05 wt% 내지 0.5 wt% 범위인 아연 알루미늄 합금 코팅을 갖는 강철 와이어의 개선된 인발 가공성은 더 빠른 인발 속도, 더 낮은 와이어 분율 또는 더 낮은 다이 마모, 또는 이들 요인의 조합을 초래한다. 알루미늄은 아연보다 더 강성인 원소이지만 그 함량이 0.5 wt% 미만인 경우, 알루미늄이 인발 가공성에 미치는 부정적인 영향은 최소화된다.

일부 경우에, 알루미늄 함량이 0.05 wt% 내지 0.5 wt% 범위인 아연 알루미늄 합금 코팅을 갖는 강철 와이어는 심지어 순수한 아연 코팅을 갖는 강철 와이어의 인발 가공성보다 더 나은 인발 가공성을 나타낼 수 있다. 이는 특히 낮은 코팅 중량의 경우이다. 코팅 중량이 낮고 코팅의 중심도가 열악한 경우, 순수한 아연 코팅의 경우에 상대적으로 두꺼운 아연 강철 합금 층이 표면에 나타날 가능성이 더 크다. 이는 매우 부서지기 쉬운 합금 층이며 표면에서 그 외관은 와이어 파단 위험을 증가시킬 것이다. 알루미늄 함량이 0.05 wt% 내지 0.5 wt% 범위인 아연 알루미늄 합금 코팅의 경우, 합금 층이 매우 얇아 코팅의 중심도가 열악한 경우에도 표면에 나타날 가능성이 훨씬 적다.

아연 알루미늄 합금 코팅은 바람직하게는 25g/m²초과, 예를 들어 30g/m²초과인 양으로 강철 섬유 상에 존재한다. 코팅 중량이 25g/m²미만인 경우, 내식성이 적절하게 충분하지 않을 수 있다.

강철 섬유는 바람직하게는 40 내지 100 범위의 길이 대 직경 비율 L/D를 갖는다. L/D 비율이 40 미만인 경우, 강철 섬유의 보강 효과가 충분하지 않다. 강철 섬유의 L/D 비율이 100보다 큰 경우, 강철 섬유를 콘크리트에 혼합할 때 문제가 발생할 위험이 커진다. 통상적인 섬유 직경은 0.40 mm 내지 1.20 mm, 예를 들어 0.50 mm 내지 1.10 mm 범위이다. 통상적인 섬유 길이는 25 mm 내지 100 mm, 예를 들어 30 mm 내지 80 mm 범위이다.

강철 섬유는 저탄소 또는 바람직하게는 고탄소강 조성을 가질 수 있다.

고탄소강 조성의 경우, 강철 섬유는 바람직하게는 1000 MPa 초과, 예를 들어 1350 MPa 초과, 예를 들어 1400 MPa 초과, 예를 들어 1600 MPa 초과의 인장 강도를 갖는다.

강철 섬유에는 바람직하게는 냉간 변형에 의해 형성된 고정 장치가 제공된다. 이들 고정 장치의 예로는 파형부, 굴곡부, 일반적으로 단면의 변화, 특히 네일 헤드가 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 강철 섬유는 고정 장치 사이의 중간부를 갖고 중간부는 4% 초과, 예를 들어 5% 초과인 최대 하중 A_g+e에서의 연신율을 갖는다. 최대 하중 A_g+e에서의 이 연신율은 표준 하중 연신율 테스트를 통해 측정될 수 있다.

강철 섬유에 파단 및 최대 하중에서 높은 연신율을 부여하기 위해, 이렇게 인발된 와이어는, 예를 들어 통과하는 와이어의 속도에 맞게 조절된 길이의 고주파 또는 중주파 유도 코일을 통해 와이어를 통과시킴으로써 응력 제거 처리를 받을 수 있다. 소정의 일정 기간 동안 약 300℃의 온도에서 열처리하면 파단 연신율 및 최대 하중에서의 연신율을 증가시키지 않고 인장 강도를 약 10% 감소시킨다는 것이 관찰되었다. 그러나, 온도를 400℃ 초과로 약간 증가시킴으로써, 인장 강도의 추가 감소가 관찰되고 동시에 파단 연신율의 증가와 최대 하중에서의 연신율 증가가 관찰된다.

시멘트 매트릭스로의 혼합성을 개선하고 볼링(balling)을 방지하기 위해, 강철 섬유는 접착제에 이미다졸, 트리아졸 및/또는 테트라졸이 존재하는 수용성 접착제에 의해 함께 결속된 번들 형태로 존재할 수 있다.

본 발명에 따른 강철 섬유는 시멘트, 모르타르 또는 고성능 콘크리트와 같은 모든 유형의 시멘트 매트릭스를 보강하도록 구성된다.

본 발명에 따른 강철 섬유는 일반 강도 콘크리트, 즉, EN206에서 정의된 C100/115 강도 등급의 콘크리트 강도 이하의 강도를 갖는 콘크리트를 보강하는 데 특히 적합하다. 고성능 콘크리트는 C100/115 강도 등급의 콘크리트 강도보다 높은 강도를 갖는다.

본 발명에 따른 강철 섬유는 프리캐스트 콘크리트 요소를 보강하는 데 특히 적합하다.

일반 강도 콘크리트를 보강하는 통상적인 용량은 20 kg/m³내지 40 kg/m³범위이다. 고성능 콘크리트를 보강하기 위한 통상적인 용량은 75 kg/m³초과 내지 300 kg/m³범위일 수 있다.

본 발명에 따른 강철 섬유는 다음과 같은 방법을 따라 제조될 수 있다.

출발 제품은 5.5 mm 또는 6.5 mm의 직경을 갖는 강철 와이어 로드이며 다음과 같은 강철 조성: 0.35 wt%의 최소 탄소 함량, 0.40 wt% 내지 0.70 wt% 범위의 망간 함량, 0.15 wt% 내지 0.30 wt% 범위의 실리콘 함량, 0.05 wt%의 최대 황 함량, 0.05 wt%의 최대 인 함량을 갖는다. 가능한 미량의 크롬, 니켈 또는 구리가 최대 0.20 wt%로 존재할 수 있다.

강철 와이어 로드는 중간 직경이 1.5 mm 내지 3.5 mm 범위인 반제품 강철 와이어가 될 때까지 건식 인발된다.

이렇게 인발된 강철 와이어에는 코팅에 0.2 wt%의 알루미늄을 갖는 아연 알루미늄 합금의 금속 코팅이 제공된다. 이러한 코팅 작업은 바람직하게는 강철 와이어가 용융 아연 알루미늄 합금의 배스를 통과하는 용융 도금 프로세스에 의해 수행된다. 반제품 강철 와이어의 코팅 중량은 70 g/m²내지 200 g/m²범위이다.

이렇게 코팅된 반제품 강철 와이어는 직경이 1.0 mm 미만인 강철 와이어가 될 때까지 건식 인발된다. 최종 강철 와이어의 코팅 중량은 20 g/m²초과, 바람직하게는 30g/m²초과이다. 인발된 강철 와이어의 인장 강도는 주로 최종 압하량과 강철 조성의 탄소 함량에 따라 1200 MPa 내지 2700 MPa 범위일 수 있다. 강철 와이어의 표면은 아연 합금 코팅의 일반적인 외관과 달리 녹이나 착색이 나타나지 않는다.

광학 현미경을 사용한 분석에 따르면 50 nm(나노미터) 내지 150 nm 범위의 두께를 갖는 매우 얇은 금속간 Fe₂Al₅ 층의 존재가 나타난다.

강철 와이어에 대해 수행된 전통적인 랩핑 테스트에 따르면 아연 합금 코팅의 박리가 나타나지 않으며, 이는 매우 얇은 금속간 층에도 불구하고 접착력이 양호함을 의미한다.

코팅 중심도를 측정한 결과 5% 내지 30% 범위의 값이 나타나며, 이는 다소 낮은 값이지만 여전히 허용 가능한 범위 내에 있다. 금속간 층의 부재 또는 매우 얇은 금속간 층이 특히 약 30 kg/m²의 낮은 코팅 중량에서 중심도에 부정적인 영향을 미친다는 것이 일반적으로 알려져 있기 때문에 이러한 더 낮은 값이 예상되었다.

최대 하중 A_g+e에서의 연신율을 4% 초과, 예를 들어 5% 초과로 증가시키기 위해, 420℃ 내지 450℃ 범위의 온도에서 몇 초 동안 강철 와이어에 응력 제거 처리가 적용된다. 이 응력 제거 온도는 순수한 아연 코팅(단지 400℃-410℃)의 경우보다 높다. 이 더 높은 온도에도 불구하고, 부식 환경에 노출되었을 때 Zn0.2Al 코팅을 갖는 강철 와이어의 표면에 갈색 녹 반점이 발견되지 않았다.

이는 순수한 아연 코팅을 갖는 강철 와이어와 대조된다. 순수한 아연 코팅의 경우, 철 아연 합금 층은 응력 제거 동안 심지어 코팅 표면까지 빠르게 성장한다. 따라서, 철은 아연 코팅의 상단 층에 존재한다. 부식 환경에 짧은 노출 후, 아연의 풍부한 존재 및 갈바닉 보호에도 불구하고 갈색 녹 얼룩이 나타난다.

그 후, 코팅되고 응력 제거된 강철 와이어를 절단하고 구부려 단부에 굴곡부가 제공된 여러 강철 섬유를 만든다. 굴곡부 형태의 고정 장치의 예는 US-A-3,900,667호, EP-B1-0 851 957호, EP-B1-2 652 221호, 및 EP-B1-2 652 222호에 개시되어 있다.

절단하고 구부리기 전에, US-A-4,284,667호에 따라 스트립을 형성하기 위해 강철 와이어를 수용성 접착제로 함께 결속할 수 있다. WO-A1-2006/067095호의 교시에 따르면, 벤즈이미다졸이 수소 가스의 발생을 방지하기 위해 접착제에 첨가된다.

3점 굴곡 테스트

본 발명에 따라 새로 코팅된 강철 섬유와 콘크리트의 양립성을 확인하기 위해, 표준 EN14651에 따라 표준 3점 굴곡 테스트를 수행하였다. 치수가 150 mm x 150 mm x 600 mm이고 C35/45 콘크리트로 제조된 빔은 아연 0.2 wt% 알루미늄 코팅을 갖는 강철 섬유로 보강되었으며 EP-B1-2 652 222호에 따라 굴곡부가 제공된다. 세 가지 상이한 용량의 강철 섬유에 대해 테스트가 수행되었다.

다음 파라미터가 계산되었다:

비례 한계 f_L = 3/2 × F_L × ℓ/(bxh²)

F_L = 0 내지 0.05 mm 편향 사이 최대 하중

잔류 굴곡 강도 f_R,1

CMOD = 0.5 mm

편향 = 0.47 mm

잔류 굴곡 강도 f_R,2

CMOD = 1.5 mm

편향 = 1.32 mm

잔류 굴곡 강도 f_R,3

CMOD = 2.5 mm

편향 = 2.17 mm

잔류 굴곡 강도 f_R,4

CMOD = 3.5 mm

편향 = 3.02 mm

f_R,i = 3/2 × F_R,i × ℓ/(bxh²)

F_R,i = 대응 CMOD 또는 편향에서의 하중

아래의 표는 결과를 요약한 것이다. 언급된 값은 5-6개의 테스트의 평균 값이다.

위의 결과는 동일한 기하형상과 조성을 갖지만 표준 100% 아연 코팅을 갖는 강철 섬유로부터 획득한 결과와 비교하였다. 약간의 차이가 있지만 이러한 차이는 허용 가능한 표준 범위 내에 있다.

패시베이션 테스트

다음과 같은 표준 콘크리트 조성을 갖는 얇은 테스트 판을 제조하였다:

- 400 kg/m³의 CEM I 45.5 R HES;

- 1200 kg/m³의 강모래 0/4;

- 200 kg/m³의 분쇄된 석회석 4/7.

28 g/m², 33 g/m² 및 40 g/m²의 다양한 코팅 두께로 3개의 테스트 판을 제조하였다.

다수의 본 발명의 강철 섬유를 콘크리트로 채우기 전에 각각의 몰드의 바닥에 배치한다. 샘플을 30초 동안 진동시키고 습한 환경에서 경화시킨 후 탈형한다. 경화 시간 이후, 각각의 샘플의 바닥을 검사한다. 테스트 판 중 어느 것도 수소의 형성을 나타내지 않았다.

Claims (8)

1. 시멘트 매트릭스의 보강을 위해 구성된 강철 섬유이며,
   상기 강철 섬유에는 아연 알루미늄 합금 코팅이 제공되고,
   아연 알루미늄 합금 코팅에서 알루미늄의 양은 0.05 wt% 내지 0.5 wt% 범위이며,
   코팅의 나머지는 아연과 불가피한 불순물인, 강철 섬유.
2. 제1항에 있어서,
   코팅을 갖는 상기 강철 섬유는 단부 인발된, 강철 섬유.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 강철 섬유는 강철 코어, 아연 알루미늄 합금 코팅, 및 상기 강철 코어와 상기 아연 알루미늄 코팅 사이에 Fe₂Al₅를 갖는 금속간 층을 갖고, 상기 금속간 층은 1 마이크로미터보다 작은 두께를 갖는, 강철 섬유.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 아연 알루미늄 합금 코팅은 25 g/m² 초과의 양으로 존재하는, 강철 섬유.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 강철 섬유는 40 내지 100 범위의 길이 대 직경 비율 L/D를 갖는, 강철 섬유.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 강철 섬유에는 파형부, 굴곡부, 네일 헤드와 같은 냉간 변형에 의해 형성된 고정 장치가 제공되는, 강철 섬유.
7. 제6항에 있어서,
   상기 강철 섬유는 상기 고정 장치 사이에 중간부를 갖고,
   상기 중간부는 4%보다 큰 최대 하중 A_g+e에서의 연신율을 갖는, 강철 섬유.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 강철 섬유의 번들이며,
   상기 강철 섬유의 번들은 수용성 접착제에 의해 함께 접착되며, 상기 접착제에 이미다졸, 트리아졸 또는 테트라졸이 존재하는, 강철 섬유의 번들.