KR20230110789A - 콘크리트, 특히 초기 강도가 높은 콘크리트를 생산하는장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

콘크리트를 생산하기 위한 장치(1)는 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다.
i 시멘트 현탁액(cement suspension)을 혼합하기 위한 시멘트 프리믹서(cement premixer)(3), 여기서, 시멘트 프리믹서(cement premixer)(3)는 시멘트 현탁액을 제조하기 위한 적어도 하나의 초음파 발생기, 특히 초음파 프로브(6)를 구비하는 것을 특징으로 하는 시멘트 프리믹서(cement premixer)(3)
ii 콘크리트의 초기 강도를 증가시키기 위한 적어도 제1 결정화 탱크(crystallization tank)(4 또는 5), 특히 제1 결정화 탱크(first crystallization tank)(4 또는 5)를 갖는 결정화 탱크 배열(crystallization tank arrangement), 및
iii 특히 골재(aggregate)(206-208)를 첨가하여 미리 혼합된 시멘트 현탁액으로부터 콘크리트 혼합물(concrete mixture)을 생산하기 위한 콘크리트 믹서(concrete mixer)(201), 및
콘크리트를 생산하는 방법.

Description

콘크리트, 특히 초기 강도가 높은 콘크리트를 생산하는 장치 및 방법
본 발명은 콘크리트, 특히 초기 강도가 높은 콘크리트를 생산하기 위한 장치 및 이에 대응하는 콘크리트 생산 방법에 관한 것이다.
콘크리트 구성의 중요한 매개 변수는 초기 강도이다. 콘크리트의 초기 강도를 높이기 위한 옵션에는 열처리와 같은 기존 공정(established process)이 포함된다. 가속 콘크리트 혼화제(admixture)의 사용 또는 시멘트 함량을 구조적으로 필요한 수준 이상으로 늘리거나 w/c 비율(시멘트에 대한 물의 비율)을 낮추는 등의 콘크리트 기술 방법이 있다. 그러나 이러한 변형(variant)은 종종 생산 비용이 크게 증가하여 시간 요소를 구입하는 절충안(compromise)이다. 또한, 초기 강도는 개선되었지만 변경된 조성으로 인해 전반적인 재료 특성(예: 수축 균열)에 바람직하지 않은(undesirable) 변화가 발생할 수도 있다.
DE 37 16 438 A1은 시멘트 프리믹서(cement premixer), 콘크리트 믹서(concrete mixer) 및 그 사이에 탱크(tank)가 배치된 장치를 설명한다. 이 경우 시멘트(cement)와 물을 혼합하여 시멘트 페이스트(cement paste)를 형성한다. 관례적으로(customary), 시멘트 페이스트를 임시로 보관했다가 콘크리트 생산을 위해 골재(aggregate)와 혼합한다.
시멘트 페이스트를 혼합할 때, (매우) 높은 w/c 비율에서 시멘트와 물을 정확하게 혼합할 수 있을 만큼 충분한 자유 수분(free water)이 있어야 한다는 문제점(obstacle)이 발생한다. 물의 상당 부분(large proportion)이 콘크리트 믹서(concrete mixer)에서 골재(aggregate)에 표면수(surface water)로 결합되는(bound) 경우가 많기 때문에 프리믹싱(premixing)에 이용할 수 있는 물의 양이 줄어든다. 중간 정도에서 낮은 w/c 비율(<0.50)에서는 고성능 가소제(high-performance plasticizer)를 사용해야만 시멘트 페이스트를 생산할 수 있다.
또한 물에 시멘트(cement)를 완전히 분산시키기 위해서는 높은 혼합 속도가 필요하다. 이는 E01 DE 37 16 438 A1에서 종속항 제3항 및 제4항에 의해 고려된다. 이러한 고속 혼합 도구는 시멘트(cement)의 높은 연마 효과(abrasive effect)로 인해 빠르게 마모되고(wear out) 막힘 현상에 매우 취약하다(특히 수분 함량이 낮을 때).
이 공정에서 가장 큰 과제는 전체 생산일(production day) 동안 균일한 현탁액(suspension) 품질을 제공하는 것이다. 앞서 언급한 간행물(publication)에서는 이에 대한 해답을 제공하지 않는다. 그러나 여기서는 현탁액이 탱크("저장 사일로(storage silo)")에 저장된다고 가정해야 된다. 이 탱크는 콘크리트 혼합을 위해 비워졌다가 다시 채워지는데, 이때 다시 사전 저장 시간(pre-storage time)을 기다려야 한다. 따라서 믹싱 플랜트(mixing plant)의 경제적인 운영(economic operation)이 불가능하다. 대형 탱크를 채웠다가 서서히 비우면 시간이 지남에 따라 탱크에 포함된 현탁액이 노화되어 콘크리트 물성(property)이 크게 변하게 된다. 결국, 탱크 안의 시멘트 현탁액이 굳어져 더 이상의 처리가 불가능해진다.
또한 초기 강도를 향상시키는 2단계 혼합 공정이 알려져 있다. 2단 혼합 공정의 적용(application)은 DE15 84 305 A 또는 DE 10 2016 003 644 B4 등에 설명되어 있다. 여기서 콘크리트의 작업성(workability)과 초기 강도는 1.) 모래를 포함하거나 포함하지 않는 바인더 성분(binder component)의 집중적인(intensive) 프리믹싱(premixing)과 2.) 콘크리트 믹서(concrete mixer)에서의 최종(final) 혼합(mixing)에 의한 2단계 혼합 공정을 통해 개선된다.
초음파를 이용한 프리믹싱은 이미 DE102007027080A1, 특히 DE102019120939 A1에서 자세히 설명한 바와 같이 알려져 있다.
이러한 맥락에서, 모든 2단계 콘크리트 혼합 공정에는 현탁액 생산에 일정량의 (혼합된(mixing)) 물의 공급이 필요하다는 장애물이 있다. 콘크리트의 수분 함량(water content)은 골재(aggregate)의 물 수요량(Gk), w/c 비율 및 시멘트(cement) 함량에 따라 달라진다. 그러나 첨가된 골재(aggregate), 특히 모래는 완전히 건조(예: 지하 저장 시설을 채우는 동안 분진 발생을 낮추기 위해 골재(aggregate)를 뿌리는 경우)되지 않기 때문에 골재(aggregate)에 부착된 수분을 혼합수(mixing water)에서 빼야 한다. 이는 계량(weighing) 또는 운반(transport) 과정 또는 콘크리트 믹서에서 수분을 측정하여 수행된다. 골재(aggregate)의 수분 함량이 보통에서 높은 수준(약 3~8 wt.%)인 경우, 이 수분을 혼합수에서 적절히 빼야(deduct) 한다. 다음은 프리캐스트 콘크리트 플랜트(precast concrete plant)에서 생산 중인 w/c 비율이 0.46인 프리캐스트 콘크리트의 계산 예시이다.
표 1: 콘크리트 배합(concrete formula) w/c 비율 0.46
콘크리트 성분 비율 [kg/m³] 수분[wt%]
시멘트(cement) 350 건조
물 161 -
모래 0-2 mm 698 6
자갈(gravel) 2-8 mm 276 1.5
자갈(gravel), 8-16 mm 864 1.0
콘크리트 혼화제(admixture)
(고가소제(superlasticizer))		 2.45 무시할 수 있음
골재의 수분 함량 차감 후 혼합수 106
골재(aggregate)의 수분을 차감(deduct)한 후 현탁액을 준비하는 데 사용할 수 있는 물은 106kg/m³, 즉 초기 수량의 약 2/3이다. 현탁액을 준비하기 위해 0.30의 w/c 비율이 선택되어야 한다. 이러한 낮은 w/c 비율을 정확하게 혼합하기 위해서는 더 많은 양의 고가소제(superplasticizer) 용량(dosage)가 필요하며, 이는 선택적으로 콘크리트 슬럼프(concrete slump)를 필요한 수준 이상으로 증가시키고 시멘트의 경화 반응(hardening reaction)을 추가로 지연시킬 수 있다.
예시 2를 위한 도면: 예를 들어, 프리스트레스트 콘크리트 요소(prestressed concrete element)의 생산 공정에서 0.35의 w/c 비율을 적용하면 다음과 같은 계산 결과가 나온다.
표 2: 콘크리트 배합(concrete formula) w/c 비율 0.35
콘크리트 성분 비율 [kg/m³] 수분[wt%]
시멘트(cement) 350 건조
물 122 -
모래 0-2 mm 698 6
자갈(gravel) 2-8 mm 276 1.5
자갈(gravel), 8-16 mm 864 1.0
콘크리트 혼화제(admixture) 4.2 무시할 수 있음
골재의 수분 함량 차감 후 혼합수 67
프리믹싱 공정에서 현탁액 생산에 사용할 수 있는 물은 현재 67kg/m³이며, 그 결과 현탁액의 w/c 비율은 0.19로, 현재 사용 가능한 기술로는 더 이상 정확하게 프리믹싱하고 계량할 수 없다.
알려진 방법은, 프리믹서에서 수분 함량이 가장 높은 골재(aggregate)(일반적으로 모래)의 미세한 부분(fine portion)을 전치리함으로써(by pretreating), 이 문제를 해결하기 위해 시도한다(DE15 84 305 A 또는 DE10 2016 003 644 B4). 그러나 이는 현탁액 혼합 공정에 더 많은 물을 사용할 수 있기 때문에 당연한 결과이다. 그러나 이 방법을 사용하면 연마된(abrasive) 모래에 의한 교반기 요소(agitator element)의 마모(abrasion) 증가와 잘 알려진 "과다혼합(overmixing)" 문제가 예상된다. 과다혼합(overmixing)의 경우 빠르게 회전하는 교반 도구(stirring tool)에 의해 모래 입자(sand particle)의 작은 부분(small part)이 분리되어, 즉 모래가 분쇄되어 물 수요가 증가하고 가공성(processability)이 악화된다.
따라서, 2단(two-stage) 혼합 공정을 적용할 때의 문제점은 다음과 같이 요약할 수 있다: 낮은 w/c 비율은 높은 초기 압축 강도(compressive strength)를 보장하고, 짧은 혼합 시간은 특히, 여러 단계로 채워지는 대형 구성요소(large component)의 경우 빠른 콘크리트 공정을 보장한다. 부분적으로 높은 고유 수분은 현탁액 혼합 공정에 사용할 수 있는 수분을 감소시킨다.
극단적인 경우에는, 예를 들어 습한 날씨(humid weather), 현탁액 혼합 공정에 사용할 수 있는 물이 충분하지 않다. 현재로서는 고가소제 농도(superplasticizer concentration)를 높여야만 이를 보완할 수 있는데, 고가소제 농도를 높이는 것은 콘크리트의 유동성(flowability)을 필요한 수준(necessary level) 이상으로 증가시키고 경화(hardening)를 지연시키며 콘크리트 비용(cost)을 증가시킬 수 있다.
이와 같은 종래의 문제점에 기초하여, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 피하면서 초기 강도가 높은 콘크리트를 생산할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 청구항 제1항의 특징을 갖는 장치 및 청구항 제18항의 특징을 갖는 콘크리트 생산 방법에 의해 이러한 과제를 해결한다.
본 발명에 따른 콘크리트 생산 장치는 다음을 포함한다.
i 시멘트 현탁액(cement suspension)을 혼합하기 위한 시멘트 프리믹서(cement premixer);
ii 콘크리트의 초기 강도를 증가시키기 위한 적어도 제1 결정화 탱크(crystallization tank); 및
iii 특히 골재(aggregate)를 첨가하여, 미리 혼합된(premixed) 시멘트 현탁액으로부터 콘크리트 혼합물(concrete mixture)을 생산하기 위한 콘크리트 믹서(concrete mixer)
특히, 본 발명에 따른 장치는 하나 이상의 결정화 탱크를 구비하여, 시멘트(cement)에 포함된 개별 성분(individual constituent)을 콘크리트에 첨가하기 전에 결정화할 수 있다. 복수의 결정화 탱크가 본 발명의 범위 내에서 결정화 탱크 배열(ccrystallization tank arrangement)을 형성(form)할 수 있다. 이 경우, 시멘트 현탁액이 중력에 의해 상부 결정화 탱크로부터 하부에 배치된 결정화 탱크로 이송될 수 있도록, 결정화 탱크들은 결정화 탱크 배열 내에서 서로 위에 하나씩 배치되는 것이 바람직하다.
이 장치(device)는 특히, 초음파를 사용하여, 시멘트(cement)와 물의 반응을 활성화하는(reaction-acvtivating) 사전 혼합(premixing)에 유리한 물 대 시멘트(water-to-cement) 비율(w/c 비율)이 존재한다는 지식(knowledge)에 기초하고 있다. 이 w/c 비율은 시멘트(cement) 유형(type)에 따라 다르며 0.50-2.0 범위가 바람직하다. w/c 비율이 낮을수록 고형분 함량(solids content)이 높아 입자 상호 작용(particle interaction)이 강해지며, 이는 현탁액의 강한 가열이 유리하고(favor) 특정 상황(certain circumstance)에서는 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
특히 시멘트 현탁액을 초음파로 전처리하면(pretreatment) 전이성 결정화 핵(metastable crystallization nuclei)이 생산된다. 결정화 핵은, 결정화 탱크에 저장하여 성장을 위한 추가적인 시간이 부여되고, 안정된 결정화 핵으로 콘크리트 믹서(concrete mixer)에 계량되어 투입된다.
이 결정화 탱크는 결정화 기간(crystallization period) 동안 시멘트 현탁액을 저속으로 이동시키는 교반기(stirrer)를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직한 교반 속도는 50 rpm 미만, 바람직하게는 2-25 rpm, 더 바람직하게는 5-20 rpm이다.
시멘트(cement) 성분(constituent)의 초기 결정화(incipient crystallization)로 인해, 결정화 탱크가 없는 경우보다 결정화 탱크로부터 생산된 콘크리트의 초기 강도가 현저히 높아진다.
또한 콘크리트에 사용되는 모든 시멘트(cement)를 이러한 유형의 전처리에 사용할 필요는 없다; 대신, 콘크리트 믹서에 직접 공급되는 나머지 시멘트(remaining cement)의 결정화를 추가로 촉진하는 부분적인 양(partial quantity)을 활성화하는 것으로 충분하다. 이에 따라, 시멘트 프리믹서(cement premixer) 및 결정화 탱크를 가동하기 위한 치수(dimensioning) 및 에너지 예산(energy budget)이 유리하게 최적화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 시멘트 프리믹서(cement premixer)는 시멘트 현탁액을 제공하기 위한 적어도 하나의 초음파 발생기, 특히 초음파 프로브를 갖는다.
DE 37 16 438 A1과 달리, 본 발명에서는 고속 혼합 도구에 의해 분해가 되지 않고 초음파를 사용한다.
동시에, 수분 함량이 높은(w/c >> 1.0) 시멘트(cement)의 일부(예: 20%)만 사전 혼합된다는 사실은 동시에 초음파가 덜 감쇠되고(attenuate), 전체 콘크리트 대비 현탁액의 비율이 작기 때문에 콘크리트가 덜 가열된다는 것을 의미한다.
수분 함량이 높을수록 장치의 주입(dosing) 및 세척(cleaning), 특히 장치작동 및 후속 세척 과정에 유리하다.
본 발명에 따른 장치의 더욱 유리한 설계는 하위 청구항의 주제이다.
이상적인 초음파 보조(ultrasound-assisted) 시멘트 프리믹서(cement premixer)는 DE102019120939 A1에 공지되어 있다, 본 발명의 범위 내에서 바람직한 시멘트 프리믹서(cement premixer)의 구조적 설계와 관련하여 전체적으로 참조가 이루어진다.
이러한 시멘트 프리믹서(cement premixer)는 시멘트(cement)와 물의 순수한 혼합(pure mixing)을 달성할 뿐만 아니라, 시멘트(cement) 구성성분과 시멘트 현탁액(cement suspension)의 활성화를 통해 결정화도 촉진한다. 또한, 시멘트 프리믹서(cement premixer)는 시멘트 현탁액을 제1 결정화 탱크의 교반기(stirrer)보다 빠른 교반 속도(stirring spped)로 움직이는 교반기를 구비하는 것이 바람직하다.
앞서 언급한 파라미터 및/또는 교반 속도로 사전 혼합하면 일반적으로 시멘트 현탁액 내에 기포(air bubble)가 다시 형성되어 콘크리트의 최종 강도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 기포는 결정화 탱크에서 시멘트 현탁액을 지속적으로 부드럽게(gentle) 혼합하는 동안 배출된다. 따라서, 결정화 탱크와 특히, 초음파 시멘트 프리믹서(ultrasonic cement premixer)의 조합이 특히 바람직하다.
결정화 탱크의 사용에 대한 또 다른 바람직한 실시예는(aspect), 초음파 시멘트 프리믹서는 설계로 인해 시간 간격 내에 소량의 시멘트 현탁액만 제공할 수 있다, 초음파의 침투 깊이(penetration depth)가 제한적이기 때문에 많은 양의 시멘트 현탁액을 공급할 수 없다. 이 경우 결정화 탱크를 사용하여 시멘트 현탁액을 저장할 수 있다.
저에너지(low-energy) 및 고장 없는(trouble-free) 작동을 위해 시멘트 프리믹서(cement premixer)를 사용하는 것이 바람직하다, 결정화 탱크 및 콘크리트 믹서(concrete mixer)는 시멘트 현탁액이 시멘트 프리믹서에서 결정화 탱크로, 그리고 거기에서 콘크리트 믹서로 중력에 의해 흐를 수 있도록 지구 중력장에 대하여 배치된다. 이것이 불가능한 경우 펌프를 사용하여 현탁액을 콘크리트 믹서(concrete mixer)로 이송할 수 있다.
각 탱크(respective tank)와 믹서 사이의 연결은 각각 폐쇄 장치(closing device)(예: 플랫 슬라이드 밸브)가 있는 플랜지 연결(flange connection)일 수 있다.
제1 및 각각의 후속(each subsequent) 결정화 탱크는 교반 도구(stirring tool)를 가지며, 특히 교반 도구를 이동시키기 위한 드라이브(drive)를 가질 수 있다.
제1 및 각각의 후속 결정화 탱크는 측벽(side wall) 및 바닥면(bottom surface)을 가질 수 있으며, 바람직하게는 곡선형(curved) 바닥면(bottom surface)을 가질 수 있다. 측벽(side wall)은 결정화 탱크의 종축(longitudinal axis)에 평행하게 연장될 수 있다. 교반기(agitator)는 교반기(stirrer)로서 회전 가능한 교반기 연장부(agitator extension)를 가질 수 있다. 바람직하게는, 이러한 형상(formation)은 나선형 형상(spiral formation)일 수 있다. 이 형상은 10㎝ 미만의 거리에서, 바람직하게는 5㎝ 미만, 특히 0.5~4㎝ 사이의 거리로 바닥면(bottom surface)의 50% 이상 위로 연장될 수 있도록 설계될 수 있다. 이를 통해 침전된 성분(settled constituent)을 포함한 다량의 시멘트 현탁액이 이동되고 바람직하게는 재부유(re-suspended)될 수 있다.
특히 나선형 구조물로 설계된 형상(formation)은 바닥 방향(direction of the base)으로 엣지 와이퍼(edge wiper)를 가질 수 있다. 형상은 바람직하게는 금속으로 형성될 수 있지만, 엣지 와이퍼(edge wiper)는 형상보다 더 부드러운 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 엣지 와이퍼는 고무 및/또는 PTFE 립의 형태일 수 있다.
장치는 제1 결정화 탱크와 콘크리트 믹서(concrete mixer) 사이에 제2, 제3, 제4, 제5 및 추가 결정화 탱크를 가질 수 있으며, 바람직하게는 별도의 교반기(agitator)를 가질 수 있다. 이러한 방식으로 결정화를 위해 저장 가능한 시멘트 현탁액의 부피(volume)를 늘릴 수 있다. 제2 탱크는 활성화된 (프리믹서(premixer)) 및 업스트림(upstream) (결정화 탱크 I) 현탁액을 콘크리트 믹서(concrete mixer)로 계량하는 데 사용할 수 있기 때문에 대용량이 필요할 때 특히 유리하다. 이를 통해 충분한 사전 저장(pre-storage) 시간 없이 현탁액이 결정화 탱크를 떠나지 않도록 할 수 있다.
더욱 유리한 점은 이 장치를 무압 작동 시스템으로 설계할 수 있다는 것이다. 개방형(open) 또는 무압 작동(pressureless-operated) 시스템은 각 저장고(container), 즉 믹서(mixer) 및/또는 결정화 탱크(들)이 압력 조건이 동일하거나, 시멘트 현탁액의 이송에서 압력 차이가 발생하는 경우, 개방 밸브(open valve)를 통해 압력 보상(pressure compensation)이 이루어지는 것을 의미한다.
적어도 제1 및/또는 제2 결정화 탱크와 콘크리트 믹서(concrete mixer) 사이의 연결부(connection)를 따라, 조절 부재(regulating member)는 각 결정화 탱크(crystallization tank)를 콘크리트 믹서(concrete mixer)로 배수(draining) 및/또는 부분적으로 배수(partially draining)하기 위해 배치된다. 이 조절 부재(regulating member)는 밸브, 특히 핀치 밸브(pinch valve)로 설계되는 것이 바람직하다.
유사하게, 상응하는(corresponding) 조절 부재(regulating member), 예를 들어 밸브, 특히 핀치 밸브(pinch valve)는 시멘트 프리믹서와 제 1 결정화 탱크(the first crystallization tank) 사이 및/또는 결정화 탱크(crystallization tank) 사이에 배치될 수도 있다.
또한, 장치는 제1 및/또는 각각의 추가 결정화 탱크(crystallization tank)의 비상 배수(emergency draining)를 제어하기 위해 측정된 변수를 검출하는데 유리한 배열(arrangement)을 구비할 수 있다. 이러한 배열(arrangement)은, 예를 들어, 회전식 교반기(rotable agitator) 및/또는 - 회전식 결정화 탱크(rotable crystallization tank)의 경우 - 결정화 탱크의 회전식 드럼(drum)의 토크 감지(torque detection)를 위한 센서일 수 있다. 이 측정(measurement)을 통해 시멘트 현탁액의 경화 상태를 간접적으로(indirectly) 파악할 수 있다.
점도(viscosity), 밀도(density), 반사된 초음파 신호의 음속 변화 및/또는 시멘트 현탁액의 온도와 같은 다른 측정 변수도 비상 배수(emergency drainage)를 모니터링하는 데 사용할 수 있다.
이 장치는 특히, 측정된 변수 감지의 함수로서 고가소제를 공급하기 위한 공급 장치(feed device), 특히 계량 장치(metering device)를 가질 수도 있다. 이를 통해 설정값(setpoint value)을 초과할 경우 시멘트 현탁액(영문추가)의 조성(composition)을 재조정(readjust)할 수 있다.
장치, 특히 결정화 탱크 중 적어도 하나는 시멘트 현탁액의 온도를 결정하는데 유리한 센서를 가질 수도 있다. 이상적으로는, 상기 온도가 25~45°C 사이여야 한다. 결정화 탱크(crystallization tank)의 자동 배수(automated draining) 및/또는 부분 배수(partial draining) 동안의 시멘트 현탁액의 체류 시간(residence time)에 대한 상응하는 설정값은 결정된 온도에 따라 조정될 수 있다.
바람직하게는, 제1 및/또는 제2 또는 임의의 추가 결정화 탱크(crystallization tank)는 적어도 2 입방 미터(cubic meter), 바람직하게는 0.5-4 입방 미터의 시멘트 현탁액의 양을 위해 설계될 수 있다. 이러한 양은 시멘트 프리믹서, 특히 초음파 시멘트 프리믹서의 경우, 초음파 입력으로 인해 비정형적이다. 특히 집중 초음파(intensive ultrasound)의 경우, 부피가 큰 경우 믹서의 부피에 대해 충분히 균일 할 수 없다.
집중적인 초음파 처리(intensive ultrasonic treatment)는 시멘트(cement) 성분의 활성화를 가능하게 한다. 초음파, 진동 또는 다른 방법에 의해 초음파로 시작된 진동 혼합과 달리, 본 방법의 바람직한 변형(preferred variant)에서의 초음파 처리는 다음과 같은 특성 데이터를 가지며, 이는 개별적으로 또는 서로 조합하여 초음파 처리 유형을 보다 자세히 구체화한다(characterize):
특히, 초음파 프로브는 소노트로드(sonotrode)로 설계되고 바람직하게는 본 방법의 범위 내에서 다음 범위에서 작동한다 (값은 T = 25 °C 및 정상 압력 기준):
- 초음파 프로브에서 방출되는 초음파의 강도(intensity): 25-250W/cm2
초음파가 매체(medium)에 조사(introduce)되면 입자와 매체가 진동 상태로 들어간다. 이 진동은 초음파의 운동 에너지를 전달한다. 강도(I)는 면적당 전달되는 전력(예: 와트)에 해당한다. 단위는 면적당 전력(예: W/cm2)이다.
- 초음파 프로브에서 방출되는 초음파의 진폭(amplitude): 15-500 μm, 바람직하게는 15-120 μm.
진폭(u)은 초음파의 편향(deflection)(예: μm 단위)을 나타낸다. 일정한 주파수에서 진폭이 높을수록 강도가 증가한다. 진폭이 클수록 고압 및 저압 주기 동안 압력 차이가 커진다.
- 초음파 프로브에서 방출되는 초음파의 주파수(frequency): 바람직하게 10-30kHz.
주파수(f)는 초음파 프로브 끝(tip)에서의 진동 속도(rate of oscillation)를 나타낸다. 증기 기포의 형성(formation), 성장(growth) 및 파열(implosion)은 시간 의존적 과정(time-dependent process)이므로 주파수가 높을수록 캐비테이션 기포(cavitation bubble)가 작아진다.
- 특정 에너지 입력(매질 - 물로): 바람직하게 25-250Ws/ml.
앞서 언급한 값은 예를 들어 하이드로폰(hydrophone)을 사용하여 물속에서 전기 음향학적(electroacoustically)으로 측정할 수 있다.
시멘트(cement)를 프리믹서에서 계량하기(metering) 위해, 시멘트 계량기(cement weigher) 뒤에 전환 밸브(diverter valve)를 설치하여 시멘트(cement)를 프리믹서에서 뿐만 아니라 콘크리트 믹서(concrete mixer)로도 계량할 수 있다. 그러나 별도의 계량 스크류를 프리믹서로 유도할 수도 있다.
콘크리트 생산에 필요한 시멘트(cement)의 일부만 혼합하여 시멘트 현탁액으로 사전 결정화(pre-crystallization)하는 것이 에너지 및 기술 측면에서 유리한 것으로 입증되었다. 다른 부분은 예를 들어. 골재(aggregate)와 함께 콘크리트 믹서에서 직접 혼합된다. 이는 종래기술과 대비하여 본 발명에 따른 방법의 실시예에서 특히 유리하다.
본 발명은 개선된 초기 강도를 달성하기 위해, 시멘트의 전체 양을 전처리할 필요가 없으므로, 사전 혼합 공정(premixing process)에 추가 물을 사용할 수 있고(현탁액의 w/c 비율을 더 높게 선택할 수 있음), 에너지를 절약하며, 필요한 기계의 크기(dimensioning)를 유리하게 감소시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 특히 본 발명에 따른 장치를 사용하여 콘크리트를 생산하는 방법이 있으며, 이 방법은 다음 단계를 포함한다:
i) 시멘트 프리믹서(cement premixer)에서 시멘트 현탁액을 제조하는 단계(preparing);
ii) 시멘트 현탁액을 결정화 탱크(crystallization tank)에서 미리 정해진 체류 시간(residence time) 동안 교반하는 단계(strring); 및
iii) 미리 정해진 체류 시간 이후 시멘트 현탁액을 콘크리트 믹서(concrete mixer)로 이송하는 단계(transferring).
초기 강도 개발(development)에 필수적인 척도는 체류 시간(residence time)이다. 이는 결정화 탱크(crystallization tank)에서 미리 혼합된 현탁액의 체류(residence) 또는 결정화 시간(crystallization time)에 해당한다.
체류 시간은 콘크리트 생산 공정(혼합 시간, 시간당 콘크리트 부피, 콘크리트 조성(concrete composition) 및 원하는 강도 증가에 따라 달라진다.
결정화 탱크(crystallization tank)(또는 저장(storage)/거주(dwell)/저류(reservoir) 탱크)는 현탁액을 연속 교반/순환(stirring/circulation)하면서 미리 정해진 시간(0.5-6시간) 동안 저장하는 용기이다. 체류 시간이 지나면 현탁액을 콘크리트 믹서에 주입한다.
체류 시간(residence time) 또는 체류 시간(dwell time)은 활성화된 현탁액(suspension)이 결정화 탱크(crystallization tank)에 지속적으로 교반 또는 순환하는 동안 머무르는 시간에 해당한다.
유리하게, 제1 결정화 탱크(the first crystallization tank)는 콘크리트 믹서(concrete mixer) 또는 제2(또는 제3, 제4, ...) 결정화 탱크(crystallization tank)의 입구(inlet)로 개방되는 출구(outlet)를 구비한다. 장치는 제 1 결정화 탱크(crystallization tank)의 출구 및/또는 콘크리트 믹서(concrete mixer)의 입구에 배치된 조절 부재(regulating member)를 더 포함할 수 있다. 이 장치는 또한, 시맨트 현탁액이 제1 결정화 탱크에 0.5-6시간 체류한 후 조절 부재(regulating member)를 작동하여 제1 결정화 탱크의 부분(partial) 또는 완전(complete) 배수(draining)를 실시할 수 있는 제1 평가 및/또는 제어 유닛을 가질 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 시멘트 프리믹서(cement premixer)는 처리 챔버(treatment chamber)를 갖는 처리 용기(treatment vessel)를 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 초음파 프로브는 적어도 부분적으로 상기 처리 챔버로 연장되는 것을 특징으로 한다.
초음파 프로브는 초음파를 방출하고, 방출된 초음파 또는 초음파 신호는 예를 들어 평가 및/또는 제어 유닛에 의해 25-250 W/cm2의 강도 및 15-500 μm의 진폭을 갖도록 조정된다.
또한, 콘크리트를 생산하는 동안, 시멘트 프리믹서에 제1 부분적인 양의 시멘트(cement)가 추가되고, 콘크리트 믹서에 제2 부분적인 양의 시멘트(cement)가 추가될 수 있다. 이는, 에너지 측면에서 특히 유리하다.
이러한 방식으로 전처리된 시멘트(cement)의 비율은 바람직하게는 5-95% 사이, 특히 전체 시멘트(cement) 구성(content)의 10-25% 사이가 바람직하다.
결정화 탱크(crystallization tank) 내에서 시멘트 현탁액의 바람직한 체류 시간(residence time)에 대한 설정값(setpoint value)의 제어 또는 설정은 미리 정해진 온도에서 미리 정해진 시간에 따른 함수에 따라 바람직하게 수행될 수 있다. 결정화는 온도 의존적(temperature dependent)이므로 이러한 제어를 통해 시멘트 현탁액의 품질을 더 잘 제어할 수 있다.
시멘트 현탁액을 콘크리트 믹서(concrete mixer)로 일괄적으로 이송할 수 있어 보다 효율적이고 포괄적인 이송이 가능하다.
제1 및 각각의 추가된 결정화 탱크(crystallization tank)의 교반 속도 및/또는 제1 또는 각각의 추가된 결정화 탱크로 시멘트 현탁액의 유입(inflow) 및/또는 유출(outflow)은 센서 및/또는 센서 배열(sensor arrangement)에 의해 제어될 수 있다. 이를 위해, 하나 이상의 온도 센서, 초음파 통과 시간(transit time)을 결정하기 위한 초음파 센서 및/또는 토크 감지용 센서가 바람직하게는 시멘트 현탁액의 품질 및 특히 그 강도를 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
온도 조절(temperature regulation)을 통해, 제1 또는 추가 결정화 탱크(crystallization tank)에서 시멘트 현탁액의 온도를 10-45°C 사이의 온도로 조정할 수 있다. 20°C 이하, 특히 10~20°C까지 조절할 수 있어 저장이 더욱 용이하다.
결정화 시간 또는 체류 시간 및 비상 배수(emergency draining)의 시간은 온도 및/또는 위에서 언급한 측정 변수에 따라 설정할 수 있다.
시멘트 현탁액은 바람직하게는 1-8시간의 체류 시간이 지난 후에만 콘크리트 믹서(concrete mixer)에 첨가(add)될 수 있다. 시멘트 현탁액을 콘크리트 믹서(concrete mixer)로 이송하는 것은 미리 정해진 프로토콜에 따라 수행된다.
시멘트 현탁액의 물/시멘트 (w/c) 비율은 일반적으로 0.5-2 사이가 될 수 있으며, 체류 시간은 시멘트의 재반응 속도(reaction rate)에 따라 선택된다. 표시된 시간은 위에 언급된 체류 시간 사양(specification)에 최적이다.
콘크리트 믹서로 이송하기 전 시멘트 현탁액의 사전 저장 시간은 1-8시간 사이가 유리할 수 있다.
특히 바람직하게는, 상기 w/c 비율뿐만 아니라, 휴식 단계(resting phase)는 시멘트 현탁액의 상술한 초음파 처리(ultrasonic treatment)와 결합될 수 있다.
콘크리트에서 초음파로 전처리된 시멘트(cement)의 비율은 유리하게는 5-95 wt.%, 이상적으로는 10-25 wt.% 사이일 수 있다.
제1 및/또는 제2 결정화 탱크(crystallization tank)의 교반 속도(stirring speed) 및/또는 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(crystallization tank)로의 시멘트 현탁액(cement suspension)의 유입(inflow) 및/또는 유출(outflow)은 센서 및/또는 센서 배열(sensor arrangement)에 의해 제어될 수 있다. 이를 위해, 하나 이상의 온도 센서, 초음파 통과 시간(ultrasonic transit time)을 결정하기 위한 초음파 센서 및/또는 토크 감지용 센서를 시멘트 현탁액(영문추가)의 품질, 특히 그 강도를 모니터링하는 것에 바람직하게(preferably) 사용된다.
본 방법의 범위 내에서 또 다른 장점은 정제된(defined) 현탁액(suspension) 품질을 유지하기 위한 지능형 제어 방법 및/또는 제어 장치를 제공한다. 탱크 내의 일련의 센서(series of sensors)는 현탁액(suspension)의 적정성(특히 온도, 점도, 밀도, 전기 전도도, 초음파 통과 시간)을 영구적으로 분석하고, 이를 평가하며, 센서 측정 데이터를 기반으로 새로운 현탁액을 추가하고 오래된 현탁액을 배출하는 등의 조치(measure)를 시작한다.
탱크의 온도는 서스펜션의 품질(=반응성(reactivity))에 영향을 미치는 특히 중요한 요소(factor)이다. 이는 냉각 및 가열 장치, 예를 들어 제1 및/또는 제2 결정화 탱크의 일부(part)으로서 이중벽(double-walled) 탱크 벽을 형성하거나, 결정화 탱크 위 또는 탱크 내의 열교환기를 통해 원하는 범위(desired range)에서 영구적으로 유리하게(advantageously) 유지될 수 있다.
특히, 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(crystallization tank)에 위치한 시멘트 현탁액의 물질 의존적 물리적 측정 변수(substance-dependent physical measured variable)의 센서적 감지(sensory detection)가 수행될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 콘크리트 생산 장치를 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 기초하여 보다 상세하게 설명한다. 도면은 또한, 개별적으로 보았을 때, 도시되지 않은 다른 예시적인 실시예와 명백한 방식으로 결합될 수 있는 몇 가지 특징을 포함한다. 예시적인 실시예는 전체적으로 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 장치의 시멘트 프리믹서(cement premixer) 및 제1 및 제2 결정화 탱크(crystallization tank)를 포함하는 측면도이다;
도 2는 도 1의 실시예의 사시도이다;
도 3은 결정화 탱크(crystallization tank)의 종축(longitudinal axis)을 따른 단면도이다;
도 4는 통상적인 방법에 의한 콘크리트 생산의 개념도(schematic representation)이다;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 생산의 개념도이다;
도 6은 열 방출율의 다이어그램이다;
도 7은 제1 콘크리트 혼합물의 조성을 나타낸 도면이다;
도 8은 제2 콘크리트 혼합물의 조성을 나타낸 도면이다;
도 9는 시멘트 현탁액과 물의 혼합 비율을 나타낸 도면이다;
도 10은 응고(solidification) 시작과 사전 저장 시간 간의 상관관계를 나타내는 도면이다;
도 11은 슬럼프 흐름(slump flow) 및 슬럼프 확산(slump spread)과 관련하여 초음파 처리된 시멘트(cement) 몰탈(mortar)의 사전 저장 시간을 나타내는 도면이다; 및
도 12는 콘크리트 연령(concrete age)과 관련된 압축 강도(compressive strength) 다이어그램이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치(1)를 도시한 것으로서, 시멘트 프리믹서(cement premixer)(3)와 2개의 결정화 탱크(crystallization tank)(4, 5)를 포함한다.
시멘트 프리믹서(cement premixer)(3) 상부에는 유입구(inlet opening)(7)가 구비된다.
시멘트 프리믹서(cement premixer)(3)과 두 개의 결정화 탱크(crystallization tank)(4, 5)는 기계 프레임(machine frame)(2)에 의해 서로 연결된다.
시멘트 프리믹서(cement premixer)(3)는 시멘트 프리믹서(cement premixer)의 벽을 통해 내부(interior)로 연장되는 초음파 프로브(ultrasonic probe) 6이 있다.
이송관(transfer line)은 시멘트 프리믹서(3)과 두 개의 탱크(4, 5) 사이에 제공된다. 이송관(transfer line)에는 예를 들어, 밸브 장치와 같은 조절 부재(regulating member)를 가질 수 있다. 탱크(tank)(5)에는 배출구(outlet)(10)가 있다.
각각의 결정화 탱크(4 및 5)와 시멘트 프리믹서(3)에는 교반기(agitator)(7-9)를 구비한다.
도 2는 도 1의 장치의 사시도이다. 전술한 저장되는 저장소(container)인 저장 레벨(storage level)(A, B 및 C)를 볼 수 있다.
도 3은 더 자세한 내용을 개시한다. 예를 들어, 결정화 탱크(crystallization tank)(4)는 막대(rod)(15)와 나선형으로 감긴 교반용 칼날(stirring blade)(13)이 구비된 교반기(agitator)(8)를 갖는다. 결정화 탱크(crystallization tank)에는 원통형 재킷 섹션(jacket section)(11)과 곡선형 바텀 섹션(bottom section)(12)를 갖는다.
센서 요소(sensor element)(17)은 결정화 탱크(4)의 상부 영역에 배치되며, 예를 들어 온도 센서가 될 수 있다. 결정화 탱크(4)는 이송관(20)으로 합쳐지는 배출구(18)를 갖는다. 또한, 결정화 탱크(4)는 비상 배수구(emergency drain)(16)를 구비하고, 이를 통해, 예를 들어 시멘트 현탁액이 오버레이되는(overlaying) 경우와 같은 비상시에 탱크(4k)를 배수할 수 있다.
결정화 탱크(crystallization tank)(5)는 유사한 디자인을 갖는다. 센서 요소(sensor element)(27)와 교반기(agitator)(9)를 모두 볼 수 있다. 바텀 섹션(bottom section)(22)에는 2개의 배수구 노즐(drain nozzle)(26, 28)이 있으며, 각 노즐에는 플랜지 끝단(24)이 있다. 두 개의 배수구 노즐(drain nozzle) 중 하나는 다시 비상 배수구(emergency drain) 역할을 하고, 다른 하나는 콘크리트 믹서(concrete mixer)로 이송할 수 있다.
도 4는 콘크리트를 생산하는 종래의 방법(100)을 도시한 도면이다. 이 공정에서, 물(103), 시멘트(104 및 105), 첨가제(additive)(102) 및 선택적으로, 바인더(binder) 및 혼화제(admixture)은 콘크리트 믹서(101) 내에서 자갈(gravel)(106, 107) 또는 모래(108)와 혼합된다.
콘크리트의 당업자는 바인더를 플라스틱 상태로 가공될 수 있고 일정 시간이 지나면 경화되어 다른 물질, 예를 들어 골재(aggregate)를 서로 단단히 결합시키는 무기 또는 유기 하위 물질로 알고 있다. 콘크리트 산업에서 사용되는 바인더는 광물에서 유래하며, 일부 예외를 제외하고는 특정 암석을 소성(firing)하여 미세한 분말로 분쇄하여 얻는다. 물과 혼합하면 바인더 접착제가 먼저 형성된다. 화학 반응과 경우에 따라 물리적 표면의 힘으로 인해 바인더 페이스트(binder paste)가 돌과 같은 상태로 응고되어 충전제(filler)가 함께 시멘트화될 수 있다.
당업자는 콘크리트에 대한 "혼화제(admixture)" 또는 "콘크리트 혼화제(concrete admixture)"라는 용어에 익숙하다. 이러한 물질은 화학적 또는 물리적 작용을 통해 신선하거나(fresh) 경화된(hardened) 콘크리트의 특정 특성(certain property)에 영향을 미치기 위해 액체, 분말 형태 또는 입자(granule) 또는 페이스트 형태로 소량으로 콘크리트에 미세하게 분할된 형태(divided form)로 첨가되는 물질이다. 일반적인 혼화제(admixture)은 콘크리트 가소제(plasticizer), 고가소제(superplasticizer), 공기 혼입제(air entraining agent), 실란트(sealant), 지연제(retarder), 촉진제(accelerator), 그라우팅 보조제(grouting aid) 및/또는 안정제(stabilizer)이다.
또한 콘크리트 분야의 당업자는 첨가제(additive) 또는 콘크리트 첨가제(concrete additive)라는 용어에 익숙할 것이다. 이들은 특정 특성(certain roperty)을 개선하거나 달성하기 위해 콘크리트에 사용되는 미세하게 분산된 물질(finely dispersed substance)이다. 이러한 물질은 혼화제(admixture)보다 훨씬 더 많은 양이 콘크리트 조성물에서 체적 구성 성분(volume constituent)으로 존재한다. 따라서 충전제(filler)라고도 한다. DIN EN 206-1 및 DIN 1045-2에 따르면, 무기 첨가제(additive)는 두 가지 유형으로 구분된다. 유형 I 첨가제(additive)는 돌가루(stone dust)나 안료(pigment)와 같이 거의 비활성인 첨가제이다. 유형 II 첨가제는 트라스(trass), 플라이 애쉬(fly ash) 또는 실리케이트 분진(silicate dust)과 같은 포졸란계(pozzolanic) 또는 잠복성(latent) 수력(hydraulic) 첨가제(additive)이다.
마지막으로 콘크리트 혼화제에는 콘크리트 종류에 따라 입자 크기와 비율이 다를 수 있는 자갈(gravel) 및 모래와 같은 골재(aggregate)가 상당량 포함되어 있다. 이러한 골재(aggregate)는 때때로 골재(aggregate)라는 일반적인 용어로 다른 재료와 함께 그룹화되기도 한다.
본 발명의 핵심은 이러한 기술적 난제를 해결하면서도 예를 들어, 초음파 프리믹싱 단계(ultrasonic premixing stage)를 통해 콘크리트의 높은 초기 강도를 확보할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
이 과정에서 시멘트(cement)(209), 물(210) 및 첨가제(additive)(211)를 시멘트 프리믹서(cement premixer)(212)에 혼합하여 초음파로 활성화시킨다. 시멘트 현탁액은 결정화 탱크(crystallization tank)(213)로 이송되고, 거기에서 콘크리트 믹서(concrete mixer)(201)로 이송된다. 본 발명에 따른 방법(200)의 일부로서 혼화제(admixture)(202), 물(203), 시멘트(cement)(204 및 205), 자갈(gravel)(206, 207) 및 모래(208)도 콘크리트 믹서(concrete mixer)(201)로 공급될 수 있다.
본 발명은 현탁액이 잘 균질화되고(homogenize) (예를 들어, 초음파에 의해) 활성화될 수 있는 시멘트 현탁액의 생산에 유리한 w/c 비율 또는 w/c 범위가 있다는 사실에 기초한다. 이 유리한 w/c 비율은 시멘트(cement)의 종류와 사용되는 혼화제(admixture)에 따라 달라지며, 0.5에서 2 사이이다. 또한, 본 발명은 초기 강도의 현저한 증가를 가져오기 위해서 시멘트(cement)와 물의 전체 비율을 미리 혼합하고 활성화할 필요가 없다는 사실에 기초한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 시멘트 프리믹서(cement premixer)에 제공되는 시멘트 현탁액(cement suspension)은 시멘트(cement), 물 및, 선택사항으로, 선택적 구성요소로서의 혼화제(admixture)로부터 제조된다. 반면 시멘트 현탁액에는 첨가제(additive)가 제공되지 않는다.
즉, 시멘트 현탁액의 일부는 활성을 위해 프리믹서에 투입되고, 시멘트 현탁액의 일부는 콘크리트 믹서)에 투입된다. 이는 프리믹서에 별도의 계량 장치(metering device)(사일로(silo) + 스크류 컨베이어(screw conveyor))에 의해 수행되거나, 기존 콘크리트 믹싱 플랜트에서 시멘트 계량기(cement weigher)의 분배기(distributor)와 시멘트 계량기(cement weigher)에서 프리믹서까지의 스크류 컨베이어(screw conveyor)에 의해 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법의 일부는, 혼합 직후 바로 프리믹싱되고(premixed) 및 활성화된(activated) 시멘트 현탁액을 콘크리트 믹서(concrete mixer)에 투입하지 않고, 현탁액 믹서(suspension mixer)의 하류(downstream)에 저장된 휴식조(rest) 또는 결정화 탱크(crystallization tank)로 이송하는 것을 특징으로 한다. 결정화 탱크(crystallization tank)의 부피는 대략 1시간의 콘크리트 생산에 필요한 현탁액의 양이다.
이는 전처리를 위해 시멘트(cement)와 물(및, 선택적으로 모래)을 전량 사용하는 방식에 비해 프리믹서의 필요 부피가 줄어드는 장점이 있다. 결정화 탱크에서 후속 저장을 동반하는 현탁액의 생산 및 활성화는, 충분한 결정화 시간 후에 원하는 만큼 신속하게 투여하거나 제거할 수 있으므로, 혼합 시간(mixing time)을 짧게 선택할 수 있다는 장점이 있다. 전체적으로 시멘트와 물이 미리 섞여 활성화된 계산된 가용량(available quantity)과 비교해도 휴식(rest) 또는 결정화 시간은 초기 강도가 크게 증가하는 결과를 낸다. 휴식 단계(resting phase)가 없으면 이러한 잠재력(potential)은 달성되지 않는다. 사전 혼합 단계에서 초음파를 사용하여 활성화하면 초기 강도가 다시 크게 증가한다. 이상적으로 이 휴식 단계(resting phase)는 시멘트(cement) 유형과 현탁액의 구성에 따라 1~8시간 동안 지속된다.
생산 공정에서 현탁액 혼합 공정의 혼합 시간은 전체 혼합 시간을 단축할 수 있도록 매우 짧아야 한다. 특히 시멘트 현탁액이 예를 들어, 초음파 등에 의해 활성화된 경우, 항상 보장되는 것은 아니다. 대형 콘크리트 부재(large concrete element)(예: 교량 거더(bridge girder))의 생산에서는 콘크리트 부재를 신속하게 완성하기 위해 단시간에 더 많은 양의 콘크리트를 생산해야 한다. 또한 효과적인 초음파 적용을 위해 혼합 챔버(mixing chamber)가 특정 크기로 제한되어 있기 때문에 초음파 프리믹서에서 시멘트 현탁액을 사전 혼합할 때 특히 어려운 문제가 발생한다. 또한, 현탁액을 "재고(in stock)"로 생산함으로써 콘크리트 혼합 시간을 크게 늘리지 않고도 이러한 구성 요소를 생산할 수 있다.
종래 기술에 비해 본 발명의 방법은 다음과 같은 새로운 접근 방식이 특징이다:
- 최적의 강도 개발에 필요한 시멘트 현탁액의 비율만 사전 혼합 및 활성화되며, 이상적으로는 시멘트(cement) 비율이 10-25% 사이가 적당하다.
- 사전 혼합 및 활성화된 시멘트 현탁액은 휴식 또는 결정화 탱크로 이송되어 일정 시간(certain time), 이상적으로는 1~8시간 동안 그곳에 머무르며 낮은 전단 속도(shear rate)로 혼합되거나 펌프를 통해 순환된다.
- 결정화 탱크(crystallization tank)에서의 제거(removal)는 사전 저장 기간(pre-storage period) 후에 연속적으로 이루어지며, 콘크리트 혼합 시간은 연장되지 않는다.
따라서 골재(aggregate)의 높은 수분 함량 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
콘크리트 혼합 공정의 혼합 시간이 연장되지 않는다.
동일한 콘크리트 배합으로 초기 강도가 크게 증가한다.
결정화 탱크(crystallization tank)에 동일한 크기의 탱크를 추가하면 활성 시멘트 현탁액을 사용하여 매우 많은 양의 콘크리트도 정확하게 생산할 수 있다(예를 들어, 레미콘 생산(ready-mix concrete production)).
결정화 탱크(crystallization tank)에 최적화된 사전 저장 시간은 아래에 설명되어 있다:
도 6은 시간에 따른 열 방출 속도를 J/gh 단위로 보여준다. 도 6은 초음파 처리 유무에 따른 열량 측정값으로, 도면에서 CEM I 52,5 R로 표시된(designated) 포틀랜드 시멘트(portland cement)를 초음파 처리 유무에 따라 열량 측정한 값이며, 도면에서 PUS로 표시되어 있다.
가속 단계(acceleration phase)의 시작과 약 4~5시간 후 최대 열 발생을 명확하게 볼 수 있다.
시멘트(cement)와 물의 반응은 특정 운동 경로(specific kinetic path)를 따른다. 일반적인 물 대 시멘트(cement) 비율 0.5에서 열 방출 속도 곡선은 도 6과 같다.
특허 출원 DE 10 2020 132 015. 9에서는 활성 시멘트 현탁액의 사전 저장을 사용하여 콘크리트 생산 공정을 방해하지 않으면서도 초기 압축 강도(compressive strength)를 높이는 방법이 제안되어 있다.
추가 조사 결과, 현탁액의 수분 함량 및/또는 사전 저장 시간을 크게 늘릴 수 있는 공정 공학적 이점을 제공하는 것으로 보여진다.
구체적으로 말하면, 이는 현탁액의 추가적 시간이 열 방출 속도와 연관되어 곡선이 1~3시간 사이의 휴식 단계를 극복하고 열 방출(=화학 반응)의 새로운 증가를 기록할 때만 현탁액을 투여한다는 것을 의미한다.
이 시간은 사용되는 재료(시멘트(cement) 및 고가소제 유형, 수분 함량)에 따라 크게 달라지므로 사전에 결정해야 한다.
현재 시멘트 현탁액의 기본 파라미터는 다음과 같다:
- 물/시멘트(cement)(w/c) 비율 = 0.5-2
- 사전 저장 시간 = 1~8시간
- 전처리(pretreated) 시멘트(cement) 비율 = 5-95%, 이상적으로는 10-25%.
w/c 비율은 커브의 상승(소위 "가속 단계(acceleration phase)"라고 함)가 너무 오래 걸리지 않고(w/c 비율이 낮을수록), 사전 저장 동안에 재료의 응고(solidification)가 발생하지 않도록(w/c 비율이 높을수록) 선택해야 된다. 이에 적합한 w/c 비율은 시멘트(cement) 종류와 고가소제 종류 및 양에 따라 약 1.0 ± 0.25이다.
사전 저장 시간은 선택한 w/c 비율과 시멘트(cement)의 재활성도(reactivity)에 따라 달라진다. 사전 저장과 관련된 공정 엔지니어링 노력을 낮게 유지하기 위해 최대 4시간의 사전 저장 시간을 목표로 한다.
이 방법을 사용하면 초기 강도를 다시 크게 높일 수 있으며 사전 혼합 및 활성화해야 하는 시멘트(cement)의 비율을 다시 줄일 수 있다.
예시적인 방법의 흐름에서, 시멘트(cement)의 일부를 물과 사전 혼합하고 초음파 처리한 다음 장기간 보관한다. 저장 후, 시멘트 현탁액은 콘크리트 믹서에 계량된다. 앞서 설명한 것처럼, 초음파 처리(sonication)의 결과로 초음파 활성화가 발생한다. 초음파 활성화는 25-250W/cm2의 강도와 15-500μm의 초음파 진폭에서 발생한다.
수화물 핵(hydrate nuclei)은 현탁액에 형성되어 콘크리트의 초기 강도에 큰 영향을 미친다. 이것은 무엇보다도 현미경 이미지로 증명될 수 있다.
프리믹싱 공정에 사용할 수 있는 계산된 물은 종종 부족하기 때문에 프리믹싱할 시멘트(cement)의 비율이 줄어든다.
건식 골재(aggregate)가 포함된 콘크리트에서는 도 7과 같이 3가지 주요 성분이 분포되어 있다.
이 경우 수분 함량은 낮지만 고가소제를 사용하여 유동성(flowable) 현탁액을 제조하고 계량할 수 있기 때문에 프리믹싱 공정에 충분하다.
골재(aggregate)가 촉촉(moist)한 경우, 체적 계산(volumetic calculation)에서 골재(aggregate)의 비율(proportion)은 증가하고 물의 비율은 골재(aggregate)에 결합된 수분 비율만큼 감소한다(도면 8 참조). 도면 7과 8은 각각 각 구성 요소의 계량된 양(metering quantity)을 보여준다. 도면 8의 골재(aggregate)는 도면 7보다 더 젖어 있으므로 더 많은 수분을 포함하고 있다. 도면은 "H2O" 바(bar)로 골재(aggregate) 외에 추가된 물의 양만 표시한다. 도면에서 "H"와 "H2O"는 동의어로 이해해야 한다.
혼합 공정에 사용할 수 있는 물의 양이 너무 적고, 사전 혼합 공정은 적용하기가 매우 어렵다(만약 적용이 가능하다면). 초음파 처리의 경우, 높은 고형물 농도(solids concentration)는 고가소제-시멘트 상호작용, 강한 히팅(strong heating) 및 프리믹싱 탱크의 주입/배수(dosing/draining) 문제와 같은 바람직하지 않은 부작용으로 이끌어진다.
그럼에도 불구하고 초음파를 이용한 프리믹싱 공정의 장점을 보장하기 위해 프리믹싱 및 저장 개념(storage concept)이 개발되었다. 여기서 핵심은 사용 가능한 시멘트의 일부만 사용하는 것이다 - 도면 9 참조.
이러한 방식으로 생산된 현탁액의 고형물 함량(solids content)이 현저히 낮기 때문에 전체 시멘트(cement)를 사전 혼합하는 방식에 비해 생산 공정이 단순화된다.
그러나 형성할 수 있는 수화물 핵(hydrate nuclei)의 수는 시멘트(cement) 양으로 제한된다. 따라서 충분한 양의 수화물 핵이 형성될 때까지 현탁액을 저장하거나 결정화하여 수화(hydration)를 촉진하는 개념으로 이어졌다. 수화물 단계(hydrate phase)의 수는 사전 저장 시간에 따라 증가한다. 이를 위해 응고 시작(start of solidification), 즉 콘크리트를 더 이상 처리할 수 없을 정도로 경화 공정이 진행된 시점을 측정한 결과는 아래와 같다.
도 10은 시멘트(cement) 몰탈(mortar)의 응고(solidification) 시작을 다음과 같은 파라미터로 나타낸 것이다:
- 몰탈(mortar)의 w/c 비율 = 0.50
- 상류 현탁액(upstream suspension)의 W/C 비율 = 1.0
- 전처리된 시멘트(cement)의 비율 = 25%.
- 20kHz, 60초/리터(liter)로 현탁액 초음파 처리
도 10은 사전 저장 시간(X축)이 증가함에 따라 응고(solidification) 시작(Y축)이 감소하는 것을 보여준다. 이러한 현상은 특히 초음파 처리(크로스 해치(cross-hatched))된 현탁액에서 두드러지게 나타난다. 초음파 처리를 하지 않으면 응고 시간의 감소가 그렇게 뚜렷하지 않다(대시 해치(dash-hatched)).
일반적으로 작업성(workability)은 사전 저장에도 영향을 받는다. 사전 저장은 슬럼프 흐름(slump flow)과 슬럼프 확산(slump spread)에 의해 시멘트(cement)에 대해 결정된다. 도면 11은 도면 10에서 이미 설명한 시멘트(cement) 몰탈(mortar)의 슬럼프 흐름(slump flow)과 슬럼프 확산(slump spread)을 길이가 다른 시멘트 현탁액으로 측정한 결과이다. 진동이 없는 상태(슬럼프 흐름(slump flow))와 15번의 충격을 가한 상태(슬럼프 확산(slump spread))에서 몰탈(mortar)이 테이블 위에서 얼마나 멀리 흘러가는지 측정한 결과이다. 여기서 슬럼프 흐름(slump flow)과 확산 치수(퍼짐 치수) 모두 사전 저장 시간이 증가함에 따라 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 몰탈(mortar)의 작업성(workability)이 감소한다는 것을 의미한다. 그러나 처음 240분 동안은 감소가 미미하여 콘크리트에 큰 변화가 없다. 240분 후에는 더 뚜렷한 감소가 나타난다.
이러한 결과를 통해 고려 중인 몰탈(mortar)의 이상적인 사전 저장 시간은 약 240분이라는 결론을 내릴 수 있다. 이 경우 초기 강도가 동시에 크게 증가하면서 작업성의 변화는 작다.
콘크리트 스케일(concrete scale)의 경우 다음 데이터로 그 효과를 설명할 수 있다:
포틀랜드 시멘트(portland cement)(CEM I 52,5 R)와 w/c 비율 0.47의 콘크리트가 생산됐다. 이 콘크리트는 고가소제(유형: 폴리카복스-일레이트 에테르(polycarboxylate ether))와 240분 동안 사전 현탁(pre-suspension) 및 초음파 처리(w/c = 1.0), 부피 0.3 m³로 혼합되었다.
도 12는 본 발명에 따른 방법으로 생산된 콘크리트의 최초 24시간 동안의 압축 강도(compressive strength) 변화를 종래에 생산된 콘크리트와 비교하여 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 방법에 의해 생산된 전처리 현탁액이 포함된 콘크리트 시료(concrete sample)가 측정된 모든 시간에서 현저히 높은 압축 강도(compressive strength)를 나타내는 것을 알 수 있다.
1 장치(device)
2 기계 프레임(machine frame)
3 시멘트 프리믹서(cement premixer)
4 결정화 탱크(crystallization tank)
5 결정화 탱크(crystallization tank)
6 초음파 프로브(ultrasonic probe)
7 교반기(agitator)
8 교반기(agitator)
9 교반기(agitator)
10 배출구(Outlet)
11 재킷 섹션(jacket section)
12 바텀 섹션(bottom section)
13 교반용 칼날(stirring blade)
14 -
15 막대(rod)
16 비상 배수구(emergency drain)
17 센서 요소(sensor element)
18 배출구(Outlet)
19 -
20 이송관(transfer line)
21 -
22 바텀 섹션(bottom section)
23 -
24 플랜지 끝단(flange end)
25 -
26 배수구 노즐(drain nozzle)
27 센서 요소(sensor element)
28 배수구 노즐(drain nozzle)
100 방법(method)
101 콘크리트 믹서(concrete mixer)
102 첨가제(additive)
103 물(water)
104 시멘트(cement)
105 시멘트(cement)
106 자갈(gravel)
107 자갈(gravel)
108 모래(sand)
201 콘크리트 믹서(concrete mixer)
202 혼화제(admixture)
203 물(water)
204 시멘트(cement)
205 시멘트(cement)
206 자갈(gravel)
207 자갈(gravel)
208 모래
209 시멘트(cement)
210 물
211 첨가제(additive)
212 시멘트 프리믹서(cement premixer)
213 결정화 탱크(crystallization tank)

Claims (27)

  1. 콘크리트를 생산하기 위한 장치(1)에 있어서,
    시멘트 현탁액(cement suspension)을 혼합(mixing)하기 위한 시멘트 프리믹서(cement premixer)(3) - 상기 시멘트 프리믹서는 상기 시멘트 현탁액을 제공하기 위한 적어도 하나의 초음파 발생기, 특히 초음파 프로브(6)를 구비함 -;
    상기 콘크리트의 초기 강도를 증가시키기 위한 적어도 하나의 제1 결정화 탱크(crystallization tank)(4 또는 5), 특히 상기 제1 결정화 탱크(4 또는 5)를 갖는 결정화 탱크 배열(crystallization tank arrangement); 및
    특히, 골재(aggregate)(206-208)을 첨가하여 미리 혼합된(premixed) 시멘트 현탁액으로부터 콘크리트 혼합물(concrete mixture)을 생산하기 위한 콘크리트 믹서(concrete mixer)(201)를 포함하는,
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 프리믹서, 상기 결정화 탱크 및 상기 콘크리트 믹서는, 상기 시멘트 현탁액이 중력에 의해 상기 시멘트 프리믹서에서 상기 결정화 탱크로, 그리고 거기에서 상기 콘크리트 믹서로 흐를 수 있는 방식으로 지구 중력장에 대하여 배치되는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  3. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 제1 결정화 탱크는 교반기(agitator)(8, 9)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  4. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 제1 결정화 탱크는 측벽(side wall)(11) 및, 바람직하게는 굴곡진, 바닥면(bottom surface)(12)을 가지고,
    상기 교반기(8 or 9)는, 회전 가능한(rotable) 교반기 부착물(agitator attachement), 형상으로, 바람직하게는, 나선형 형상, 10 cm 미만의 거리에서, 바람직하게는, 5 cm 미만, 상기 바닥면(12)의 적어도 50 % 이상으로 걸쳐서 연장되는,
    장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 형상은,
    특히, 나선형 형상으로 디자인되어, 바람직하게는 고무(rubber) 및/또는 PTFE 립(Lip) 형태로 형성된 바닥 방향으로 엣지 와이퍼(edge wiper)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  6. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 장치(1)는,
    상기 제1 결정화 탱크(4)와 상기 콘크리트 믹서(201) 사이에, 바람직하게는 별도의 교반기(9)를 갖는 제2 결정화 탱크(5)를 포함하는,
    장치.
  7. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 장치는, 무압-작동(pressureless-operated) 시스템으로 설계된 것을 특징으로 하는,
    장치.
  8. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    조절 부재는 상기 결정화 탱크(4, 5) 사이의 이송관(transfer line)에 밸브(valve), 특히 핀치 밸브(pinch valve)로 형성된 것을 특징으로 하는,
    장치.
  9. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 장치는,
    특히, 적어도 하나의 결정화 탱크(4 또는 5)가 측정된 변수를 감지하기 위한, 특히 상기 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(4, 5)의 비상 배수(emergency draining)를 제어하기 위한 배열(17, 27)을 갖는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  10. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 장치는,
    특히, 감지된 측정 변수에 따라서, 유체(flow medium)를 공급하기 위한 공급 장치, 특히, 계량 장치(metering device)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  11. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 장치는, 상기 시멘트 현탁액의 온도를 결정하기 위한 센서를 갖는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  12. 전술한 청구항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(4, 5)는, 상기 시멘트 현탁액의 적어도 2 입방 미터(cubic meter), 보다 바람직하게는 1.5 - 4 입방 미터의 양(quantity)을 위해 설계되는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  13. 전술한 청구항 중 하나에 있어서
    상기 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(4, 5)는 상기 결정화 탱크(4, 5)의 벽을 따라 온도 제어를 위한 열 교환기 배열(heat exchanger arrangement) 특히, 이중 벽 세그먼트(double-wall segment)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  14. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 장치는,
    상기 시멘트 프리믹서(212)로 시멘트의 제1 부분 공급 라인 및 상기 콘크리트 믹서(201)로 시멘트의 제2 부분 공급 라인을 갖는 시멘트 저장 사일로(cement storage silo)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  15. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 장치는,
    상기 시멘트 프리믹서(212)로 시멘트의 제1 부분량(partial amount)을 측정하는 것(metering) 및 상기 콘크리트 믹서(210)로 시멘트의 제2 부분량을 측정하는 것 위한 시멘트 계량기(cement weigher)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  16. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(4, 5)는,
    상기 결정화 탱크에 위치하는 상기 시멘트 현탁액의 품질(quality)를 결정하기 위한 센서 요소(sensor element), 특히 온도 센서, 토크(torque) 센서(점도(viscosity)), 열 또는 전기 전도도를 결정하기 위한 전도도 센서, 초음파의 통과 시간(transit time), 초음파 속도를 결정하기 위한 센서 및/또는 밀도 센서를 결정하는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  17. 제16항에 있어서,
    엑추에이터(actuator), 특히, 온도 제어 장치, 입구 밸브(inlet valve) 및/또는 출구 밸브(outlet valve)를 상기 센서 요소에 의해 결정된 측정 값에 기초하여 제어하기 위한 제어 및/또는 평가 유닛을 갖는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  18. 특히 전술한 청구항 중 하나에 따른 장치와 같이, 콘크리트를 생산하기 위한 방법에 있어서,
    초음파를 사용하여 시멘트 프리믹서(212)에서 시멘트 현탁액을 제조하는 단계;
    미리 정해진 체류 시간(residence time) 동안 결정화 탱크(213)에서 상기 시멘트 현탁액을 교반하는 단계; 및
    미리 정해진 체류 시간 이후 상기 시멘트 현탁액을 콘크리트 믹서(201)로 이송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 시멘트 프리믹서(cement premixer)(212)는,
    처리 공간 - 여기에서, 적어도 하나의 초음파 프로브(6)는 상기 처리 공간에 대하여 적어도 부분적으로 돌출됨(project) - 을 포함하고,
    상기 초음파 프로브(6)는 초음파를 방출하고(emit), 상기 방출된 초음파(emitted ultrasound)는, 25 - 250 W/cm2의 강도 및 15 - 500 μm의 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  20. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 체류 시간의 제어는, 미리 정해진 온도에서 미리 정해진 시간에 따른 함수에 따라서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  21. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(4, 5)의 비상 배수(emergency draining)를 제어하는 것은,
    미리 정해진 온도에서 미리 정해진 시간에 따른 함수 및/또는 측정된 값, 특히 결정된 토크의 결정 함수에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  22. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 현탁액의 상기 체류 시간은, 이전에 결정된 열 방출에 기초하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  23. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 시멘트 현탁액의 물/시멘트 (w/c) 비율(ratio)은 0.5 - 2인 것을 특징으로 하는,
    방법.
  24. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 콘크리트 믹서(201)로 이송되기 전 상기 시멘트 현탁액의 사전 저장(pre-storage)은, 1 - 8 시간인 것을 특징으로 하는,
    방법.
  25. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 콘크리트 내 전처리된(pretreated) 시멘트의 비율이 5 - 95 wt. %, 이상적으로는 10 - 25 wt.%인 것을 특징으로 하는
    방법.
  26. 전술한 청구항 중 하나에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 결정화 탱크(4, 5)에 위치하는 상기 시멘트 현탁액의 물질 의존적 물리적 측정된 변수의 센서적 감지(sensory detection)가 수행되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 센서적 감지에 의해 결정된 측정 값에 기초하여 공급(feed) 및/또는 배출(discharge) 양, 교반 속도(stirring spped) 및/또는 온도의 제어가 수행되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
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