콘크리트

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배경

콘크리트는 화학적으로 불활성인 광물 골재(일반적으로 모래, 자갈 또는 쇄석), 결합제(천연 또는 합성 시멘트), 화학 첨가제 및 물을 결합하여 만든 경화 건축 자재입니다. 사람들은 일반적으로 "시멘트"라는 단어를 콘크리트의 동의어로 사용하지만 실제로 이 용어는 다른 물질을 나타냅니다. 콘크리트. 콘크리트가 건조되면서 돌과 같은 일관성을 갖게 되어 도로, 교량, 상하수도 시스템, 공장, 공항, 철도, 수로, 대중 교통 시스템 및 미국의 상당 부분을 구성하는 기타 구조물 건설에 이상적입니다. 재산. NIST(National Institute of Standards and Technology)에 따르면 이러한 시설을 건설하는 것은 그 자체로 미국에서 가장 큰 산업 중 하나이며 GDP의 약 10%를 차지합니다. 미국에서는 200억 달러 상당의 콘크리트 건설에 사용하기 위해 매년 40억 달러 이상의 가치가 있는 수경 시멘트가 생산되고 있습니다. 미국의 모든 시멘트 기반 구조물의 가치는 수조 달러로 향후 20년 동안 이러한 구조물을 수리하는 데 드는 예상 비용과 거의 비슷합니다.

시멘트와 콘크리트라는 단어는 둘 다 라틴어에서 유래했으며 고대 로마인이 이 물질을 처음 사용했을 가능성을 반영합니다. 로마 건축업자들이 수많은 천연 시멘트 퇴적물에 접근할 수 있었던 지중해를 둘러싸고 있는 국가에는 로마 콘크리트 건축의 많은 예가 남아 있습니다. 천연 시멘트는 주로 석회암에서 추출한 석회로 구성되며 종종 화산재와 결합됩니다. 그것은 최초의 합성 시멘트가 개발된 18세기까지 대부분의 토목 공학의 기초를 형성했습니다.

수경 석회라고 하는 최초의 인공 시멘트는 1756년 John Smeaton이라는 영국 엔지니어가 Devon 해안에서 Eddystone 등대를 재건하기 위해 강력한 재료가 필요했을 때 개발되었습니다. 로마인들은 수경 시멘트를 사용했지만, 그 공식은 Smeaton이 그것을 재발명할 때까지 A.D 5세기 제국의 붕괴로 인해 사라졌습니다. 19세기 초에 다른 몇몇 영국인, 특히 Joseph Aspdin과 Isaac Charles Johnson이 합성 시멘트의 개선에 기여했습니다. 1824년 Aspdin은 석회석과 점토의 합성 혼합물에 대한 특허를 얻었습니다. 이 합성물은 영국 포틀랜드 섬에서 채석된 석회암과 닮았기 때문에 포틀랜드 시멘트라고 불렀습니다. 그러나 Aspdin의 제품은 Johnson이 1850년에 생산한 제품만큼 강력하지 않았습니다. Johnson의 공식은 오늘날에도 여전히 널리 사용되는 Portland 시멘트의 기초가 되었습니다. 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트는 더 강하고 내구성이 있으며 품질이 더 일관되기 때문에 천연 시멘트로 만든 콘크리트보다 우수한 것으로 간주됩니다. 미국재료시험협회(ASTM)에 따르면 포틀랜드 시멘트는 석회석과 같은 석회질(대부분 탄산칼슘으로 구성됨) 재료와 실리카, 알루미나 및 산화철을 함유한 재료를 혼합하여 만들어집니다. 그런 다음 이러한 물질은 함께 융합될 때까지 연소되고 생성된 혼합물 또는 클링커는 분쇄되어 포틀랜드 시멘트를 형성합니다.

포틀랜드 시멘트가 유럽에서 천연 시멘트를 빠르게 대체했지만 미국의 콘크리트 기술은 상당히 뒤쳐져 있었습니다. 미국에서 천연 시멘트 암석은 이리 운하(Erie Canal)를 건설하는 데 사용된 1800년대 초에 처음 발견되었습니다. 이러한 내륙 수로의 건설은 천연 시멘트를 생산하는 많은 미국 회사의 설립으로 이어졌습니다. 그러나 포틀랜드 시멘트의 강도가 더 높기 때문에 많은 건설 엔지니어들이 추가 시간과 비용에도 불구하고 유럽에서 주문하는 것을 선호했습니다. Thomas Edison은 포틀랜드 시멘트와 캐스트 축음기 캐비닛에 매우 관심이 많았습니다. 1870년대 초 미국 산업계가 포틀랜드 시멘트를 만드는 방법을 알아냈을 때 미국의 천연 시멘트 생산량이 감소하기 시작했습니다.

포틀랜드 시멘트가 정제된 후 콘크리트 기술의 다음 주요 혁신은 철근 콘크리트가 발명된 19세기 후반에 발생했습니다. 콘크리트는 압축에 쉽게 저항하지만 장력을 잘 견디지 못하며 이러한 약점으로 인해 다리나 아치가 있는 건물과 같이 굽힘 작용을 받을 수 있는 구조물을 만드는 데 사용할 수 없습니다. 프랑스와 영국 엔지니어들은 1850년대에 인장 응력을 받는 콘크리트 구조물의 해당 부분에 강철 막대를 삽입하여 이 결함을 처음 수정했습니다. 콘크리트 자체가 강화되지는 않았지만 철근 콘크리트로 지어진 구조물은 굽힘을 더 잘 견딜 수 있으며 이 기술은 20세기 초반까지 국제적으로 사용되었습니다.

강화 콘크리트의 또 다른 형태인 프리스트레스 콘크리트는 1888년에 미국 특허를 취득했습니다. 그러나 이를 활용한 여러 개의 대형 부두와 교량이 건설된 제2차 세계 대전까지는 널리 사용되지 않았습니다. 이제 엔지니어는 콘크리트 구조물의 높은 응력을 받는 부분을 강철로 보강하는 대신 응력을 가하기 전에 콘크리트 섹션을 압축하여 인장을 견디는 능력을 높일 수 있습니다.

오늘날 다양한 유형의 콘크리트는 설치 방법에 따라 분류됩니다. 레미콘 또는 프리믹스 콘크리트는 현장으로 배송되기 전에 중앙 플랜트에서 배치 및 혼합됩니다. 이러한 유형의 콘크리트는 때때로 교반기 트럭으로 운송되기 때문에 운송 혼합 콘크리트라고도 합니다. 수축혼합콘크리트는 중앙공장에서 부분혼합을 하고 현장으로 가는 도중에 믹싱을 완료한다.

원자재

구조용 콘크리트는 일반적으로 시멘트 1:미세 광물 골재 2, 거친 광물 골 4 비율을 포함하지만, 이러한 비율은 특정 환경에서 요구되는 강도와 유연성을 달성하기 위해 종종 변경됩니다. 또한 콘크리트에는 특정 용도에 필요한 특성을 부여하는 광범위한 화학 물질이 포함되어 있습니다. 콘크리트에 가장 많이 사용되는 포틀랜드 시멘트는 석회질 물질(보통 석회석)과 점토나 혈암에서 발견되는 실리카와 알루미나의 조합으로 만들어집니다. 적은 양으로 산화철과 마그네시아를 함유할 수도 있습니다. 콘크리트의 75%를 차지하는 골재는 시멘트 페이스트의 형성과 흐름을 개선하고 콘크리트의 구조적 성능을 향상시킵니다. 미세 등급은 최대 입자로 구성됩니다. 크기가 20인치(5밀리미터)인 반면 거친 등급에는 입자가 포함됩니다. 20 ~ 79인치(20밀리미터). 대규모 건설의 경우 골재 입자 크기는 1.50인치(38밀리미터)를 초과할 수 있습니다.

골재는 또한 현무암, 부싯돌 및 화강암과 같이 구성되는 암석의 유형에 따라 분류할 수 있습니다. 집계의 또 다른 유형은 포졸라나, 종종 화산재에서 파생되는 규산질 및 알루미늄질 물질. 석회석 및 수분과 화학적으로 반응하여 시멘트의 기초가 되는 규산칼슘 수화물을 형성합니다. Pozzolana는 일반적으로 포틀랜드 시멘트 페이스트에 첨가되어 밀도를 높입니다. 화산 광물의 한 유형인 규산알루미늄은 규산질 광물과 결합되어 무게를 줄이고 콘크리트와 강철 표면 사이의 결합을 개선하는 복합 재료를 형성합니다. 그 응용 분야에는 프리캐스트 콘크리트 형태와 고속도로용 아스팔트/콘크리트 포장이 포함됩니다. 알루미노실리케이트와 소량의 석회를 포함하는 석탄 연소 발전소 부산물인 플라이 애쉬도 시멘트용 포졸란 물질로 시험되고 있습니다. 열수 공정(압력 하에서 뜨거운 물을 사용하는 공정)에서 플라이애시와 석회(CaO)를 결합하면 시멘트도 생산됩니다.

다양한 화학 물질이 시멘트에 첨가되어 가소제, 초가소제, 촉진제, 분산제 및 감수제로 작용합니다. 혼화제라고 하는 이러한 첨가제는 경화되지 않은 상태의 시멘트 혼합물의 작업성, 적용 후 시멘트의 강도 및 재료의 수밀성을 높이는 데 사용할 수 있습니다. 또한 작업성을 얻기 위해 필요한 물의 양과 튼튼한 콘크리트를 만드는 데 필요한 시멘트의 양을 줄일 수 있습니다. 경화 시간을 단축시키는 촉진제는 염화칼슘 또는 황산알루미늄 및 기타 산성 물질을 포함합니다. 가소제 또는 초가소화제는 동일한 물/시멘트 비율로 신선한 시멘트 혼합물의 유동성을 증가시켜 혼합물의 작업성과 배치 용이성을 향상시킵니다. 전형적인 가소제는 폴리카르복실산 물질; 초가소제는 설판화 멜라민 포름알데히드 또는 설판화 나프탈렌 포름알데히드 축합물입니다. 또 다른 유형의 혼화제인 Setretarders는 콘크리트 응결을 지연시키는 데 사용됩니다. 여기에는 가용성 아연염, 가용성 붕산염 및 탄수화물 기반 물질이 포함됩니다. 가스 형성 혼합물, 분말 아연 또는 알루미늄과 수산화칼슘 또는 과산화수소는 시멘트 혼합물에 갇힌 수소 또는 산소 거품을 생성하여 폭기된 콘크리트를 형성하는 데 사용됩니다.

시멘트는 부서지기 쉬운 재료로 간주됩니다. 즉, 쉽게 부서집니다. 따라서 콘크리트의 인장강도를 증가시키기 위해 많은 첨가제가 개발되었다. 한 가지 방법은 폴리비닐 알코올, 폴리아크릴아미드 또는 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스와 같은 고분자 재료를 시멘트와 결합하여 때로 거대 결함이 없는 시멘트로 알려진 것을 생산하는 것입니다. 또 다른 방법은 스테인리스 스틸 로 만든 섬유를 추가하는 것입니다. 유리 또는 탄소. 이러한 섬유는 스트랜드, 시트, 부직포 또는 직포 형태로 짧을 수 있습니다. 일반적으로 이러한 섬유는 섬유 강화 콘크리트 부피의 약 1%에 불과합니다.

제조
프로세스

콘크리트 제조는 매우 간단합니다. 먼저 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트)가 준비됩니다. 다음으로 골재(모래 또는 자갈과 같은), 혼화제(화학 첨가제), 필요한 섬유 및 물과 같은 다른 성분을 시멘트와 함께 혼합하여 콘크리트를 형성합니다. 그런 다음 콘크리트는 작업 현장으로 배송되어 타설되고 압축되고 양생됩니다.

포틀랜드 시멘트 준비

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1 포틀랜드 시멘트를 구성하는 석회석, 실리카, 알루미나를 건조분쇄하여 매우 미세한 분말로 만든 후 일정 비율로 혼합하여 예열한 후 소성한다. ). 다음으로 재료는 화씨 2,550도(섭씨 1,400도)의 대형 회전 가마에서 연소됩니다. 이 온도에서 물질은 부분적으로 클링커로 알려진 물질로 융합됩니다. 현대식 가마는 하루에 최대 6,200톤의 클링커를 생산할 수 있습니다.

2 클링커는 냉각되고 튜브 또는 볼 밀에서 미세한 분말로 분쇄됩니다. 볼 밀은 클링커를 부수고 분쇄하는 다양한 크기(시멘트의 원하는 입도에 따라 다름)의 강구로 채워진 회전 드럼입니다. 연삭 과정에서 석고가 첨가됩니다. 최종 구성은 tricalcium silicate, dicalcium silicate, tricalcium aluminate 및 tetracalcium aluminoferrite와 같은 여러 화합물로 구성됩니다.

믹싱

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3 시멘트는 골재(모래, 자갈 또는 쇄석), 혼합물, 섬유 및 물과 같은 다른 성분과 혼합됩니다. 골재는 사전 혼합되거나 정상적인 작동 조건에서 레디 믹스 콘크리트 공장에서 추가됩니다. 혼합 작업은 회전 또는 교반을 사용하여 골재 표면을 시멘트 페이스트로 코팅하고 다른 성분을 균일하게 혼합합니다. 다양한 배치 또는 연속 믹서가 사용됩니다.

4 섬유는 원하는 경우 직접 분무, 사전 혼합, 함침 또는 수동 적층을 포함한 다양한 방법으로 추가할 수 있습니다. 실리카흄은 종종 분산제 또는 고밀화제로 사용됩니다.

작업 현장으로의 운송

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5 콘크리트 혼합물이 준비되면 작업 현장으로 운반됩니다. 수레, 버킷, 벨트 컨베이어, 콘크리트를 만드는 첫 번째 단계는 시멘트를 준비하는 것입니다. 시멘트의 한 유형인 Pordand 시멘트는 더 강하고 내구성이 있으며 품질이 더 일관적이기 때문에 천연 시멘트보다 우수한 것으로 간주됩니다.
원료를 부수어 곱게 갈아 고운 가루로 만든 뒤 함께 섞는다. 다음으로 재료는 하소 및 연소의 두 가지 가열 단계를 거칩니다. 소성에서 재료는 고온으로 가열되지만 함께 융합되지는 않습니다. 그러나 연소 시 재료가 부분적으로 융합되어 "클링커"로 알려진 물질을 형성합니다. 그런 다음 클링커는 재료를 분쇄하는 강철 볼로 채워진 회전하는 강철 드럼인 볼 밀에서 분쇄됩니다. 포틀랜드 시멘트가 준비된 후 모래 또는 자갈과 같은 골재, 혼화제, 섬유 및 물. 다음으로 작업 현장으로 옮겨 배치됩니다. 배치하는 동안 다양한 성분의 분리를 피해야 완전한 압축(기포 제거)이 달성될 수 있습니다. 특수 트럭 및 펌핑. 펌핑은 호퍼, 펌프 및 파이프로 구성된 시스템을 사용하여 파이프라인을 통해 먼 거리에 걸쳐 많은 양의 콘크리트를 운송합니다. 펌프는 반회전 밸브가 있는 수평 피스톤 펌프와 스퀴즈 펌프라고 하는 소형 휴대용 펌프 등 여러 유형이 있습니다. 진공은 콘크리트를 공급 파이프로 이동시키기 위해 유연한 파이프를 압착하는 두 개의 회전 롤러로 콘크리트의 연속적인 흐름을 제공합니다.

배치 및 압축

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6 현장에 도착하면 콘크리트를 타설하고 다져야 합니다. 이 두 작업은 거의 동시에 수행됩니다. 다양한 성분의 분리를 방지하고 모든 기포를 제거한 상태로 완전히 압축할 수 있도록 배치해야 합니다. 낙하산을 사용하든 버기를 사용하든 이러한 목표를 달성하려면 위치가 중요합니다. 타설 속도와 다짐 속도는 같아야 합니다. 후자는 일반적으로 내부 또는 외부 진동기를 사용하여 수행됩니다. 내부 진동기는 모터 구동 샤프트를 하우징하는 포커를 사용합니다. 포커가 콘크리트에 삽입되면 제어된 진동이 발생하여 콘크리트를 압축합니다. 외부 진동기는 내부 진동기에 적합하지 않은 모양 또는 두께를 갖는 프리캐스트 또는 얇은 현장 섹션에 사용됩니다. 이러한 유형의 진동기는 탄성 지지대에 있는 거푸집에 단단히 고정됩니다. 거푸집과 콘크리트가 모두 진동합니다. 테이블이 반대 방향으로 회전하는 두 개의 샤프트를 사용하여 수직 진동을 생성하는 진동 테이블도 사용됩니다.

경화

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7 일단 타설되고 압축되면 콘크리트가 너무 빨리 건조되지 않도록 완료되기 전에 양생해야 합니다. 콘크리트의 강도는 경화 과정에서 수분 수준의 영향을 받습니다. 시멘트가 응고되면서 콘크리트가 수축합니다. 현장 제약 조건으로 인해 콘크리트가 수축되지 않으면 인장 응력이 발생하여 콘크리트가 약해집니다. 이 문제를 최소화하려면 콘크리트가 굳고 굳는 데 필요한 며칠 동안 축축한 상태를 유지해야 합니다.

품질 관리

콘크리트 제조업체는 원자재 공급업체가 일관되고 균일한 제품을 공급하기를 기대합니다. 시멘트 생산 공장에서는 일관된 킬른 공급을 위해 시멘트에 들어가는 다양한 원료의 비율을 확인해야 하며 혼합물의 샘플은 X선 형광 분석을 사용하여 자주 검사됩니다.

콘크리트의 강도는 사양을 준수하기 위해 테스트해야 하는 가장 중요한 속성일 것입니다. 원하는 강도를 달성하기 위해 작업자는 일반적으로 통계적 공정 제어를 사용하여 제조 공정을 신중하게 제어해야 합니다. 미국 재료 시험 표준 및 기타 조직은 강도 시험을 위한 다양한 방법을 개발했습니다. 품질 관리 차트는 레미콘 공급업체와 현장 엔지니어가 콘크리트 강도를 지속적으로 평가하는 데 널리 사용됩니다. 규정 준수에 중요한 기타 특성에는 시멘트 함량, 물/시멘트 비율 및 작업성이 포함되며 이에 대한 표준 테스트 방법도 개발되었습니다.

미래

미국이 1930년대부터 1960년대까지 시멘트 기술 개선에 있어 세계를 주도했지만, 이후 유럽과 일본은 신제품, 연구 및 개발에 앞장서고 있습니다. 미국의 리더십을 회복하기 위한 노력의 일환으로 국립과학재단은 노스웨스턴 대학교에 첨단 시멘트 기반 재료 과학 및 기술 센터를 설립했습니다. ACBM 센터는 개선된 특성을 가진 새로운 시멘트 기반 재료를 만드는 데 필요한 과학을 개발할 것입니다. 이들은 고속도로, 교량, 발전소 및 폐기물 처리 시스템의 복원 및 수리뿐만 아니라 신축 공사에 사용될 것입니다.

미국 기반 시설의 악화로 인해 고속도로 산업의 강조점은 새로운 도로와 교량 건설에서 기존 구조물의 유지 및 교체로 바뀌었습니다. 비용을 절감하려면 더 나은 기술과 재료가 필요하기 때문에 전략적 고속도로 연구 프로그램 (SHRP)는 5년간 1억 5천만 달러의 연구 프로그램으로 1987년에 설립되었습니다. 목표 영역은 아스팔트, 포장 성능, 콘크리트 구조물 및 고속도로 운영이었습니다.

NIST 건축기술센터에서도 콘크리트 성능 향상을 위한 연구를 진행하고 있다. 프로젝트에는 현장에서 콘크리트를 테스트하는 새로운 방법을 개발하는 여러 프로젝트가 포함됩니다. 다른 프로젝트에는 서비스 수명 예측을 위한 속성 및 모델의 컴퓨터 모델링이 포함됩니다. 또한 콘크리트 혼합물을 설계하고 콘크리트 열화의 원인을 진단하기 위한 여러 전문가 시스템이 개발되었습니다.

또 다른 시멘트 산업의 경향은 더 적은 수의 더 큰 생산 시스템에 제조가 집중된다는 것입니다. 이는 여러 구형 생산 라인을 단일 고용량 라인으로 교체하거나 더 높은 생산 수율을 위해 기존 라인을 업그레이드 및 현대화함으로써 달성되었습니다. 자동화는 이러한 증가된 수율을 달성하는 데 계속 중요한 역할을 할 것입니다. 폐기물 부산물을 원료로 사용하는 일도 계속될 것입니다.