에너지 변형 시멘트

Energetically modified cement
화산암으로 만든 EMC(Lulea, 스웨덴, 2020)

에너지 변형 시멘트(EMC)는 포졸란(예: 플라이 애쉬, 화산재, 포졸라나), 실리카 모래, 고로 슬래그 또는 포틀랜드 시멘트(또는 이러한 [1]성분들의 혼합물)로 만든 시멘트입니다."에너지 수정"이라는 용어는 원재료에 적용된 기계화학적 과정으로 인해 발생하며, 보다 정확하게 "고에너지 볼 밀링(HEBM)"으로 분류된다.이것은 무엇보다도 물질의 열역학적 변환을 유발하여 화학 반응성을 [2]증가시킵니다.EMC의 경우 사용되는 EBM 프로세스는 스웨덴에서 발견된 독특한 형태의 진동 밀링으로 시멘트 재료에만 적용됩니다. 여기서 "EMC Activation"[3]이라고 합니다.

포졸란의 반응성을 향상시킴으로써 강도발달률을 높일 수 있다.이를 통해 콘크리트 및 모르타르에 대한 최신 제품 성능 요구사항("기술 표준")을 준수할 수 있습니다.이를 통해 콘크리트와 모르타르 혼합물의 포틀랜드 시멘트를 교체할 수 있습니다.이것은 그들의 장기적인 [2]자질에 많은 이점을 가지고 있다.

에너지적으로 변형된 시멘트는 용도가 다양합니다.예를 들어 EMC는 미국의 대규모 인프라 프로젝트의 콘크리트에 사용되어 미국의 콘크리트 [4]표준을 충족하고 있습니다.

정당성

스웨덴 룰레오에 있는 룰레오 공과대학(LTU) 캠퍼스

"에너지 변형 시멘트"라는 용어는 1993년 스웨덴 [5][6]루레오 공과대학(LTU)에서 처음 발견된 전문 고강도 밀링 공정을 사용하여 생산된 시멘트의 클래스를 나타내는 단순한 열역학 기술자를 포함하고 있습니다.변환 프로세스는 재료를 [6][7][8]직접 가열하는 것이 아니라 완전히 기계적으로 시작됩니다.기계화학적 변환의 메커니즘은 종종 복잡하고 "전통적인" 열 또는 광화학 [9][10]메커니즘과는 다릅니다.EBM 변환의 효과는 궁극적으로 수정된 깁스 [11]에너지에 존재하는 열역학적 변화를 일으킨다.이 공정은 [3][12]변형된 물질의 결합 용량과 화학 반응 속도를 증가시킵니다.

에너지적으로 변경된 [13]시멘트의 "셀프 힐링" 특성에 관한 지속적인 연구 및 연구가 LTU에서 진행 중입니다. 예를 들어 EMC는 스웨덴의 [14]Elsa o Sven Thysells störstructionstekning forskning (Elsa & Sven Tysell Foundation for Constructionstekning)로부터 상을 받았습니다.

EMC 용어 사용

"에너지 변형 시멘트"라는 용어는 1992년 블라디미르 로닌에 의해 처음 사용되었으며, 1993년 로닌 등의 논문에서 소개되어 학술 노르딕 콘크리트 연구 [15]그룹의 공식 회의에서 제시되었다.이 과정은 Lennart Elfgren(현 [16]LTU 명예교수)을 포함한 Ronin과 다른 사람들에 의해 개선되었습니다.

1996년 벨기에 브뤼셀에서 열린 제45회 세계 발명, 연구 및 혁신 전시회에서 EMC Activation은 유럽 정부 간(연구 개발) 기구인 EUREKA로부터 "modification energique de ciments"[17]에 대한 언급과 함께 금메달을 받았습니다.

"에너지적으로 수정된"이라는 용어는 2017년 등 다른 곳에서도 사용되었지만,[18] 이러한 용어가 사용된 방법이 여기에서 정의한 EMC 활성화 방식임을 의미하지는 않습니다.

개요

청구내용은 다음과 같습니다.[4][19][20][21]

  • EMC는 가공된 재료에 따라 색상이 달라지는 미세 분말(모든 시멘트의 일반적인 형태)입니다.
  • EMC는 포틀랜드 시멘트 생산에 사용되는 에너지의 "분열"만을 사용하여 생산됩니다(최대 120KWh/tonne, 포틀랜드 시멘트의 10% 미만).
  • 이 과정에서 배출되는 CO2는 없습니다.그것은 "배출량 제로"이다.
  • EMC의 목적은 사용 중인 모르타르 또는 콘크리트의 Portland 시멘트 요구 사항을 대체하는 것입니다.70% 이상의 교환이 요구되고 있습니다.
  • EMC 액티베이션은 건식 프로세스입니다.
  • 유독가스는 배출되지 않습니다.
  • EMC 액티베이션은 저온 프로세스입니다만, 온도가 「서브 마이크론」척도로 「순간적으로 극단」이 되는 경우가 있습니다.
  • EMC는 열역학적 변환에 화학물질을 필요로 하지 않습니다.
  • EMC에는 변형된 원재료에 따라 몇 가지 유형이 있습니다.
  • 사용자 요구사항에 따라 납품된 건조 제품은 "고클링커" 포틀랜드 시멘트의 소수 비율을 구성할 수도 있습니다.
  • EMC의 각 유형에는 기계적 부하와 강도 개발을 포함한 고유한 성능 특성이 있습니다.EMC에서 주조된 콘크리트는 상당한 "자기 치유" 기능을 제공할 수 있습니다.
  • 가장 많이 사용되는 EMC는 플라이 애쉬와 천연 포졸란으로 만들어집니다.이들은 비교적 풍부한 재료이며 성능 특성이 포틀랜드 시멘트를 능가할 수 있습니다.
  • 실리카 모래와 화강암은 또한 포틀랜드 시멘트를 대체하는 공정으로 처리될 수 있습니다.
  • EMC 제품은 독립 연구소에서 광범위하게 테스트되었으며 연방 고속도로 관리 프로젝트를 포함한 여러 미국 DOT에서 사용할 수 있도록 인증되었습니다.
  • EMC는 ASTM C618-19(미국), EN-197, EN-206 및 EN 450-1:2012(EEA를 포함한 CEN 지역), BS 8615-1:2019(영국) 등의 각 기술 표준을 준수합니다.
  • 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우와 비교하여 EMC를 사용한 콘크리트 혼합물은 강도 개발 요구사항을 충족하기 위해 더 높은 "총 시멘트 함량"을 요구하지 않습니다.
  • BASF의 테스트에서 포틀랜드 시멘트를 천연 포졸란 EMC로 55% 대체하기 위한 28일간의 강도 개발은 14,000psi/96.5Mpa(즉 > C95)였습니다.이는 335kg/m^3(564lbs/CY) 콘크리트 혼합물의 "총 시멘트 함량"으로 구성되었습니다.

EMC를 '저탄소' 시멘트로 사용

포틀랜드 시멘트와 달리 EMC 생산에서는 이산화탄소가 전혀 배출되지 않습니다.이것에 의해, EMC는 「저탄소 시멘트」[7]가 됩니다.

EMC의 CO 절감2 능력에 대한 첫 번째 주장은 1999년에 제기되었으며, 당시 전 세계 포틀랜드 시멘트 생산량은 연간 [19][22]16억 톤이었습니다.2011년부터 2019년까지 전 세계 포틀랜드 시멘트 생산량은 연간 [23][Note 1]36억 톤에서 41억 톤으로 증가했습니다.에너지 변형 시멘트는 2002년 이후 전 세계적으로2 CO 감축에 기여할 수 있는 가능성을 대외적으로 인정받아 현재 [5][6][8]진행 중이다.최근 인정된 사항으로는 2019년 에너지 전환 위원회(Adair Turner 경 및 Stern 경) 보고서: Mission Possible 부문별 초점: 시멘트(2019년)[24]가 있다."제로 카본" 잠재력에 대한 추가적인 인식은 McKinsey & Co에 의해 2020년 보고서 "제로 카본 [25]시멘트의 기반 구축"에서 제시되었습니다.

생산 및 현장 사용

IH-10에서의 EMC 적용
(인터스테이트 하이웨이), 텍사스, 미국.

생산 시 유해한 배출물이나 독성 화학물질 없음

EMC 활성화는 순전히 기계적인 프로세스입니다.따라서 가열이나 연소 또는 실제로 화학처리가 필요하지 않습니다.즉, EMC [19]제조 과정에서 연기가 전혀 발생하지 않습니다.

사용 이력

EMC는 1992년부터 다양한 [4]용도로 프로젝트 용도로 생산되어 왔습니다.2010년까지 EMC를 포함한 콘크리트 주입량은 주로 미국 DOT 프로젝트에서 [4]약 4,500,000 cu yd(3,440,4963 m)였습니다.이러한 맥락에서 보면, 샌프란시스코에서 [26]뉴욕까지 미국 표준 고속도로에 해당하는 총 4,360,000 cu·yds(3,333,459 m†)의 콘크리트가 쏟아진 후버 댐, 관련 발전소 및 부속 공사의 전체 건설보다 더 많은 것이다.

스웨덴에서의 초기 사용

플라이 애쉬로 만든 EMC를 사용한 초기 프로젝트는 1999년 스웨덴 건설 회사인 Skanska와 함께 스웨덴 Karungi에 도로 다리를 건설한 것입니다.Karungi 도로 다리는 Karungi의 혹독한 아한대 기후와 연중 및 주간 기온의 [19]차이를 견뎌냈다.

미국에서의 사용법

미국에서는 에너지적으로 수정된 시멘트가 PennDOT, TxDOT 및 CalTrans를 [21]포함한 여러 주 교통 기관에 의해 사용이 승인되었습니다.

미국에서는 고속도로 [4]다리와 수백 마일의 고속도로 포장 도로가 EMC에서 파생된 콘크리트를 사용하여 건설되었습니다.이 프로젝트에는 [4]10번 주간 고속도로 구간이 포함됩니다.이러한 프로젝트에서 EMC는 콘크리트를 주입한 [27]포틀랜드 시멘트의 최소 50%를 교체했습니다.이는 에너지 개조를 사용하지 [28]않는 프로젝트의 일반적인 플라이 애쉬의 약 2.5배입니다.독립적인 테스트 데이터에 따르면 모든 [27]프로젝트에서 28일간의 강도 개발 요건이 초과되었습니다.

또 다른 프로젝트는 텍사스주 휴스턴항의 여객 터미널 확장으로, 염화물 및 황산 이온 투과성(해수에 대한 저항성 증가)에 높은 내성을 보이는 콘크리트를 생산하는 에너지 변형 시멘트의 능력이 [4]한 요인이었다.

EMC제 콘크리트 및 모르타르의 특성

도표: 콘크리트 [29][Note 2]내구성 시험을 위한 "배체 방법"

최종사용을 위한 커스텀 디자인

EMC로 만든 모르타르와 콘크리트의 성능은 맞춤형으로 설계할 수 있습니다.예를 들어 EMC 콘크리트는 일반 도포(강도와 내구성을 위해)에서 고속 및 초고속 경화 고강도 콘크리트 생산까지 다양합니다(24시간 동안 70MPa/10,150psi 이상, 28일 [20]동안 200MPa/29,000psi 이상).이를 통해 에너지적으로 수정된 시멘트가 고성능 콘크리트를 [citation needed]산출할 수 있습니다.

EMC 콘크리트 및 모르타르의 내구성

EMC Activation이 진행 중인 시멘트 재료는 EMC [20]Activation으로 처리된 Portland 시멘트를 포함하여 내구성이 향상될 수 있습니다.포졸라닉 EMC는 포틀랜드 [30]시멘트 콘크리트보다 포졸라닉 EMC로 만든 콘크리트가 내구성이 높다.

EMC 활성화로 포틀랜드 시멘트를 처리하면 고성능 콘크리트(HPC)가 생성됩니다.이러한 HPC는 처리되지 않은 포틀랜드 [20]시멘트로 제조된 HPC에 비해 고강도, 고내구성 및 강도 향상을 나타냅니다.EMC Activation 프로세스로 Portland 시멘트를 처리하면 일반적으로 허용되는 [20][29]방법에 따라 측정 시 강도 발달을 거의 50% 향상시키고 내구성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

소금물 공격에 대한 저항력 강화

첨가물 없이 일반 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트는 소금물에 [29]대한 내성이 상대적으로 약하다.반면 EMC는 염화물 및 황산 이온 공격에 대해 낮은 알칼리 실리카 반응성(ASR)[27]과 함께 높은 저항성을 보입니다.예를 들어, 내구성 테스트는 "Bache 방법"에 따라 수행되었습니다(그림 참조).28일 경화 후 각각 180.3 및 128.4 MPa(26,150 및 18,622psi)의 압축 강도를 가진 HPC로 만든 샘플을 바첼 방법을 사용하여 테스트했다.샘플은 (a) EMC(EMC 활성화 과정을 거친 포틀랜드 시멘트와 실리카 증기로 구성) 및 (b) 포틀랜드 시멘트로 제작되었습니다.결과 질량 손실은 내구성을 결정하기 위해 플롯으로 표시되었습니다.비교 결과, 테스트 결과는 다음과 같습니다.

  • 반면, 참조 포틀랜드 시멘트 콘크리트는 "고강도 콘크리트에 대한 바첼의 자체 관찰에 따라 약 16 바첼 방법 주기 후 완전한 파괴"[20][29]를 보였다.
  • EMC 고성능 콘크리트는 80 바첼 주기의 전체 테스트 기간 동안 "일관된 높은 수준의 내구성"을 보였다. 예를 들어, "콘크리트의 스케일링이 실제로 관찰되지 않았다."[20]

즉, EMC Activation 프로세스로 Portland 시멘트를 처리하면 일반적으로 허용되는 [20]방법에 따라 측정 시 강도-발달을 거의 50% 증가시키고 내구성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

EMC Concretes의 낮은 침출성

LTU는 2001년 스웨덴의 한 전력 생산 회사를 대표하여 플라이 애쉬로 만든 EMC로 만든 콘크리트에 대해 침출성 테스트를 실시했습니다.이러한 테스트에서 주물 콘크리트는 "환경적으로 관련된 모든 금속"[31][32]에 대해 "낮은 표면 특이 침출성"을 보였다는 것이 확인되었습니다.

화산 물질과 같은 포졸란을 사용하는 EMC

EMC의 데모
'자기희생적' 성향...
  • PHOTO A [33]

    사진 A [33]

  • PHOTO B

    사진 B

개입 없이 4.5개월 후에 균열이 완전히 스스로 메워졌다.

Pozzolanic EMC의 자가 치유 특성

자연 포졸란 반응은 이러한 물질을 함유한 모르타르와 콘크리트를 "자기 치유"[34][35][36]하게 만들 수 있습니다.EMC 활성화 프로세스는 이러한 포졸란 [37][38]반응의 발생 가능성을 높일 수 있습니다.같은 경향은 비잔틴 황제 유스티니아누스(현재의 [39]터키 이스탄불)를 위해 지어진 하기아 소피아의 다양한 지지 구조물에서도 발견되고 연구되었다.대부분의 로마 시멘트와 마찬가지로, 많은 양의 포졸라나를 포함한 박격포가 사용되었는데,[40] 이는 지진에 의한 스트레스 효과에 대한 저항력을 증가시키기 위해서라고 생각되었다.

포졸란 소재로 만들어진 EMC는 현상 시 사진을 찍을 수 있는 "생체 모방" 자가 치유 기능을 제공합니다([33]그림 삽입 참조).

캘리포니아 Pozolan을 사용하는 EMC

포틀랜드 시멘트의 최소 50%를 EMC로 대체하여 만든 콘크리트는 대량 [27]적용에서 일관된 현장 결과를 산출했습니다.이는 또한 천연 포졸란(예: [41]화산재)으로 만들어진 EMC의 경우이다.

남캘리포니아의 화산재 퇴적물은 독립적으로 테스트되었다. 포틀랜드 시멘트 대체량의 50%에서 결과 콘크리트는 관련 미국 [42]표준의 요구사항을 초과했다.28일의 압축 강도는 4,180psi/28.8MPa(N/mm²)였습니다.56일 동안의 강도는 미국 콘크리트 [43]협회가 권장한 안전 여유도를 감안하더라도 4,500psi(31.1MPa) 콘크리트 요구 조건을 초과했습니다.이러한 방식으로 만들어진 콘크리트는 7일과 [42]28일 모두 포졸란 활성의 75% 기준을 초과할 정도로 충분히 견고하고 작동성이 있었습니다.콘크리트 내 포졸란의 표면 평활도도도 [42]향상되었다.

포졸란 반응에 미치는 영향

미국 캘리포니아 남부에 위치한 화산재 퇴적물.

EMC Activation은 포졸란의 포졸란 [37][38]반응에 대한 화학적 친화력을 높이는 과정입니다.따라서 처리되지 않은 [27][41]포졸란보다 더 높은 치환율로 콘크리트의 더 빠르고 더 큰 강도 개발이 가능합니다.이러한 변형(지금은 반응성이 높은 포졸란)은 일반적으로 수화물 범위의 최종 목표로 간주되는 알려진 포졸란 반응 경로를 사용하여 추가적인 이점을 입증한다.EMC에 대한 NMR 연구는 EMC 활성화가 "C3S 결정 주위에 얇은2 SiO 층의 형성"을 유발한다고 결론내렸고, 이는 "포졸란 반응을 가속화하고 수화물의 보다 광범위한 그물 성장을 촉진한다"[44]고 결론지었다.

간단히 말하면, 콘크리트 중 포졸란을 사용함으로써 포틀랜드라이트는 일반 [45]시멘트를 사용하여 생성된 다공질 및 부드러운 반응성 탄산칼슘이 아닌 단단하고 불침투성(비반응성) 화합물로 변할 수 있다.포졸란 화학의 많은 최종 산물은 모스 눈금으로 7.0 이상의 경도를 보입니다."또, 「셀프 힐링」기능은, 기계적 부하가 존재할 가능성이 있는 필드 애플리케이션의 내구성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

포졸란 콘크리트의 이점은 콘크리트(EMC와의 콘크리트 포함)에서 포틀랜드 시멘트가 물과 결합하여 복잡한 일련의 화학 반응을 통해 돌과 같은 물질을 생성한다는 사실에서 시작됩니다. 이 물질의 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았습니다.미네랄 하이드레이션이라고 불리는 이 화학적 과정은 콘크리트 안에 두 개의 시멘트 화합물을 형성합니다: 규산칼슘 하이드레이트 (C-S-H)와 수산화칼슘 (Ca)입니다.2이 반응은 다음과 [46]같은 세 가지 방법으로 확인할 수 있습니다.

  • 표준 표기법:
  • 밸런스: 3 5 + O 2 O + Ca (OH ) ( \ style { Ca3 SiO5 + 7 - > 3 ( 3 Ca 2 )

기본 수화 반응은 두 가지 생성물을 형성합니다.

  1. 콘크리트 강도와 치수 안정성을 제공하는 규산칼슘 하이드레이트(C-S-H).시멘트 페이스트 중 C-S-H의 결정구조는 아직 완전히 해결되지 [47]않았으며 나노구조에 대한 논란도 계속되고 있다.
  2. 콘크리트 화학에서는 포틀랜드라이트라고도 하는 수산화칼슘(Ca(OH)).2규산칼슘 하이드레이트에 비해 포틀랜드라이트는 비교적 다공질, 투과성 및 부드러움(Moh 기준 [48]2 ~ 3)입니다.그것은 또한 유연한 균열 조각이 [49]있는 분파형이다.포틀랜드라이트는 물에 녹기 때문에 알칼리성 용액이 생성되어 콘크리트의 산성 [30]공격에 대한 내성을 약화시킬 수 있습니다.

포틀랜드라이트는 포졸란계 시멘트 [45]재료를 사용하지 않고 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트의 약 25%를 차지한다.이 유형의 콘크리트에서는 탄산화라고 불리는 과정에서 이산화탄소가 서서히 흡수되어 포틀랜드산염을 불용성 탄산칼슘3([45]CaCO)으로 전환합니다.

미네랄 형태에서 탄산칼슘은 그 형성 방법에 따라 다양한 경도를 나타낼 수 있다.탄산칼슘은 가장 부드러울 때 콘크리트에서 분필로 형성될 수 있다(Mohs 눈금으로 1.0의 경도).포틀랜드라이트처럼 미네랄 형태의 탄산칼슘도 다공성이 있고 투과성이 있으며 산성 공격에 대한 내성이 약하여 이산화탄소를 방출할 수 있습니다.

그러나 EMC를 포함한 포졸란계 콘크리트는 수화 과정이 계속됨에 따라 부드럽고 다공질인 포틀랜드라이트를 계속 소비하여 [45]탄산칼슘이 아닌 칼슘 규산염 수화물(C-S-H)로서 추가적인 경화 콘크리트로 변화시킵니다.그 결과 콘크리트가 [45]더 밀도가 높고 투과성이 떨어지며 내구성이 높아집니다.이 반응은 포틀랜드산(Portlandite)과 규산(HSIO44) 사이의 [50]산염기 반응으로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

[주4]

또한 많은 포졸란에는 포틀랜드라이트 및 물과 반응하여 다음을 형성하는 알루민산염(Al(OH))4−이 포함되어 있습니다.

  • 칼슘 알루미늄 가넷과 같은 알루민산칼슘 수화물(시멘트 화학 표기의 CAH413 또는 CAH36, Moh 척도의 [51]경도 7.0 ~ 7.5) 또는
  • 실리카와 결합하여 스트래틀링사이트(CaAlSiO227·8)를 형성한다.HO 또는28 CASH)는2 지질학적으로 변성 [52]석회암으로 현무암에서 이석을 형성할 수 있다.

포졸란 시멘트 화학은 (고알루미늄 시멘트 화학과 함께) 복잡하며, 그 자체는 상기 경로에 의해 구속되지 않는다.예를 들어,[53][54] 스트래틀링라이트는 콘크리트 강도를 높일 수 있는 다음 방정식에 따라 다양한 방법으로 형성될 수 있습니다.

CAH28 + 2CSH + AH3 + 3H → CASH28 (시멘트 화학 표기법)

콘크리트 화학에서 포졸란의 역할은 완전히 이해되지 않았다.예를 들어, 스트래틀링라이트는 전이성이 있으며, 고온 및 함수 환경(콘크리트 초기 경화 단계에서 생성될 수 있음)에서 자체적으로 안정적인 칼슘 알루미늄 가넷(위의 [57]첫 번째 글머리 기호 참조)을 산출할 수 있습니다.이는 다음 방정식으로 나타낼 수 있습니다.

3CAH28 → 2CAH36 + AH3 + 9H (시멘트 화학 표기법)

첫 번째 탄환점에 따르면 칼슘 알루미늄 가넷의 함유 자체는 문제가 없지만, 위의 경로에서 칼슘 알루미늄 가넷을 대신 생산할 경우 [59]콘크리트에서 미세 균열 및 강도 손실이 발생할 수 있다.그러나 콘크리트 혼합물에 고반응성 포졸란을 첨가하면 이러한 변환반응을 [60]방지할 수 있다.요약하자면, 포졸란은 경화 물질을 형성하기 위한 여러 가지 화학적 경로를 제공하지만, 고로 슬래그(GGBFS)와 같은 "고반응성" 포졸란은 특정 경로를 안정화시킬 수도 있습니다.이러한 맥락에서, 플라이 애쉬로 만들어진 EMC는 미국 표준 ASTM C989에 [27][61]따라 "120 슬래그"(즉, GGBFS)로 구성된 콘크리트와 동일한 특성을 충족하는 콘크리트를 생산하는 것으로 입증되었다.

포틀랜드라이트는 저온, 습한 조건 및 응축에 노출되면 황산 이온과 반응하여 생기를 유발할 수 있습니다.이와는 대조적으로 포졸란 화학은 포틀랜드의 양을 감소시켜 [62]만화의 증식을 감소시킨다.

EMC 활성화

비정형화:EBM [63]중 충격의 순간을 묘사합니다.

EMC 액티베이션의 목적은 처리된 물질의 결정 구조를 근본적으로 파괴하여 [37]비정질화하는 것입니다.이 변경으로 인해 가공된 물질의 화학 반응성이 증가하지만 EMC 활성화 프로세스 중에는 화학 반응이 발생하지 않습니다.

기계화학 자체는 화학의 [64]한 분야로 정의될 수 있는데, 이는 "기계 에너지의 효과에 의해 생성된 모든 응집 상태에서 물질의 화학적, 물리 화학적 변환"과 관련이 있다.IUPAC는 기계화학이라는 용어에 대한 표준적인 정의를 가지고 있지 않으며 대신 "기계화학 반응"을 "기계 에너지의 직접 흡수에 의해 유발되는" 화학 반응으로 정의하며, "전단, 신장 및 분쇄는 반응 [65][66]부위의 기계화학 생성에 대한 전형적인 방법"이라고 언급한다.

더 좁게는 "기계적 활성화"는 "화학적으로 [67]변하지 않는 물질의 반응 능력의 증가를 수반하는" 과정으로 1942년에 처음 정의되었다.EMC 액티베이션은 시멘트 재료에 대한 고에너지 볼 밀링(HEBM) 적용에 한정되는 특수한 형태의 기계적 액티베이션입니다.EMC Activation은 그보다 더 좁게는 진동 밀링을 사용하며, 그 후에도 자체 연삭 [37]매체를 사용합니다.

열역학적 정당성

특히, EBM은 화학 잠재 에너지를 증가시킴으로써 물질의 화학 반응성을 증가시키는 것으로 설명할 수 있다.EMC Activation에서는 전달된 기계적 에너지가 재료의 결정 구조를 파괴하여 발생하는 격자 결함으로 재료에 저장된다.따라서 이 과정은 고체 물질을 열역학적 및 구조적으로 더 불안정한 상태로 변환하여 깁스 [68]에너지의 증가로 반응성의 증가를 설명할 수 있습니다.

여기서 온도의 T { 및 {\는 가공 및 미가공 재료의 각 Gibbs 값이다.

EBM은 결정 결합을 파괴하여 물질의 반응성을 [69]증가시킵니다.열역학적 관점에서 후속 화학반응은 활성물질(반응물질로서)의 과잉 에너지 수준을 감소시켜 더 낮은 화학에너지와 보다 안정적인 물리적 구조를 모두 포함하는 새로운 성분을 생산할 수 있다.반대로, 전처리된 재료를 보다 반응적인 물리적 상태로 만들기 위해, HEBM 프로세스 중의 무질서 처리는 부분적으로 부피 증가(벌크 밀도의 감소)를 일으키는 복호화(및 엔트로피 증가)와 동등하다고 정당화할 수 있다.때로는 "완화"라고 불리는 역방향 프로세스는 거의 즉시(10−7~10초−3) 또는 훨씬 더 오래 걸릴 수 있습니다(예6: 10초).[70]궁극적으로, 그러한 역프로세스가 스스로 이상적인 열역학적 최종 상태에 도달할 수 없다는 것을 근거로 전반적인 열역학적 효과는 정당화될 수 있다.결과적으로, 광물의 기계적 활성화 과정에서, 역 "완화" 과정은 생성된 깁스 자유 에너지를 완전히 감소시킬 수 없다.따라서 에너지는 재료에 남아 있으며,[71][72] 재료는 생성된 결정-격자 결함에 저장됩니다.

EBM의 순열역학적 효과

전반적으로, EBM은 순 열역학 [73][74][75]효과를 제공합니다.

  • 구조적 장애는 엔트로피와 엔탈피의 증가를 의미하며, 따라서 열역학적 변화에 따라 결정 특성을 자극합니다.활성제품의 과잉엔탈피의 극히 일부(약 10%)만 표면적 확대로 간주할 수 있다.
  • 대신, 잉여 엔탈피 및 수정된 성질의 주요 부분은 물질의 격자에서 열역학적으로 불안정한 상태의 발달에 할당될 수 있다(입자 크기의 감소가 아니다).
  • 활성화된 시스템이 불안정하기 때문에 활성화 프로세스는 가역적이므로 시스템의 비활성화, 재결정화, 엔트로피 손실 및 에너지 출력이 발생합니다.이러한 역("완화") 프로세스는 열역학적 평형을 계속 유지하지만, 궁극적으로 이상적인 구조(결함이 없는 구조)에 도달할 수 없습니다.
  • 이러한 "활성화" 공정 인자에 대한 보다 완전한 설명은 엔탈피이며, 깁스-헬름홀츠 방정식에 따르면 활성화 및 비활성화 고체 상태 사이의 깁스 자유 에너지를 나타낼 수 있습니다.
G= - T \ \ = \ \ S서 \ \ H는 엔탈피의 , \ \ S는 엔트로피의 변화입니다.

결정성 장애의 결과

크리스털 무질서가 낮은 경우 S S는 매우 작습니다(경시할 정도는 아닙니다).이와는 대조적으로 매우 변형되고 무질서한 결정에서는 S \ S 값이 렌더링된 깁스 자유 에너지에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.마찰 등으로 인해 발생하는 열은 제쳐두고활성화 프로세스 동안 Occasioned 경우 초과 기브스 자유 에너지 활성화된 재료에 유지된 두가지 변화, 즉(나는{\displaystyle \mathrm{나는}})특정 표면 지역의 증가, 그리고(나는{\displaystyle \mathrm{나는}}나는{\displaystyle \mathrm{나는}})결함 구조 때문에 있는 것으로 정당화될 수 있다.[76][75]EMC [77][78]액티베이션과 같은 EBM 프로세스가 성공한 경우:

  • (에 대해서는 이러한 활성화된 제품의 초과 에너지의 약 10%만 표면적의 변화로 설명할 수 있다.
  • (에 대해서는 거의 모든 에너지가 가공된 재료의 실제 구조적 결함에 포함되어 있다.

EMC 액티베이션 근사치

(의높은 값에 비해 (의 값이 상대적으로 낮기 때문에 일반 연삭 또는 "밀링"과 (대신 가공 재료의 표면적을 늘리는 것이 유일한 목적이다) EBM을 더욱 구별하는 데 도움이 된다."기브스 에너지와 엔탈피의 과잉 공급원"[76]인 탄성 에너지(완화하는데 수년이 걸릴 수 있는 격자 결함에 저장됨)의 형태로 렌더링된 의 엔트로피S(\ S의 변화에 대한 설명입니다.H(\ H의 경우, 4개의 디스크립터를 도출하여 이러한 활성화 프로세스 [77][79][80]중 총 변경에 대한 개요를 제공할 수 있습니다.

여기서:
  • H\ \ d}는 전위 밀도의 측정값이다.
  • p \p}는 새로운 단계(다형 변환)의 척도이다.
  • H \A})는 비정질 재료의 형성을 나타내는 척도이다.
  • H \H_S})는 특정 표면적의 측정값이다.

EMC 액티베이션 프로세스에서 요구되는 작업의 대부분은 위의 ( \displaystyle\{I에 해당하므로 H S(\H_})는 사소한 것입니다.따라서 엔탈피 변화의 주요 함수는 다음과 같다.

EMC 액티베이션에서는 [37]상기의 용어 H \ \ H _ { } 및 H \ \H _ { }가 특히 중요한 것으로 간주되고 있습니다.이는 관찰된 물리적 구조의 변화 특성 때문입니다.따라서 EMC 활성화 중에 발생한 H(\ H의 변화는 다음과 같습니다.[79][80]

예,
여기서:
  • V b s(\s}) displaystyle \는 각각 재료의 몰 부피, 버거 벡터, 전단 계수 및 전위 [79][80]밀도에 대응한다.
  • A와 E 는 각각 비정질상과 [79][80]몰 비정질 에너지의 농도이다.

저온 반응성

위의 열역학 구조에서 EMC 액티베이션은 ous H A 및 큰 d(\ H_ 증가로 [37][79][80]정당화될 수 있는 매우 비정질적인 단계를 초래합니다.EMC 액티베이션의 H디스플레이 H가 크다는 장점은 EMC의 반응성이 온도에 덜 의존한다는 것을 의미합니다.반응의 열역학적 자극에 있어서 반응물의 H H는 T T에 의존하지 . 즉, H H의 높이로 EBM을 거친 물질은 낮은 온도에서 반응할 수 있다('활성화된' 반응물은 Te에 덜 의존하게 된다).mperature 의존 T S(으로의 진행을 위해 T S또한 EMC의 반응은 "얇은2 SiO 층의 형성"으로 매우 작은 규모로 물리적 메커니즘을 나타낼 수 있으며, EMC 활성화가 바람직한 반응 [44]부위의 비율을 증가시킨다는 제안과 함께 반응 경로를 지원할 수 있다.다른 연구들은 EBM이 후속 반응이 진행되기 위해 필요한 온도를 상당히 낮출 수 있다는 것을 알아냈다(최대 3배 감소). 그러면 전체 반응 역학의 주요 구성요소는 "나노크리스탈린 또는 비정질 단계"에서 시작되어 "보통 겉으로 보이는 활성의 낮은 값 또는 음의 값"을 나타낸다.'이온 에너지'[81]를 필요로 한다.

전체적으로 EMC는 화학적 경로의 진행에 덜 의존하는 온도일 가능성이 높다(위 포졸란 반응 섹션 참조). 이는 EMC가 낮은 북극 [82][83]온도에서도 자가 치유 혜택을 제공하는 이유를 설명할 수 있다.

물리적 정당성(아모르피제이션)

G \G의 큰 변화, H A \Delta 및 H d(\의 결과 값을 통해 EMC Activation의 유효성을 파악할 수 있습니다.고압 조건에서 결정성 물질의 비정질화는 "대부분의 재료가 고압 [84]조건에서 비정질에서 결정성으로 실제로 역변환되는" 단순한 이유 때문에 "좀 특이한 현상"이다.비정질화는 상대적으로 높은 깁스 자유 [71][73]에너지를 포함하는 재료의 격자 요소의 고도로 왜곡된 "주기성"을 나타낸다.실제로 비정질화는 준몰덴 [72][74]상태에 비유할 수 있다.

다른 EBM 공정과 마찬가지로 EMC Activation은 가공 [85]중인 물질의 나노 스케일로 발생하는 극도로 폭력적이고 파괴적인 요인 때문에 결정 파괴를 일으킵니다.비록 짧은 지속 시간과 높은 초점이지만, 그 과정은 높은 주파수로 반복됩니다. 따라서 이러한 요소들은 필요한 위상 [2]변화를 일으키기 위해 지구 깊은 곳에서 발견되는 압력과 온도를 모방하는 것으로 생각됩니다.예를 들어, 피터 Thiessen는 가정하는 magma-plasma 모델 개발 가능한지temperatures—higher보다 103Kelvin—can에서 다양한 충돌 지점을 유도할 수 있는 한 순간의 흥분한 플라즈마 상태 안의 물질이 특징에 의해 방출의 전자와 광자와 함께 형성의 흥분한 조각(위 도표 보).[86]EMC 활성화의 중요한 구성요소인 국부적 균열 발생에서 수집된 실험 데이터는 1975년 [87]이전까지 이 지역의 온도를 확인했다.

진동 볼밀(VBM)

EMC의 활성화에는 VBM([37]진동 볼밀) 방식이 사용됩니다.VBM은 수직 편심 구동 메커니즘을 사용하여 밀폐된 챔버를 분당 수백 사이클까지 진동시킵니다.챔버는 그라인딩 미디어라고 불리는 특수 물체와 함께 가공되는 물질로 채워집니다.이러한 미디어는 가장 단순한 형식으로 특수 세라믹으로 만든 단순한 볼일 수 있습니다.EMC Activation은 실질적으로 다양한 크기, 형태 및 복합 재료의 다양한 연삭 미디어를 배치하여 필요한 기계 화학적 [4]변환을 달성합니다.

VBM의 메커니즘이 특히 [88]탐욕스럽다는 것을 반영하여 VBM은 회전식 볼 밀의 20배에서 30배 속도로 연마할 것이라는 주장이 제기되었습니다.

VBM 동력학

간단히 말해서, VBM에서 두 개의 동일한 충돌 볼 사이에 작용하는 F(\ F는 다음과 같이 [89]나타낼 수 있습니다.

어디에,
서 m m은 양쪽 공의 질량, r 반지름, v v는 절대 충격 E(\ E)는 공 [89]재료의 영 계수입니다.


이처럼 충격속도가 증가하면 F F가 증가하며 연삭매체의 크기와 질량도 한몫한다. F의 kk는연마매체에 사용되는 재료의 성질이 중요한 요소임을 의미한다( k는 궁극적으로 F F의 제곱이므로 음의 값은 중요하지 않다).보다 근본적으로는 급격한 진동으로 인해 연마매체에 높은 가속도가 주어지고, 이로 인해 부하에 대한 지속적이고 짧고 급격한 충격이 급격한 입자 크기 [88]감소로 이어진다.또한 고압과 전단 응력은 충격 지점과 충격파 [85]전송 중 충격 자체보다 훨씬 더 큰 압력을 발생시킬 수 있는 비정질 상태로 필요한 위상 전이를 촉진한다.

예를 들어, 2볼 충돌의 접촉 시간은 20μs로 짧을 수 있으며, 위쪽으로 3.3GPa의 압력을 발생시키고 관련 주변 온도 상승은 20Kelvin이다.[85]충격의 지속 시간이 짧기 때문에 운동량의 변화 속도는 유의하다. 즉, 충격파가 1~100μs에 불과하지만 관련 압력이 10GPa 상승하고 국부적 및 초점 온도가 수천 켈빈까지 [85]높아진다.이것을 문맥에 대입하면, 10GPa의 압력은 바닷물 약 1,000km에 해당합니다.또 다른 예로, 속도 1m/s의 2.5cm 직경의 동일한 두 개의 강철 볼의 충격은2 10줄9/m 이상의 충돌 에너지 밀도를 발생시키며, 직경 2.5cm 및 속도 1m/s의 알루미나 볼은 훨씬 더 큰 에너지 [89]밀도를 발생시킨다.충돌은 매우 짧은 시간 내에 발생하므로 "상대적으로 작은 접촉 영역에 걸친 에너지 방출 속도가 매우 높을 수 있습니다."[89]

「 」를 참조해 주세요.

EMC 활성화 배경 과학:

  • 접촉역학 – 서로 접촉하는 고체의 변형에 관한 연구
  • 결정성 – 고체 내 구조 질서의 정도
  • 결정구조 – 결정물질 내의 원자, 이온 또는 분자의 배열 순서
  • 경도 – 재료 특성
  • 격자 상수 – 결정 내 단위 셀의 물리적 치수
  • 재료 역학 – 응력과 변형에 노출되는 고체 물체의 거동
  • 재료과학 – 신소재의 발견과 설계를 연구하는 학제간 분야
  • 미세구조 – 초소형 재료 구조
  • 피터 아돌프 티센 – 독일의 물리 화학자
  • 표면 엔지니어링 – 고체 표면의 특성 변경
  • 지표면 도량형 – 지표면의 소규모 형상 측정
  • 트라이볼로지 – 상대 운동으로 상호작용하는 표면의 과학 및 공학

학술:

메모들

  1. ^ 두 가지 측면: (I) 2011년 글로벌 포틀랜드 시멘트 생산량은 미국 지질조사국(USGS)(2013년) 데이터당 약 36억 톤이었으며, 추정치가 아니라 상당히 정확한 동화로 구속력을 갖는다.또, 같은 보고서에 의하면, 2012년의 세계 포틀랜드 시멘트 생산량은 37억 톤(전년대비 1억 톤 증가)으로 추계되고 있습니다.실제 2012년의 실제 CO2 생산량은 38억 톤입니다.(II) 2011년 세계 총 CO2 생산량은 333억 7600만 톤(국제 tra 제외).nsport).출처 : E.U.유럽위원회, 공동연구센터(JRC)/PBL 네덜란드 환경평가청.지구 대기 연구를 위한 배출 데이터베이스(EDGAR), 릴리스 4.2.2009-2011년 추세는 USGS(2012년)의 예비 데이터에 기초한 시멘트 생산에 대한 BP Review of World Energy 2011(BP, 2012년)의 2009-2011년 화석 연료 소비를 기반으로 에너지 관련 부문에 대해 추정되었다. 단, 중국 국가통계국(NBS)(2009, 2010년)이 사용된 중국을 제외한다.
    [2013년 5월 기준]EDGAR, 외부 링크 섹션을 참조하십시오.
  2. ^ 콘크리트 내구성 시험을 위한 "배체법"은 염수의 일교차를 시뮬레이션한다.테스트 1 또는 테스트 2를 사용하거나 48시간 동안 순차적으로 수행할 수 있습니다.이 방법은 7.5%의 소금물(즉, 해수보다 높은 농도)의 포화를 유도한 후 24시간 주기로 동결 또는 가열하여 높은 주간 온도 범위를 시뮬레이션한다.질량 손실을 판단하기 위해 선택한 사이클을 메스꺼움으로 반복합니다.따라서 바첼 방법은 일반적으로 내구성에 대한 아날로그로서 콘크리트에 대한 가장 엄격한 시험 절차 중 하나로 받아들여진다.
  3. ^ 큰 사진은 스웨덴 루레오 공과대학에서 RILEM 3점 벤딩을 진행 중인 EMC로 만든 콘크리트 테스트 빔(2013년 2월).이 처리는 균열을 유도하여 "셀프 힐링" 성향을 테스트합니다.포틀랜드 시멘트 40%, 비산재 EMC 60% 함유 콘크리트(총 cmt: 350 kg/m†)를 사용하였습니다.사진 A: 약 3주간의 수경화 후 평균 폭 150~200μm의 균열이 발생하였습니다.사진 B: 대용량 포졸란 콘크리트는 새로운 합성 CSH겔(포졸란 반응의 산물)로 균열이 서서히 메워지는 현상을 보였다.이것들은 약 4.5개월 후에 완전히 채워졌다.관찰 기간 동안 진행 중인 포졸란 반응으로 인해 지속적인 강도-발달도 기록되었다.이는 관찰된 "자기 치유" 특성과 함께 콘크리트 내구성에 긍정적인 영향을 미칩니다.모든 사진은 로닌 박사와 노르딕 콘크리트 연합입니다
  4. ^ 포졸란 화학에 관한 추가 주의사항: (A) Ca/Si(또는 C/S) 비율과 물 분자의 수는 C-S-H 화학측정법에 따라 달라질 수 있다. (B) 종종 결정 하이드레이트가 황산칼슘과 반응하여 결정 하이드레이트를 형성한다(3·CA)O3·CaSO4·nHO2, 일반 간이식).이것을 AFm(알루미나, 산화철, 단황산염)상이라고 합니다.(C) AFm상 자체는 배타적이지 않습니다.한편 황산염은 탄산염이나 염화물과 같은 다른 음이온과 함께 에트링가이트가 형성되는 AFt 단계를 일으킬 수 있다(6CaO·AlO23·3).SO3·32HO2 또는 CSH6332). (D) 일반적으로 AFm 단계는 추가 수화 공정에서 중요한 반면 AFt 단계는 DEF로 알려진 콘크리트 파괴의 원인이 될 수 있다.DEF는 비포졸란 콘크리트에서 특히 문제가 될 수 있다(예: Follyard, K. 등, New Concrete의 ASR/DEF 방지: 최종 보고서, TXDOT 및 미국 FHWA:Doc.FHWA/TX-06/0-4085-5, 개정판 06/2006)(마) Ca이온을 이용한2+ 포졸란계 화학경로 때문에 AFT경로가 상대적으로 억제된다고 생각된다.

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