高出力超音波によるセメント粒子の解凝集
プローブ型超音波装置は、セメント粒子の解凝集に頻繁に使用されています。この方法は粉砕媒体を不要にし、ろ過や徹底的な洗浄を不要にすることで工程を簡素化するとともに、効率的な粒径低減を実現します。さらに、超音波処理は分散剤への依存を減らし、よりコンパクトでエネルギー効率の高い装置を使用するため、セメント粒子の分散と解凝集に非常に有利なソリューションとなります。
セメント粒子の超音波解凝集の利点
セメントは建設において最も不可欠な材料の一つであり、その結合特性により広く使用されています。しかし、凝集した粒子はセメントの性能に悪影響を及ぼす可能性があるため、最適な性能を得るには均一な粒子分布が必要です。超音波解凝集は、この課題に対応する強力な技術として注目されています。
高い処理能力でセメント粒子を解凝集する産業用超音波装置。
- 粒子分散の向上： 超音波解凝集はセメント粒子を効果的に分散させ、均一な粒度分布を確保します。この均一性は、セメント系材料で一貫した強度と耐久性を実現するために不可欠です。
- 水和の改善： 解凝集した粒子の表面積が増加することで水和過程が促進され、最終製品の結合が改善し、強度が高まります。水和の改善は、セメントマトリックス内での不完全な反応や脆弱な箇所の発生リスクも低減します。
- 施工性の向上： セメント粒子が十分に分散すると、混合物の施工性が向上し、混合、打込み、仕上げが容易になります。この施工性の改善により、工期の短縮や労務費の削減につながる可能性があります。
- 機械的特性の向上： 超音波解凝集は、セメント系材料における、より緻密で均質な微細構造の形成に寄与します。その結果、圧縮強度や引張強度などの機械的特性が向上します。
- 添加剤使用量の削減： 超音波解凝集によって分散を改善することで、化学分散剤やその他の添加剤の必要量を最小限に抑えることができます。これにより、コストが削減されるだけでなく、セメント製造による環境への影響も低減します。
- 費用対効果： 産業用超音波装置への初期投資にかかわらず、製品品質の向上、添加剤使用量の削減、性能の向上という長期的な利点により、セメント産業にとって費用対効果の高いソリューションとなります。
| 比較項目 | セメント粒子のボールミル粉砕 | セメント粒子の超音波解凝集 |
|---|---|---|
| 方法 | 鋼製またはシリカ製のボールを粉砕媒体として使用 | 高強度の超音波を使用して音響キャビテーションと超音波による機械的せん断力を発生 |
| 粉砕媒体の交換 | 鋼製またはシリカ製のボールを頻繁に交換 | 粉砕媒体を使用しないため、交換費用が不要 |
| 処理後のろ過 | 粉砕媒体をろ過で除去する必要がある | 不要なため、工程を簡素化 |
| 洗浄の必要性 | 粉砕媒体とチャンバーの洗浄に多くの労力と時間を要する | 洗浄は最小限で、超音波プローブの保守が容易 |
| 微粒子領域での効率 | 0 – 100 µmの範囲の粒子に対して非効率で、時間を要する | 0 – 100 µmの範囲を含む微粒子サイズに対して非常に効果的 |
| 分散剤の必要量 | 大量の分散剤が必要 | 強力なキャビテーションとせん断力により、分散剤の必要量を削減 |
| 装置の特性 | 大型でかさばり、エネルギー効率が低く、大がかりな保守と洗浄が必要 | コンパクトでエネルギー効率が高く、保守が少なく、取り扱いが容易で安全に操作できる |
事例研究：超音波ミキサーによる超微粒子セメントグラウトの分散
Draganovićが率いる研究チームは、超音波技術を用いた超微粒子セメントグラウトの分散について、従来のラボ用ディゾルバーと比較した包括的な調査を報告しています。この研究では、従来のグラウト分散方法に対する超音波装置UP400Stの性能に特に焦点を当てています。
研究者らは、超微粒子セメントの粒度分布（PSD）とゼータ電位を評価するために、さまざまな分散技術を用いた一連の実験を実施しました。評価した技術には、超音波装置UP400Stによる超音波処理、高速ラボ用ディゾルバー、および両方法の組み合わせが含まれます。
研究結果は、超音波装置UP400Stを用いた超音波分散が、従来のラボ用ディゾルバーと比較して粒度分布を大幅に改善することを示しています。超音波装置UP400Stは、超微粒子セメントの凝集を効果的に抑制し、より均質で安定したグラウト懸濁液を生成します。超音波処理は、より小さな粒子の分布を改善し、粒度分布の範囲を狭めます。
超音波ホモジナイザーUP400Stは、セメントグラウトの分散効率について、ディスクを装備した一般的なラボ用ミキサー、およびローター・ステーター方式と比較されています。この研究は、超音波分散が効果的な方法であるだけでなく、ローター・ステーター方式のミキサーよりも優れていることを示しました。
（研究および図：© Draganović et al., 2020）
さらに、超音波と従来のラボ用ディゾルバーを組み合わせることで分散効率が向上し、超音波処理単独よりもさらに微細な粒度分布が得られます。この組み合わせにより、バッチ処理における超微粒子セメントグラウトのPSDとゼータ電位をより適切に制御できます。連続フローシステムでは、粒子懸濁液がキャビテーションのホットスポット領域を自動的に通過するため、追加の撹拌が不要になります。
この研究は、超微粒子セメントグラウトの分散における超音波装置UP400Stの優れた性能を強調しています。超音波処理は、特に従来のラボ用ディゾルバーと組み合わせた場合、超微粒子セメントの均一で安定した懸濁液を得るための効果的かつ効率的な方法となります。
この研究では、超音波と従来の分散方法を詳細に比較し、グラウト分散における超音波処理の優れた有効性を明らかにしています。
（参照：Draganović et al., 2020）
比較した分散方法：90-mmディスクを装備したVma-Getzmann Dispermat CV-3ディゾルバー、ローター・ステーター（R/S）システム、および H22ソノトロードを装備したHielscher UP400St超音波装置。
（研究および写真：©Draganovic et al., 2020）
セメント産業における超音波装置の用途
セメント粒子とグラウトの解凝集において高出力超音波の有利な効果を活用することで、セメント産業に多くの応用分野が開かれ、材料特性と最終製品の品質を改善できます。
- セメント粒子の湿式粉砕： プローブ型超音波処理は、セメント粒子を粉砕するための非常に効果的でエネルギー効率の高い方法です。 セメントの超音波湿式粉砕について詳しくはこちら！
- 高性能コンクリートの製造： プローブ型超音波装置は、微細なセメント粒子と、フライアッシュやシリカフュームなどの補助的なセメント系材料の均一な分散を確保することで、高性能コンクリートの製造に使用されます。これにより、優れた機械的特性と耐久性を備えたコンクリートが得られます。
- ナノ複合材料の開発： 研究開発では、プローブ型超音波装置がセメントマトリックスへのナノ粒子の導入を容易にし、強度、靭性、環境劣化への耐性の向上など、特性が改善されたナノ複合材料を生成します。
- 添加剤の性能の最適化： 超音波解凝集は、高性能減水剤やAE剤などの化学添加剤をセメントマトリックス内に均一に分布させることで、その性能の最適化に役立ちます。これにより、最終製品の施工性と性能が向上します。
セメント粒子の分散と解凝集のための高性能超音波装置
プローブ型超音波装置を用いた超音波解凝集は、セメント産業に大きな利点をもたらします。これらの装置は、粒子分散の向上、水和の改善、施工性の向上によって、高品質なセメント系材料の製造に寄与します。プローブ型超音波装置の精密な制御、スケーラビリティ、汎用性は、研究用途と産業用途の両方で価値あるツールとなり、セメント製造における革新と効率向上を推進します。
Hielscher Ultrasonicは、研究開発向けの小ロットから、生産規模での産業用セメント解凝集における高い処理能力まで、セメント粒子とセメントグラウトの処理用に、あらゆる出力レベルの高性能超音波装置を供給しています。
- 高効率
- 最先端技術
- 信頼性と堅牢性
- 調整可能で精密なプロセス制御
- バッチ処理とインライン処理
- あらゆる容量に対応
- インテリジェントなソフトウェア
- スマートな機能（例：プログラム可能、データ記録、遠隔制御）
- 操作が簡単で安全
- 保守の負担が少ない
- CIP（定置洗浄）
設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質
Hielscherの超音波装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。
Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波装置に特に重点を置いています。当然ながら、Hielscherの超音波装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています：
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | 該当なし | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | より大きな流量 | クラスター構成の UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonicsは、ラボ規模、パイロット規模、産業規模での混合用途、分散、乳化、抽出向けに、高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献・参考資料
- Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.
- Peters, Simone (2017): The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions. Doctoral Thesis Bauhaus-Universität Weimar, 2017.
- N.-M. Barkoula, C. Ioannou, D.G. Aggelis, T.E. Matikas (2016): Optimization of nano-silica’s addition in cement mortars and assessment of the failure process using acoustic emission monitoring. Construction and Building Materials, Volume 125, 2016. 546-552.
- Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2; 2016.
- Amani, Mahmood; Retnanto, Albertus; Aljuhani, Salem; Al-Jubouri, Mohammed; Shehada, Salem; Yrac, Rommel (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. Conference: International Petroleum Technology Conference 2015.
知っておきたい基礎知識
セメントとは何ですか？
セメントは、建設において結合材として機能する微細な粉末状の物質です。水と混合すると、水和と呼ばれる化学反応を起こし、硬化して固体材料になります。主に石灰石、粘土、貝殻、シリカから構成され、コンクリート、モルタル、その他の建築材料の主要成分です。セメントは硬化して他の材料を結合する能力があるため、建物、道路、橋、その他のインフラの建設に不可欠です。最も一般的なセメントはポルトランドセメントであり、その強度と汎用性により広く使用されています。
セメント粒子の解凝集が重要なのはなぜですか？
セメント粒子の解凝集は、均一な粒度分布を確保し、セメント系材料の性能と品質を向上させるため、重要です。適切な解凝集は水和効率を改善し、より強く耐久性の高いコンクリートにつながります。また、セメント混合物の施工性を向上させ、混合、打込み、仕上げを容易にします。さらに、十分に分散した粒子は化学添加剤の必要量を減らし、製造コストを削減し、環境への影響を最小限に抑えます。全体として、効果的な解凝集は、建設プロジェクトにおいて最適な機械的特性と長期的な耐久性を実現するために不可欠です。
セメント粒子はどのように解凝集されますか？
セメント粒子はさまざまな方法で解凝集されますが、超音波解凝集は最も効果的な技術の一つです。この工程では、セメントスラリーに浸したプローブから高周波の超音波が放射されます。これらの波は強烈なキャビテーション気泡を発生させ、その気泡が高いエネルギーで崩壊することで、強力なせん断力と衝撃波を生み出します。これらの力が凝集したセメント粒子を分解し、均一な分散を確保します。その他の方法には、機械的混合、粉砕、分散剤の使用がありますが、超音波解凝集は、その効率と、微細で均一な粒子分布を実現できる能力により好まれています。
セメント処理において水はどのような役割を果たしますか？
水はセメント処理において極めて重要な役割を果たします。水はクリンカー中のさまざまな鉱物を水和させ、それによってセメントペーストに必要な流動性を与えます。しかし、水分量の管理には繊細なバランスが求められます。水が過剰になると、ブリーディング（混合物から水が分離する現象）や圧縮強度の低下などの問題につながる可能性があります。反対に、水が不足すると施工性が低下し、セメント混合物の取り扱いが難しくなり、製品の強度が低くなる可能性があります。
プローブ型超音波装置はどのように作動しますか？
プローブ型超音波装置は、セメントを含むさまざまな懸濁液中の粒子を分散・解凝集するために設計された、特定の種類の超音波装置です。これらの装置は、超音波を媒体に直接放射するプローブまたはホーンを使用し、高いエネルギーで内部に向かって崩壊するキャビテーション気泡を生成して、粒子の解凝集を引き起こします。
プローブ型超音波装置は、通常20–30kHzの範囲の超音波を発生させて作動します。ソノトロードとも呼ばれるプローブは、チタンなどの材料で作られた棒で、セメントスラリーに浸されます。作動すると、プローブは超音波周波数で振動し、強烈な音響キャビテーションを発生させます。このキャビテーションでは、スラリー中に微小な気泡が形成され、激しく崩壊することで、強力なせん断力と衝撃波が発生します。これらの力が凝集した粒子を分解し、均一な分散を促進します。
Hielscher Ultrasonicsは、 ラボ規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。