コンクリート用セメントペーストの超音波混合

セメントペーストの超音波混合は、プレキャスト成形、ドライキャスト成形、コンクリート製造プラントに大きな利点をもたらします。これらの利点には、始発および終結時間の短縮、高性能減水剤の添加量の低減、より速く、より完全な水和、さらに圧縮強度の向上が含まれます。

「走行中の混合」や回転式ミキサーなどの従来のコンクリート混合技術では、セメント粒子や、フライアッシュ、シリカなどの他のセメント系材料の凝集体を分散させるための混合作用が不十分です。このような凝集体の外側の粒子は水に接触しますが、内部の粒子表面は乾燥したままです。その結果、水和が遅く、不完全になります。

コンクリートにおける超音波混合技術の利点

超音波分散は、液体中のマイクロメートルサイズおよびナノメートルサイズの材料を解凝集し、分散させる最も先進的な技術です。超音波混合はキャビテーションによるせん断力を利用するため、従来の回転式ミキサーやローター・ステーターミキサーよりも微細な材料の混合に効果的です。セメント、シリカ、フライアッシュ、顔料、CNTsでは、超音波分散によって粒子の分布と水との接触が改善されるため、これらの材料の性能が大幅に向上します。

水和 – セメントと水の反応 – の間に、C‑S‑H相は針状構造を形成しながら成長します。下の画像は、水和開始から5時間後のセメントペーストの微細構造を示しています。超音波処理したセメントペーストでは、C‑S‑H相の長さはほぼ500nmですが、超音波処理していないペーストでは約100nmです。

水和開始から5時間後のセメントペーストの微細構造

超音波処理あり	超音波処理なし
ポルトランドセメントペースト（CEM I42.5R）、 C. Rössler（2009） – バウハウス大学ヴァイマル

 
超音波で誘起されるキャビテーションによる混合は、C‑S‑H相の成長を速めます。

 
水和温度

セメントペーストの時間–温度曲線に対する高出力超音波処理（PUS）の影響

 
圧縮強度

モルタル角柱供試体の圧縮強度に対する高出力超音波処理（PUS）の影響

 
超音波パルス速度

水和中のセメントペーストの超音波パルス速度に対する高出力超音波処理（PUS）の影響

C‑S‑H相の成長は、水和期間中のセメントペーストの温度と相関しています（右側の図をクリックしてください）。超音波混合したセメントペーストでは、 水和が約一時間早く始まります。水和の開始が早いことは、圧縮強度の上昇が早いことと相関しています。水和速度の増加は、超音波パルス速度によっても測定できます。

特にプレキャストコンクリートやドライキャストコンクリートでは、これにより、成形したコンクリートを型から取り出せるようになるまでの時間が大幅に短縮されます。バウハウス大学（ドイツ）の研究では、以下の凝結時間の短縮が示されました。

超音波混合のもう一つの興味深い利点は、流動性への影響です。上の表に示すように、スランプは約30%増加します。これにより、高性能減水剤の添加量を低減できます。

セメント製造工程への超音波ミキサーの組み込み

Hielscher は、セメント、シリカ、フライアッシュ、顔料、または CNTs を効果的に分散させる超音波ミキサーを提供しています。まず、どの乾燥材料も水と予備混合し、高濃度でありながらポンプで送液できるペーストにする必要があります。Hielscher の超音波ミキサーは、キャビテーションによるせん断を利用して粒子を解凝集し、分散させます。その結果、各粒子の表面全体が水と十分に接触します。

セメントペーストの超音波処理

セメントペーストの場合、水和は超音波処理後に始まります。そのため、セメントペーストを長期間保存することはできず、Hielscher の超音波ミキサーはインラインで使用することが推奨されます。下の模式図はこの工程を示しています。次の工程では、砂や砂利などの骨材を加え、セメントペーストと混合します。この段階ではセメント粒子がすでに十分に分散しているため、セメントペーストは骨材とよく混ざります。その後、コンクリートはプレキャスト型への充填または輸送が可能な状態になります。コンクリートの需要が不安定な場合には、超音波ミキサーの隣に break-up タンクを設けることで、より連続的に処理できる場合があります。
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シリカ、フライアッシュ、ナノ材料の超音波分散

シリカ、フライアッシュ、顔料、あるいはカーボンナノチューブなどの他のナノ材料の分散には、異なる処理強度とエネルギーレベルが必要です。このため、別の超音波ミキサーで十分に分散したスラリー／ペーストを作り、それをコンクリート配合物に加えることをお勧めします。この工程の模式図を表示するには、上の図をクリックしてください。

スケールアップに必要な超音波混合装置は、出力1,000ワットの強力なパイロットスケール超音波処理装置 UIP1000hdT を使用したパイロットスケール試験に基づいて、正確に決定できます。下の表は、処理するセメントペーストのバッチ容量または流量に応じた一般的な推奨装置を示しています。

Hielscher は、単一の超音波プローブあたり最大16kWの超音波混合出力により、大量処理用途に必要な処理出力を提供します。この技術は容易に試験でき、線形にスケールアップできます。