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、コンクリートプラントにとって大きな利点がある。これらの利点には、初期および最終凝固時間の短縮、過可塑剤の添加量の低減、より迅速で完全な水和、高い圧縮強度などがある。

従来のコンクリートミキシング技術、例えば “オンロードミキシング” やロータリーミキサーでは、セメント粒子とフライアッシュやシリカのような他のセメント系材料の凝集体を分散させるのに十分な混合作用が得られない。このような凝集体の外側の粒子は水にさらされるが、内側の粒子表面は乾燥したままである。その結果、水和が遅く、不完全になる。

コンクリート用超音波ミキシング技術の利点

超音波分散は、ミクロンサイズやナノサイズの材料を液中で凝集・分散させる最先端の技術である。超音波ミキシングは、従来のロータリーミキサーやローター・ステーターミキサーよりも、微細サイズの材料の混合に効果的なキャビテーションせん断力を利用します。セメント、シリカ、フライアッシュ、顔料、またはCNTの場合、超音波分散によって粒子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は著しく向上します。

水和（セメントが水と反応すること）の間に、C-S-H-相は針状の構造を成長させる。下の写真は、水和5時間後のセメントペーストの微細構造を示している。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であるが、超音波処理していないペーストでは、C-S-H-相の長さは100nm程度である。

水和時間5時間後のセメントペーストの微細構造

超音波処理付き	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.レスラー (2009) – バウハウス大学ワイマール校

 
超音波誘起キャビテーションによる混合は、C-S-H-相をより速く成長させる。

 
水分補給の温度

セメントペーストの時間-温度曲線に及ぼすパワー超音波処理（PUS）の影響

 
圧縮強度

モルタル角柱の圧縮強度に及ぼすパワー超音波処理（PUS）の影響

 
超音波パルス速度

水和セメントペーストの超音波パルス速度に及ぼすパワー超音波処理（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中の温度に相関する（右図をクリック）。超音波で混合したセメントペーストでは 水分補給の開始は約1時間前.より早い水和は、より早い圧縮強度の増加と相関する。水和速度の増加は超音波パルス速度でも測定できる。

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、鋳型から打設コンクリートを取り出すまでの時間が大幅に短縮される。バウハウス大学（ドイツ）の研究では、以下のような硬化時間の短縮が示されている。

超音波ミキシングのもう一つの興味深い利点は、流動性への影響である。上表に示すように、スランプは約30％増加する。これにより、超可塑剤の添加量を減らすことができます。

セメント製造における超音波ミキサーのプロセス統合

Hielscher社はセメント、シリカ、フライアッシュ、顔料、CNT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、乾燥した材料を水と予備混合し、高濃度でありながらポンプで圧送可能なペースト状にします。Hielscher社の超音波ミキサーは、キャビテーショナル・シアーを使って粒子を凝集・分散させます。その結果、各粒子の表面全体が水に完全にさらされる。

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、超音波処理後に水和が始まる。そのため、セメントペーストは長期間保存できないので、Hielscher社製超音波ミキサーをインラインで使用する必要があります。下の模式図はそのプロセスを示している。次の工程では、砂や砂利などの骨材を加えてセメントペーストと混合する。この段階でセメント粒子はすでに十分に分散しているので、セメントペーストは骨材とよくなじむ。こうしてできたコンクリートは、プレキャスト型枠に充填したり、輸送したりする準備が整う。コンクリート需要が不安定な場合には、超音波ミキサーの隣にあるブレークアップタンクを使用して、より連続的に処理することもできる。
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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ナノ材料の分散には、別の処理強度とエネルギーレベルが必要である。このため、コンクリートミックスに添加するスラリー／ペーストを十分に分散させるために、別の超音波ミキサーを使用することをお勧めします。このプロセスの概略図については、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ミキシング装置は、1,000ワットの強力なパイロットスケールソニケーターであるUIP1000hdTを使用したパイロットスケールテストに基づいて正確に決定することができます。下の表は、処理するセメントペーストのバッチ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。

超音波プローブ1個あたり最大16kWの超音波ミキシングパワーで、Hielscher社は大量生産アプリケーションに必要な処理能力を提供する。この技術はテストが容易で、リニアにスケールアップできる。