コールドミックスアスファルト - ソニケーションを使用してより良い品質を実現

コールドミックスアスファルト乳剤は、処理に必要なエネルギー投入量を最小限に抑えながら、液滴サイズ分布、粘度、安定性をコントロールすることが重要です。Hielscher社のソニケーターは、効率的に液滴を破壊し、処理時間を短縮し、より少ない界面活性剤と低温でより厳しい仕様を達成することを可能にします。このページでは、コールドミックスアスファルト製造においてHielscherソニケーターを確実に稼働させるためのメカニズム、3段階のスケールアップ経路、そしてヘビーデューティーなエンジニアリングの選択について詳しく説明します。

コールドミックスアスファルト乳剤にソニケーターを使用する理由

主な経済的利点は、滞留時間の短縮、同じ目標液滴サイズでの乳化剤需要の低減、スパン幅の狭さによる保存安定性の向上、プロセス温度の低減です。ローターステーターミルやコロイドミルと比較して、超音波はツールとステーター間のせん断ではなく、キャビテーションマイクロジェットを介してエネルギーを供給する。

超音波処理後の粘度は、製剤を変えずに20～30％低下し、より小さく単分散の乳化液滴へと変化した。
キャビテーション場は微細な液滴を生成することができるため、所定の目標d90と安定性ウィンドウに対して、界面活性剤を10～30％節約することができる。
インライン超音波処理により、仕様の粘度と液滴サイズを達成できるため、処理時間が短縮され、装置の設置面積が小さくなる。
混合温度を低くすることで、エネルギー使用量と作業員がヒュームにさらされる量を削減するとともに、舗装材料の脱炭素化を目指すEUと米国のイニシアティブに沿ったものとなっている。

メカニズムキャビテーション駆動による液滴サイズの縮小と分散

純粋に機械的なせん断とは異なり、音響キャビテーションは数百バールの局所的な圧力変動と毎秒数十～数百メートルの速度のマイクロジェットを発生させます。コールドミックスアスファルト乳剤において、これは2つの相乗効果をもたらします。第一に、液滴のサイズを急速に小さくして分布を狭くし、固形分濃度が一定でも粘度を下げる。第二に、分子スケールでの激しいマイクロミキシングにより、新しい界面での乳化剤の吸着が促進され、乳化剤を過剰投与することなくエマルションを安定化させる。その結果、長期安定性を向上させながら、よりポンプ作用のある、より馴染みやすい製剤が得られるのである。

リニアなスケールアップ：比エネルギー一定、振幅一定、圧力一定

超音波スケールの実用的なルールは単純です。比エネルギー投入量（トン当たりkWh）、ソノトロード面における音響振幅、反応器圧力を一定に保てば、乳化品質はスケール間で不変となる。これはヒューリスティックではありません。キャビテーション強度と気泡のダイナミクスが音場とどのように相関するか、そして工業的超音波処理を決定論的に設計できる理由です。言い換えれば、UP400Stソニケーターで振幅40%、0.6 kWh/tで使用するプロトコルは、4xUIP6000hdTシステムでも、同じ圧力で作動するフローセルを通して、同じ質量当たり同じエネルギーを同じ振幅で供給することで再現されます。

アイデアから生産までの3つのステップ

1) UP400Stによるラボテスト コンパクトなUP400Stソニケーター（400W）で、配合と比率のスクリーニングから始めましょう。振幅、温度、比エネルギーを測定する小型フローセルを使用して、バッチまたは再循環モードで操作します。通常、1日以内に、相転移や過度の加熱を伴わずに、望ましい液滴サイズ分布と粘度を与える比エネルギーウィンドウを設定できます。

2）UIP2000hdTによるプロセス最適化
UIP2000hdT（2kW）に移行して、連続処理の検証、圧力効果の測定、処理量と品質の最適化を行います。ここで、デューティサイクル、インライン温度制御、圧力（通常、キャビテーションを強化するために2～5 bar）を固定します。ここで、界面活性剤の節約、目標のd90またはスパン、現実的な流量で達成可能な滞留時間を証明し、同時にOPEXバランスのためにエネルギーを記録します。

3) 4xUIP6000hdTによる生産へのスケールアップ
フルスケールのソニケーターのセットアップでは、並列化を用いて毎時数トンを達成することが多い。例えば、0.5 kWh/tの比エネルギーで4台のUIP6000hdT（各6 kW）を並列に使用すると、約10～12 t/hrの処理が可能です。装置は振幅制御され、フローセルリアクターとブースターホーンを備えているため、音場は再現可能です。つまり、d50、スパン、ブルックフィールド粘度は、分析上のばらつきの範囲内でパイロットデータと一致します。

超音波とローター・ステーターおよびコロイドミルの比較

ローター・ステーター式ミルとコロイド・ミルは堅牢で使い慣れたものだが、エネルギー強度が滞留時間と大きなフットプリントと引き換えになる。また、液滴サイズを非常に狭いプロセスウィンドウに縛り付け、粘度スパイクを避けるために高温を必要とする場合もある。超音波は、可動部品間の剪断による液滴破損を排除し、代わりにキャビテーションを使用するため、同等かそれ以下の総比エネルギーで、より短時間に同等かそれ以上の液滴サイズに到達します。メンテナンスも異なります。ステーターとローター間の厳しい公差はありません。実際、オペレーターの報告によると、クリーン・イン・プレイス・サイクルが速くなり、処方の切り替えが容易になったとのことです。

アスファルトプラント用ヘビーデューティーエンジニアリング

コールドミックスアスファルト製造はクリーンルーム環境ではありません。Hielscherのソニケーターはフィールドサービス可能で、高振幅で24時間365日稼働するように設計されています。粉塵の多い厳しい環境用に特別設計も可能です。フローセルリアクターは、圧力定格、温度制御のためのジャケット付きで、制御された第二相注入のためのMultiPhaseCavitatorインサートが利用可能です。 MultiPhaseCavitatorがどのように相間の接触を改善し、より良いエマルションを実現するかについての詳細は、MultiPhaseCavitatorのページをご覧ください。.

Hielscherは単なる超音波処理装置ではありません。

現在の乳剤仕様とスループット目標をお知らせください。お客様と共に、ラボからパイロットテストまでのプログラムを計画し、生産用ソニケーターのセットアップのサイズを決定します。コールドミックスアスファルト乳剤の超音波処理評価については、お問い合わせフォームにご記入ください。ご希望であれば、乳剤または製剤成分の入った小型ドラムをご送付ください。

参考文献 / コールドミックスアスファルトに関する文献

コールドミックスアスファルト – よくあるご質問

コールドミックスアスファルトとは？

コールド・ミックス・アスファルトは、骨材やバインダーをホット・ミックス・アスファルトの温度に加熱することなく製造されるアスファルト混合物である。コールドミックスアスファルトは通常、アスファルト乳剤を使用して粘度を下げ、常温に近い温度で混合、圧送、敷設を行います。水が蒸発し、エマルジョンが破壊されると、バインダーは粘性を取り戻し、混合物は強度を発現する。コールドミックスは、維持管理、補修に広く使用されており、環境または物流上の制約から低温処理が望ましい場合に、ベースおよびバインダーコースに使用されることも増えている。

ホットミックスとコールドミックスアスファルトの違いは何ですか？

ホット・ミックス・アスファルト（HMA）は、低粘度で骨材を完全に被覆するため、140～180℃で製造される。高い初期強度を実現し、構造層のデフォルトとなっている。コールドミックスアスファルトは、熱による粘度低下を乳化に置き換えたもので、はるかに低い温度で製造・施工できる。このクラスは、エネルギー消費と排出を削減しますが、一般的に、乳剤が壊れて水がシステムから出るため、より長い硬化時間を必要とします。エマルジョン、ポリマー、および硬化プロトコルを最適化すれば、機械的性能をHMAに近づけることができる。

コールドミックスアスファルトの利点は？

主な利点は、エネルギー使用量とCO2排出量の削減、ロジスティクスの簡素化（輸送と配置中に高温を維持する必要がない）、ヒュームの減少による安全性の向上である。コールドミックスは、RAPの含有量が高く、遠隔地や小規模の工事には特に魅力的です。超音波処理エマルションでは、界面活性剤の使用量と混合温度を抑えながら、厳しいレオロジーと安定性の目標を達成する能力が加わります。

コールドミックスアスファルトは固まるまでどのくらいかかりますか？

硬化（養生）は、水の蒸発、乳剤の化学的性質、周囲温度、湿度、および層の厚さによって決まる。現場での実践では、多くの場合、補修用ミックスは数時間から1日以内に交通開放を目標とするが、構造物層では設計弾性率に達するまでに数日を要することがある。超音波は基本的な硬化メカニズムを変えるものではないが、液滴分布を狭くし、レオロジーを最適化することで、より予測しやすい破断・硬化挙動をもたらすことができる。

最強のアスファルトミックスとは？

構造的な観点からは、ポリマー改質および低空隙を有する密粒度ホットミックスアスファルトが、しばしば最も高い抵抗を達成する。コールドミックスの場合、強度は乳剤タイプ、残留バインダー特性、締固め、および硬化の関数です。ポリマー改質コールドミックスと、破断後にバインダー粘度を完全に回復させるよく設計されたカチオン乳剤は、特に超音波によって改質剤の均質な分散を保証する場合、特定の層についてHMAの特定の性能基準に近づくか、またはそれに匹敵することができます。

4種類の乳剤とは？

アスファルトの実務では、主に水中油型エマルジョンを扱いますが、エマルジョン科学では、水中油型、油中水型、油中水型などの複数のエマルジョン、およびマイクロエマルジョンを区別することができます。コールドミックスアスファルトでは、ポンピング性とハンドリングのために、ほとんどの場合、水中油型が使用されます。ソニケーターは種類を問わず効果的ですが、配合ウィンドウ、界面活性剤システム、処理エネルギーは異なります。

コールドミックスアスファルト – ソニケーションによる品質向上