常温混合アスファルト – 超音波処理でより高い品質を実現

常温混合アスファルト乳剤では、処理に必要な投入エネルギーを最小限に抑えながら、液滴径分布、粘度、安定性を制御することが極めて重要です。Hielscherの超音波処理装置は液滴を効率的に微細化し、処理時間を短縮するとともに、界面活性剤の使用量を減らし、より低い温度で、より厳しい仕様を達成できるようにします。
このページでは、そのメカニズム、三段階のスケールアップの道筋、そして常温混合アスファルトの製造でHielscherの超音波処理装置を確実に稼働させるための、過酷な使用条件に対応した設計上の選択肢を詳しく説明します。

常温混合アスファルト乳剤に超音波処理装置を使用する理由

経済性を向上させる主な要因は、滞留時間の短縮、同じ目標液滴径を達成するために必要な乳化剤量の低減、スパンの縮小とそれによる貯蔵安定性の向上、そしてより低いプロセス温度で運転できる可能性です。ローター・ステーター式ミルやコロイドミルと比較すると、超音波は工具とステーターの間のせん断ではなく、キャビテーションによるマイクロジェットを通じてエネルギーを伝達するため、同じ比投入エネルギーで液滴をより速く微細化できます。

配合を変えずに超音波処理を行った後、約20–30パーセントの粘度低下が測定され、同時に乳剤の液滴はより小さく、より単分散性の高い状態へと変化します。
キャビテーション場が微細な液滴を生成できるため、所定の目標d90と安定性の範囲に対し、界面活性剤を10–30パーセント削減できます。
インライン超音波処理によって仕様に合致する粘度と液滴径を達成できるため、処理時間が短縮され、設備の設置面積も小さくなります。
混合温度を下げることで、エネルギー使用量と作業者のヒュームへの曝露が減り、舗装材料の脱炭素化に向けたEUおよび米国の取り組みにも合致します。

メカニズム：キャビテーションによる液滴径の低減と分散

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barの局所的な圧力変動と、毎秒数十–数百メートルのオーダーの速度を持つマイクロジェットを発生させます。常温混合アスファルト乳剤では、これによって二つの相乗効果が生じます。第一に、液滴径を急速に低減して分布を狭めることで、固形分含有量を一定に保ちながら粘度を下げます。第二に、分子スケールでの強力な微細混合が、新たな界面への乳化剤の吸着を促進し、乳化剤を過剰添加することなく乳剤を安定化させます。その結果、ポンプ移送と敷設がより容易になり、長期安定性も向上した配合が得られます。

線形スケールアップ：比エネルギー、振幅、圧力を一定に維持

超音波処理の規模を拡大するための実用的な原則は単純です。比投入エネルギー（トン当たりのkWh）、ソノトロード端面の音響振幅、リアクター圧力を一定に保てば、乳剤の品質は規模が変わっても一定に維持されます。これは経験則ではありません。キャビテーション強度と気泡の動力学が音場とどのように相関するかに基づくものであり、工業用超音波処理を決定論的に設計できる理由でもあります。言い換えると、UP400St超音波処理装置で振幅40パーセント、0.6 kWh/tの条件で使用するプロトコルは、同じ圧力で運転するフローセルを通じて、同じ振幅で質量当たり同じエネルギーを供給することにより、4xUIP6000hdTシステムでも再現されます。

着想から生産までの三段階の道筋

1) UP400Stによるラボ試験 まず、コンパクトなUP400St超音波処理装置（400 W）で配合と配合比をスクリーニングします。小型フローセルを用い、バッチモードまたは再循環モードで運転して、振幅、温度、比エネルギーを記録します。通常は一日以内に、相反転や過度の加熱を起こさずに所望の液滴径分布と粘度が得られる比エネルギーの範囲を絞り込めます。

2) UIP2000hdTによるプロセス最適化
UIP2000hdT（2 kW）に移行し、連続処理を検証し、圧力の影響を測定し、処理能力と品質のバランスを最適化します。この段階で、デューティサイクル、インライン温度制御、圧力（通常はキャビテーションを強化するために2–5 bar）を確定します。実際的な流量で、界面活性剤の削減量、目標d90またはスパン、達成可能な滞留時間を実証するとともに、運転費用（OPEX）の収支評価に向けてエネルギーを記録します。

3) 4xUIP6000hdTによる生産規模へのスケールアップ
実生産規模の超音波処理設備では、毎時数トンの処理を達成するために並列化がよく用いられます。例えば、四台のUIP6000hdT（各6 kW）を並列で使用し、比エネルギー0.5 kWh/tで運転すると、約10–12 t/hrを処理します。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、音場を再現できます。つまり、d50、スパン、ブルックフィールド粘度が、分析上のばらつきの範囲内でパイロット試験のデータと一致します。

超音波とローター・ステーター式ミルおよびコロイドミルの比較

ローター・ステーター式ミルやコロイドミルは堅牢で広く使われていますが、エネルギー原単位、滞留時間、大きな設置面積の間でトレードオフがあります。また、液滴径が非常に狭いプロセス条件の範囲に左右され、粘度の急上昇を避けるために温度を高める必要がある場合もあります。超音波は液滴の微細化を可動部品間のせん断から切り離し、代わりにキャビテーションを利用するため、総比エネルギーが同程度またはそれ以下でも、より短い時間で同等以上に微細な液滴を得られます。保守方法も異なります。ステーターとローターの間で厳しい公差を維持する必要がありません。実際に、運転担当者からは、定置洗浄サイクルの短縮と、配合の切り替えが容易になったことが報告されています。

アスファルトプラント向けの過酷な使用条件に対応した設計

常温混合アスファルトの製造は、クリーンルーム環境で行われるものではありません。Hielscherの超音波処理装置は現場で保守整備でき、高振幅での24/7運転を想定して設計されています。粉塵の多い環境や厳しい環境向けの特殊設計も用意されています。フローセルリアクターは圧力定格を備え、温度制御用のジャケットを装備しており、第二相を制御しながら注入するためのMultiphaseCavitatorインサート付き仕様も利用できます。 MultiphaseCavitatorが相間の接触を改善して、より良い乳剤を実現する仕組みの詳細については、MultiphaseCavitatorのページをご覧ください.

Hielscherは超音波処理装置だけにとどまらないサービスを提供します

現在の乳剤の仕様と目標処理能力をお送りください。お客様とともに、ラボからパイロット規模までの試験プログラムを計画し、生産用超音波処理設備の規模を選定できます。常温混合アスファルト乳剤の超音波処理に関する評価をご希望の場合は、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、乳剤または配合成分を小型ドラム缶でお送りください。現在のローター・ステーター式ミルまたはコロイドミルによるプロセスと直接比較できるデータを作成します。

参考資料 / 常温混合アスファルトの文献

常温混合アスファルト – よくある質問

常温混合アスファルトとは何ですか？

常温混合アスファルトは、骨材や結合材を加熱混合アスファルトの製造温度まで加熱せずに製造するアスファルト混合物です。通常はアスファルト乳剤を用いて粘度を下げ、周囲温度に近い温度での混合、ポンプ移送、施工を可能にします。水が蒸発して乳剤が破乳すると、結合材の粘度が回復し、混合物に強度が発現します。常温混合物は維持管理や補修に広く使用されており、環境上または物流上の制約から低温処理が有利な場合には、基層や中間層への使用も増えています。

加熱混合アスファルトと常温混合アスファルトの違いは何ですか？

加熱混合アスファルト（HMA）は、低粘度と骨材の完全な被覆を確保するために140–180°Cで製造されます。高い初期強度を発揮し、構造層で標準的に使用されています。常温混合アスファルトは、加熱による粘度低減を乳化に置き換えるため、はるかに低い温度で製造・施工できます。この種類のアスファルトはエネルギー消費量と排出量を削減しますが、乳剤が破乳し、水が系外へ出ていく過程で、通常はより長い養生時間を必要とします。最適化された乳剤、ポリマー、養生手順を用いれば、機械的性能がHMAに近づくように設計できます。

常温混合アスファルトにはどのような利点がありますか？

主な利点は、エネルギー使用量とCO2排出量の低減、物流の簡素化（輸送・施工時に高温を維持する必要がないこと）、そしてヒュームの減少による安全性の向上です。常温混合物は、RAP含有量が高い場合や、遠隔地または小規模な工事で特に魅力的です。超音波処理した乳剤を用いると、界面活性剤の使用量と混合温度を抑えながら、レオロジーと安定性に関する厳しい目標を達成できるという利点も加わります。

常温混合アスファルトが硬化するまでにどのくらいかかりますか？

硬化、すなわち養生は、水の蒸発、乳剤の化学的性質、周囲温度、湿度、層厚に左右されます。現場では、補修用混合物については数時間–一日以内の交通開放を目標とすることが多い一方、構造層が設計弾性率に達するまでには数日を要する場合があります。超音波は基本的な硬化メカニズムを変えませんが、液滴径分布を狭め、レオロジーを最適化することで、破乳と硬化の挙動をより予測しやすくできます。

最も強いアスファルト混合物は何ですか？

構造面では、ポリマー改質を施し、空隙率を低くした密粒度加熱混合アスファルトが、しばしば最も高い抵抗性を示します。常温混合物の強度は、乳剤の種類、残留結合材の性質、締固め、養生によって決まります。ポリマー改質常温混合物や、破乳後に結合材の粘度を完全に回復するよう適切に設計されたカチオン乳剤は、特定の層において、HMAの特定の性能基準に近づくか、それと同等に達することができます。特に、超音波によって改質剤の均一な分散が確保される場合に有効です。

エマルションの4つの種類は何ですか？

アスファルトの実務では主に水中油型エマルションを扱いますが、エマルション科学では、水中油型、油中水型、水中油中水型などの多重エマルション、マイクロエマルションを区別できます。常温混合アスファルトでは、ポンプ移送性と取り扱いやすさのために、ほぼ常に水中油型の系を使用します。超音波処理装置はどの種類にも有効ですが、適用可能な配合範囲、界面活性剤系、処理エネルギーは異なります。