高性能コンクリートのための超音波ミキシング

マイクロシリカやナノチューブの使用は、高性能コンクリートの圧縮強度の向上につながる。超音波処理は、セメントやコンクリート中のナノ材料の混合、湿潤、分散に効果的な手段である。
 

マイクロシリカは今日、コンクリートに広く使用されており、より高い圧縮強度や耐水性、耐薬品性を持つコンクリートにつながっている。これにより、材料コストとエネルギー使用量を削減することができる。ナノシリカやナノチューブなどの新しいナノ材料は、抵抗性と強度のさらなる向上につながる。しかし、ナノ材料の潜在能力をフルに発揮させるには、信頼性が高く効率的な分散技術が必要です。セメントやコンクリートのような高粘性でペースト状のスラリーでも、プローブ型ソニケーターはナノ分散を生成する最も信頼性が高く効率的な技術です。

超音波ミキサーによる微細セメントグラウト分散

Draganovićの研究チームは、研究論文を発表し、著者らは、超音波技術と従来の実験室溶解剤を使用した極細セメントグラウトの分散を調査した。研究の目的は、超音波の性能を比較することである。 – この研究では、特にソニケーターUP400St – 伝統的なグラウトの分散方法

研究者らは、微細セメント粒子の粒度分布（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行った。分散技術には、UP400Stソニケーターを用いた超音波処理、実験室用高速ディゾルバー、およびその両方の方法の組み合わせが含まれる。

その結果、ソニケーターUP400Stを使用した超音波分散では、従来の実験室用ディゾルバーと比較して、粒子径分布が大幅に改善されることが示された。ソニケーターUP400Stは、微細なセメント粒子の凝集を効果的に減少させ、より均質で安定したグラウト懸濁液を生成する。超音波処理により、より小さな粒子の分布が改善され、粒度分布範囲が狭くなります。
 

分散方法の比較Vma-Getzmann Dispermat CV-3ディゾルバーは90mmディスクとローター・ステーターシステムを装備。 Hielscher UP400St超音波診断装置 H22ソノトロードを装備。
(研究および写真：©Draganovic et al, 2020）

 
さらに、従来のラボ用ディゾルバーと組み合わせて超音波を使用することで、分散効率がさらに向上し、超音波処理のみと比較してさらに微細な粒度分布が得られます。超音波処理を併用することで、マイクロミキシングとナノ分散が実現し、ディゾルバーがマクロミキシングに寄与することで、すべての粒子が超音波キャビテーションゾーンに入ることが保証されます。これにより、バッチ操作における微粒子セメントグラウトの粒度分布（PSD）とゼータ電位の制御が向上する。フローセルリアクターを使用する場合、粒子懸濁液は自動的にキャビテーションホットスポットゾーンを通過するため、追加の撹拌は不要です。

全体として、この研究は、極微細セメントグラウトの分散における超音波処理装置UP400Stの優れた性能を浮き彫りにしている。超音波処理は、特に従来の実験室用ディゾルバーと組み合わせた場合、微細セメント粒子の均一で安定した懸濁を達成するための非常に効果的かつ効率的な方法を提供する。

特筆すべきは、超音波分散法と従来の分散法を包括的に比較し、グラウト分散における超音波分散の優れた性能を強調している点である。
(Draganovićら、2020参照）。
 

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関して、ディスクを備えた通常の実験室用ミキサーとローターステーター技術を用いたミキサーとを比較した。その結果、超音波分散は効果的な方法であるだけでなく、ローター・ステーター技術を用いたミキサーよりもさらに優れていることが示された。
(研究およびグラフィック：© Draganović et al.）

コンクリート研究開発

具体的な研究は、材料とプロセスを探す：

• 材料費とエネルギーコストを削減
• 高い初期抵抗と最終抵抗を得る
• 密度と圧縮強度の向上
• 作業性、ポンピング性、仕上げ性の向上
• 耐久性の向上と透水性の低減
• 収縮クラック、発塵、層間剥離の問題を軽減する。
• 耐薬品性、例えば耐硫酸塩性

セメントとコンクリートの混合

コンクリート特性の改善に関しては、コンクリート組成と同様に混合技術が重要である。混合は、均一で高品質のコンクリートを製造するために不可欠なステップです。DIN EN 206など数多くのガイドラインや規則がコンクリートやその成分の組成をカバーしていますが、セメント混合やコンクリート混合の実際のプロセスはユーザーに委ねられています。
水、セメント、混和剤が均一に分散され、微細なスケールまで分散され、凝集物が十分に分散されていることが決定的である。分散や凝集が不十分な場合、コンクリート特性は劣る。水分が少なく混和剤の添加量が多いため、自己充填コンクリート（SCC）や超高強度コンクリート（UHPC）の混合には、より長い混合時間やより効果的な混合技術が必要となる。

コンクリート中のナノ材料

セメントの水和中に、カルシウム水和物のようなナノスケールの水和生成物が硬化コンクリート中に形成される。シリカやナノチューブのナノ粒子は、コンクリートの凝固中にセメントのナノ粒子に変化する。粒子が小さくなると粒子間距離が短くなり、緻密で多孔質の材料になる。これにより、圧縮強度が増し、浸透性が低下する。

しかし、ナノサイズの粉末や材料の主な欠点は、湿潤時や混合時に凝集体を形成する傾向があることである。個々の粒子が十分に分散されていない限り、凝集によって露出した粒子表面が減少し、劣ったコンクリート特性につながる。

ナノ材料の超音波混合

超音波は混合、分散、凝集除去に非常に有効な手段です。下の写真は、フュームドシリカの水中超音波分散の典型的な結果です。

200ミクロン以上の凝集粒子サイズ（D50）からスタートした（緑の曲線）ほとんどの粒子は200ナノメートル以下に減少した。

あらゆる規模での超音波ミキシング

Hielscher社は、研究用から本格的な加工用まで、超音波混合装置を提供しています。

研究開発用ソニケーター

Hielscher 社のラボ用超音波ホモジナイザーは、ラボ規模での研究開発に最適な混合ツールです。Hielscher社製ラボ用超音波ホモジナイザーは通常、少量バッチの超音波混合に使用されます。Hielscher 社の超音波ホモジナイザーは、スケールアップの準備に正確なパラメーター制御と優れた再現性を提供します。このため、異なる処方の混合や超音波の強度や時間の影響を簡単に判断することができます。

超音波インラインミキシング

スケールアップに必要な超音波ミキシング装置は、ラボ試験に基づいて正確に決定することができる。大量のセメントやコンクリートを処理する場合、高性能超音波ミキサーは通常、フロースルー反応器を使用した連続フローモードで運転されます。これにより、非常に均一な混合と、ペーストやスラリーの完璧な処理が可能になります。 – 非常に高い粘度でも。

下の表は、処理するバッチ量または流量に応じた、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています：