高性能コンクリートのための超音波混合

マイクロシリカやナノシリカ、またはナノチューブを使用すると、高性能コンクリートの圧縮強度が向上します。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、分散に有効な手段です。
 

現在、マイクロシリカはコンクリートに広く使用されており、圧縮強度の向上や、耐水性および耐薬品性を備えたコンクリートの実現につながっています。これにより、材料費やエネルギー使用量を削減できる可能性があります。ナノシリカやナノチューブなどの新しいナノ材料は、耐性と強度をさらに向上させます。しかし、ナノ材料の潜在能力を十分に発揮するには、信頼性が高く効率的な分散技術が必要です。プローブ型超音波処理装置は、セメントやコンクリートのような高粘度でペースト状のスラリーでも、ナノ分散体を生成するための最も信頼性が高く効果的な技術です。

超音波ミキサーによる超微粒子セメントグラウトの分散

Draganovićの研究チームが発表した研究論文では、著者らが超音波技術と従来の実験室用ディゾルバーによる超微粒子セメントグラウトの分散を調査しています。この研究は、超音波の性能 – この研究では特に超音波処理装置UP400Stの性能 – を、従来のグラウト分散方法と比較することを目的としています。

研究者らは、超微粒子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、異なる分散技術を用いて一連の実験を実施しました。分散技術には、超音波処理装置UP400Stによる超音波処理、高速の実験室用ディゾルバー、および両方法の組み合わせが含まれます。

結果は、超音波処理装置UP400Stによる超音波分散が、従来の実験室用ディゾルバーに比べて有意に優れた粒度分布を達成したことを示しました。超音波処理装置UP400Stは、超微粒子セメント粒子の凝集を効果的に低減し、より均質で安定したグラウト懸濁液を生成します。超音波処理は小さな粒子の分布を改善し、粒度分布の範囲を狭めます。
 

比較した分散方法：90-mmのディスクとローター・ステーターシステムを備えたVma-Getzmann Dispermat CV-3ディゾルバー。 Hielscher UP400St超音波装置は H22ソノトロードを備えています。
（研究および写真：©Draganovic et al., 2020）

 
さらに、超音波と従来の実験室用ディゾルバーを組み合わせると、分散効率が一層向上し、超音波処理のみの場合よりもさらに微細な粒度分布を実現します。両者を組み合わせた場合、超音波処理がミクロ混合とナノ分散を担い、ディゾルバーがマクロ混合に寄与することで、すべての粒子が超音波キャビテーション領域に入るようにします。これにより、バッチ運転における超微粒子セメントグラウトの粒度分布（PSD）とゼータ電位を、より適切に制御できます。フローセルリアクターを使用すると、粒子懸濁液がキャビテーションのホットスポット領域を自動的に通過するため、追加の撹拌は不要です。

全体として、この研究は、超微粒子セメントグラウトの分散における超音波処理装置UP400Stの優れた性能を明らかにしています。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ると、超微粒子セメント粒子の均一で安定した懸濁液を得るための、非常に効果的かつ効率的な方法となります。

この論文は、超音波と従来の分散方法を包括的に比較し、グラウト分散における超音波処理の優れた性能を明らかにしています。
（参照：Draganović et al., 2020）
 

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ついて、ディスクを備えた通常の実験室用ミキサー、およびローター・ステーター方式を用いたミキサーと比較されています。この研究は、超音波分散が効果的な方法であるだけでなく、ローター・ステーター方式を用いたミキサーよりもさらに優れていることを示しました。
（研究および図：© Draganović et al., 2020）

コンクリートの研究開発

コンクリートの研究では、以下を実現する材料とプロセスを探求しています。

• 材料費とエネルギー費の削減
• 高い初期強度と最終強度の獲得
• 密度と圧縮強度の向上
• 施工性、ポンプ圧送性、仕上げ性の向上
• 耐久性の向上と透過性の低減
• 収縮ひび割れ、粉化、層間剥離の問題の低減
• 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

コンクリートの特性を改善するうえで、混合技術はコンクリートの配合と同じくらい重要です。混合は、均一で高品質なコンクリートを製造するための不可欠な工程です。DIN EN 206などの多くの指針や規格がコンクリートの配合とその構成材料を規定している一方、セメント混合とコンクリート混合の実際のプロセスは使用者に委ねられています。
水、セメント、混和材料が微細なスケールまで均一に分散・分布し、凝集体が十分に分散されることが決定的に重要です。分散や解凝集が不十分だと、コンクリートの特性が低下します。自己充填コンクリート（SCC）と超高強度コンクリート（UHPC）は、含水量が低く混和材料の添加量が多いため、混合により長い時間、またはより効果的な混合技術を必要とします。
 
高出力超音波がセメントペーストの水和と強度発現をどのように改善・促進するかをご覧ください！
 

コンクリート中のナノ材料

セメントの水和中、硬化しているコンクリート中に、カルシウム水和物などのナノスケールの水和生成物が形成されます。シリカのナノ粒子やナノチューブは、コンクリートの固化中にセメントのナノ粒子に変わります。粒子が小さくなると粒子間距離が短くなり、材料はより緻密で空隙が少なくなります。これにより、圧縮強度が向上し、透過性が低下します。

ただし、ナノサイズの粉末や材料の大きな欠点は、湿潤や混合の際に凝集体を形成しやすいことです。個々の粒子が十分に分散されていないと、凝集によって露出している粒子表面が減少し、コンクリートの特性が低下します。

超音波混合：セメントペースト中のナノ材料の均質な分散

超音波処理は、混合、分散、解凝集に非常に効果的な手段です。下の画像は、水中でのフュームドシリカの超音波分散の典型的な結果を示しています。
超音波分散を用いたナノ強化セメントモルタルについて、詳しくご覧ください！

当初（緑色の曲線）の凝集体粒径は200マイクロメートル（D50）を超えていましたが、大部分の粒子は200ナノメートル未満にまで微細化されました。

あらゆる規模での超音波混合

Hielscherは、研究から実生産規模の処理まで使用できる超音波混合装置を提供しています。

実験室での研究開発用超音波処理装置

Hielscherの実験室用超音波ホモジナイザーは、実験室規模の研究開発に最適な混合ツールです。Hielscherの実験室用超音波処理装置は、通常、小容量バッチの超音波混合に使用されます。Hielscherの超音波ホモジナイザーは、スケールアップの準備に向けて、正確なパラメーター制御と優れた再現性を提供します。これにより、異なる配合を混合し、超音波処理の強度と処理時間の影響を容易に確認できます。

生産における超音波インライン混合

スケールアップに必要な超音波混合装置は、実験室での試験に基づいて正確に決定できます。セメントやコンクリートの大流量の流れを処理する場合、高性能超音波処理装置は通常、フロースルーリアクターを用いた連続フローモードで運転されます。これにより、粘度が非常に高い場合でも、極めて均一な混合と、ペーストやスラリーの不具合のない処理が可能になります。

以下の表は、処理するバッチ容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の目安を示しています。