超音波処理によるセメントの水和と強度の向上

超音波処理とも呼ばれる高出力超音波は、セメントおよびモルタル製造のための実用的なプロセス強化技術として注目を集めています。最近の研究では、超音波処理によって粒子分散を改善し、高炉水砕スラグ（GBFS）などの補助的セメント質材料を活性化し、水和を促進し、細孔構造を微細化し、材齢初期の強度を大幅に高められることが示されています。

高出力超音波によるスラグ混合セメントとモルタルの性能向上

セメント製造とモルタル製造における主要な技術的課題の一つは、補助的セメント質材料の効率的な利用です。高炉水砕スラグ（GBFS）は、クリンカー含有量を減らし、持続可能性を向上させるために広く使用されています。しかし、粗大なスラグ粒子や凝集したスラグ粒子は反応が遅いことが多く、初期強度の発現を制限します。超音波処理は有望な解決策を提供します。高強度の音響キャビテーションを利用して凝集体を分散し、粒子を破砕し、セメントマトリックス内の反応性核生成サイトの数を増やします。

セメントの水和に超音波処理が重要な理由

超音波処理の利点は、水和初期の前段階および水和初期の間に粒子系へ直接作用できることにあります。セメント質懸濁液中では、超音波キャビテーションによって局所的なせん断力、マイクロジェット、圧力変動が発生します。これらの作用は、凝集体の解砕、微粒子の分散、新たな鉱物表面の露出を助けます。
水和は表面での反応に大きく左右されるため、これはセメントおよびモルタル製造業者にとって重要です。分散の改善と反応性粒子の微細化により、水、クリンカー相、スラグ粒子の間の接触を増やすことができます。これによって、発熱の迅速化、初期硬化の改善、より緻密な微細構造につながる可能性があります。
スラグ混合系では、GBFSに活性化が必要な場合が多いため、超音波処理が特に重要です。GBFS粒子の超音波による粒子破砕 – いわゆる超音波破砕 – は、特に125–250 μmの粒径区分の粒子サイズを縮小します。

セメントおよびモルタル製造における超音波処理の主な利点

高出力超音波は、次のようなさまざまな形でセメントおよびモルタルの工業生産を支援します。

• 粒子分散の改善： 超音波処理は、セメント、スラグ、微細な鉱物粒子をペーストやモルタル配合物中により均一に分散させるのに役立ちます。
• 凝集の低減： 超音波処理は粒子の凝集体を解砕でき、混合中の再凝集を抑制する可能性があります。
• 粒子の微細化： 粗大なスラグ粒子をより微細な粒径区分へと破砕することで、利用可能な表面積を増やすことができます。
• 核生成サイトの増加： 破砕されたGBFS粒子は、セメントマトリックス内で水和生成物の核生成中心として作用することができます。
• 水和の促進： 分散の改善と表面の露出により、累積発熱量を増やし、初期硬化を促進することができます。
• 初期強度の向上： 超音波処理したスラグ混合セメントペーストは、わずか二日後に圧縮強度と曲げ強度の大幅な向上を示すことがあります。
• 微細構造の改善： 超音波処理はナノ細孔率の指標を高め、特に2–10 nmの細孔径範囲で細孔構造を変化させることができます。

水和中のセメントペーストの超音波パルス速度に対する高出力超音波処理（PUS）の影響

高出力超音波によるプレキャストコンクリートの凝結の迅速化と初期強度の早期発現

Ch. Rößlerによる研究「ポルトランドセメントペーストの流動性と凝結に対する高出力超音波の影響」では、CEM I 42.5 R、水セメント比（w/c）0.37、0.1%のポリアクリレート系高性能減水剤を用いたポルトランドセメントペーストが調査されています。この研究では、Hielscher UIP1000hd超音波処理装置をフロースルー構成で使用し、高出力超音波によって水和を促進し、流動性を改善し、凝結時間を短縮し、初期強度を高められるかどうかを評価しました。
結果は、高出力超音波（PUS）が主要な水和期間を加速することを示しています。温度曲線では水和ピークがより早く現れ、五時間後の微細構造画像では、超音波処理したペーストに対照試料よりも大きなC-S-H相が認められました。
得られた主な利点：

• 流動性の向上： スランプは、対照ペーストの122 mmからPUS処理後の158 mmへと増加しました。
• 凝結の迅速化： 始発時間は5 h 15 minから3 h 45 minへ、終結時間は6 h 45 minから4 h 30 minへと短縮されました。
• 剛性化の促進： 超音波パルス速度から、硬化が約2時間早まったことが示されました。
• 初期強度の向上： PUS処理したセメントペーストから作製したモルタル角柱供試体は、最初の24時間に圧縮強度の増加を示しました。
• プロセスの経済性向上の可能性： 著者らは、セメントペーストへの約10 kWh/m³のエネルギー投入により、凝結と初期強度の発現を約二時間早められる可能性があると推定し、その費用をコンクリートの体積当たり≤ 1 Euro/m³と示しました。
• 混和剤必要量の低減： PUSによって流動性が向上したため、著者らは高性能減水剤の添加量を減らせる可能性があると結論づけました。

これらの結果は、凝結の迅速化と初期強度の早期発現によって型枠使用時間、加熱需要、生産サイクル時間を短縮できるプレキャストコンクリート製造に特に関連しています。

従来の方法および高出力超音波を用いて調製したC + Sペーストの28 d後のビッカース硬さと弾性率。
グラフおよび研究：©Lisowski et al. 2024.

GBFS混合セメントペーストの初期強度のさらなる向上

セメントおよびモルタルの産業用途における最も重要な知見の一つは、材齢初期の強度の向上です。Lisowski et al. (2024)によると、堆積したGBFSを20%含むセメントペーストにパルス超音波処理を行ったところ、二日後の強度が著しく高まりました。報告された増加率は、圧縮強度で最大132%、曲げ強度で最大58%に達しました。
これは、早期脱型、取り扱いに必要な強度の早期発現、迅速な施工進行が経済的に重要となるプレキャストコンクリート、ドライミックスモルタル、補修モルタル、タイル接着剤、その他のセメント質製品にとって極めて重要です。
強度の増加は硬化時の累積発熱量の増加と相関しており、超音波処理が物理的な分散を改善するだけでなく、初期水和も強化することを示唆しています。実用面では、高出力超音波によって製造業者が初期性能を犠牲にせず、スラグをより効果的に利用できる可能性があることを意味します。

高出力超音波を使用しない場合と使用した場合の28d時点の影響を比較した、セメント–GBFSペースト供試体C + SのSEM画像。
画像および研究：©Lisowski et al. 2024.

超音波破砕による粗大なスラグ粒径区分の有用性向上

特に価値のある結果は、比較的粗大なGBFS粒径区分の効果的な活性化です。この研究では、125–250 μmのスラグ粒径区分が、堆積したスラグ粒子の分離および高出力超音波処理と組み合わせた場合に、材齢初期と材齢28日の強度で最良の結果を示すことが明らかになりました。
スラグを極めて微細なサイズまで粉砕するには多くのエネルギーが必要なため、これは産業上重要です。超音波処理によって粗大なGBFS粒径区分や堆積したGBFS粒径区分の反応性が向上すれば、製造業者は粉砕の必要量を減らし、原料利用効率を改善し、二次材料の流れをより有効に活用できます。
 
超音波分散がナノ強化セメントモルタルの製造をどのように容易にするかをご覧ください！

産業上の意義：効率的なセメントおよびモルタル製造のための高出力超音波

セメントおよびモルタルの工業生産において、超音波処理は複数の戦略的利点をもたらします。スラリー調製、結合材の活性化、混和剤の分散、高性能モルタルの混合の際に、プロセス強化の工程として組み込むことができます。この技術は、微粒子の分布、迅速な水和、補助的セメント質材料の利用の最適化に依存する製品にとって特に魅力的です。

• クリンカー含有量を増やさずに初期強度を向上
• GBFSおよびその他の補助的セメント質材料の活性化を改善
• 粗大なスラグ粒径区分や堆積したスラグ粒径区分の利用を改善
• セメント質懸濁液中の凝集を低減
• 水和および硬化挙動の一貫性を向上
• 選択したスラグの流れに対する粉砕強度を低減できる可能性
• 低クリンカーおよび低炭素セメント配合の性能を改善

これにより、超音波処理は、持続可能なセメント、スラグセメント、高性能モルタル、プレキャスト部材、補修材料、特殊建設製品の製造に極めて重要な技術となります。

低炭素セメント技術のための手段としての超音波処理

セメント産業はCO₂排出量の削減を求められており、クリンカー比率を下げることは最も直接的な方法の一つです。しかし、GBFS、フライアッシュ、焼成粘土、その他の補助的セメント質材料による置換率を高めると、初期強度の発現が遅くなる可能性があります。高出力超音波は、分散の改善、粒子の活性化、初期水和の促進によって、この障害の克服に役立つ可能性があります。
超音波処理は、特に粒径区分と処理時間に合わせてプロセスを最適化した場合に、スラグ混合セメントペーストの反応性と機械的強度を高めることができます。この組み合わせは、産業規模での結合材設計にとって極めて重要です。

セメントの水和、強度、スラグ反応性を向上させるHielscher超音波処理装置

Hielscherのインライン超音波処理装置は、特にスラグ混合セメント質系において、セメントの水和と強度を改善するための強力な手段です。
セメントの工業的な解凝集と分散において、Hielscherの高性能超音波処理装置は、セメント、スラグ、鉱物フィラーの凝集体を微細に分散した粒子へと解砕するために必要な強力なキャビテーションによるせん断を提供し、セメント質スラリー中の粒子の濡れ、表面活性化、均質性を改善します。Hielscherのシステムは、卓上およびパイロット規模から、堅牢で高処理能力の生産システムまで揃っており、セメントグラウトや鉱物懸濁液の連続処理用の高出力インライン超音波処理装置も含まれます。これにより、研究開発から本格的な工業生産の処理能力まで、プロセス開発を直接スケールアップできます。超音波による解凝集は、粉砕媒体を不要にするか、その必要量を減らすことで処理を簡素化し、汚染リスクを最小限に抑え、洗浄の手間を減らしながら、再現性のある分散品質を実現します。したがって、Hielscherの超音波処理装置は、セメントおよびモルタル製造業者に、より均一な結合材系、水和反応速度の改善、GBFSおよびその他の補助的セメント質材料の有効利用、低クリンカー配合の性能向上を実現する実用的な方法を提供します。

以下の表は、当社の高出力超音波システムのおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高の品質および設計基準でよく知られています。堅牢性と容易な操作により、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい要求のある環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証取得企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献 / 参考文献

• Peters S., Stöckigt M., Rößler C. (2009): Influence of power-ultrasound on the fluidity and setting of Portland cement pastes. In: Proceedings of the 17th International Conference on Building Materials (ibausil). Vol 1. Weimar, Germany; 2009. 259-264.
• Paweł Lisowski, Daria Jóźwiak-Niedźwiedzka, Magdalena Osial, Kamil Bochenek, Piotr Denis, Michał A. Glinicki (2024): Power ultrasound-assisted enhancement of granulated blast furnace slag reactivity in cement paste. Cement and Concrete Composites, Volume 154, 2024.
• Peters, S.; Kraus, M.; Rößler, Christiane; Ludwig, H.-M. (2011): Workability of cement suspensions Using power ultrasound to improve cement suspension workability. Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 77, 2011. 26-33.
• Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2022): Ultrasonic dispersion of hard dispersed ultrafine milled cement-based grout for water sealing of fractured hard rock. Construction and Building Materials, Volume 317, 2022.
• Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.