超音波処理はセメントの水和と強さを向上させる

「パワー超音波」（ソニケーションとも呼ばれる）は、セメントおよびモルタル製造における実用的な強化技術として注目を集めている。最近の研究によると、超音波処理により、粒子の分散性が向上し、粒状高炉スラグ（GBFS）などのセメント代替材料が活性化され、水和反応が促進され、気孔構造が微細化され、初期強度が大幅に向上することが示されている。

高出力超音波を用いた高性能スラグ混和セメントおよびモルタル

セメント製造およびモルタル生産において、主要な技術的課題の一つは、補助セメント質材料の効率的な利用である。クリンカー含有量を低減し、持続可能性を向上させるため、粒状高炉スラグ（GBFS）が広く使用されている。 しかし、粗大または凝集したスラグ粒子は反応が遅くなりがちであり、初期強度の発現を妨げることがある。超音波処理は、この問題に対する有望な解決策となる。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させ、粒子を微細化し、セメントマトリックス内の反応性核生成部位の数を増加させるものである。

セメントの水和において超音波処理が重要な理由

超音波処理の利点は、水和の直前および初期段階において、粒子系に直接作用できる点にある。セメント系懸濁液において、超音波キャビテーションにより、局所的なせん断力、マイクロジェット、および圧力変動が生じる。これらの作用により、凝集体の分解、微粒子の分散、および新鮮な鉱物表面の露出が促進される。
セメントやモルタルの製造業者にとって、これは水和反応が表面で主に進行するという点から重要な意味を持ちます。分散性が向上し、反応性粒子が微細になれば、水、クリンカー相、およびスラグ粒子間の接触面積が増加します。これにより、発熱が早まり、初期硬化が促進され、より緻密な微細構造が得られることになります。
スラグ混合システムにおいて、GBFSは多くの場合活性化を必要とするため、超音波処理は特に重要である。超音波による粒子の破砕 – いわゆる超音波破砕 – GBFS粒子の処理により、粒子径、特に125～250 μmの粒子径範囲が縮小する。

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、産業用セメントおよびモルタルの製造において、以下の点で貢献しています：

• 粒子分散性の向上： 超音波処理を行うことで、セメント、スラグ、および微細な鉱物粒子をペーストやモルタル混合物の中に、より均一に分散させることができます。
• 凝集の低減： 超音波処理により、粒子の凝集塊を分解することができ、混合中の再凝集を抑制できる可能性があります。
• グレイン・リファインメント： 粒子の粗いスラグは、より微細な粒子に粉砕することができ、それによって利用可能な表面積を増やすことができる。
• その他の核生成部位： 破砕されたGBFS粒子は、セメントマトリックス内における水和生成物の核形成中心として機能する。
• 水和の促進： 分散性の向上や露出面の増加により、累積発熱量が増加し、早期硬化が促進される可能性がある。
• 初期強度の向上： 超音波処理を施したスラグ混合セメントペーストは、わずか2日後に圧縮強度および曲げ強度において大幅な向上を示すことがある。
• 改良された微細構造： 超音波処理は、特に2～10 nmの細孔サイズ範囲において、ナノ多孔性の指標値を向上させ、細孔構造を変化させることができる。

水和セメントペーストの超音波パルス速度に及ぼすパワー超音波処理（PUS）の影響

高出力超音波を用いたプレキャストコンクリートの速硬化および早期強度向上

この研究 “ポルトランドセメントペーストの流動性と硬化に及ぼすパワー超音波の影響” Ch. Rößlerによる本研究では、CEM I 42.5 Rを主成分とし、水セメント比0.37、ポリアクリレート系高性能減水剤0.1%を含むポルトランドセメントペーストについて調査を行っている。 本研究では、Hielscher社製UIP1000hd超音波処理装置をフロースルー方式で用いて、高出力超音波が水和を促進し、流動性を向上させ、凝結時間を短縮し、初期強度を高めることができるかどうかを評価した。
結果から、高出力超音波（PUS）が主水和期を促進することが示された。温度曲線からは水和のピークが早まっていることが確認され、5時間後の微細構造画像では、超音波処理を施したペーストにおいて、対照群と比較してより大きなC-S-H相が観察された。
実現された主な利点：

• 流動性の向上： スランプ値は、基準ペーストの122 mmから、PUS処理後は158 mmに増加した。
• より速い硬化： 最初のセットは5時間15分から3時間45分に短縮され、最後のセットは6時間45分から4時間30分に短縮された。
• 急速な硬化： 超音波パルス速度の測定結果から、硬化が約2時間早まったことが示された。
• 初期強度の向上： PUS処理を施したセメントペーストから製造されたモルタルプリズムは、最初の24時間にわたって圧縮強度の増加が見られた。
• プロセス効率化の可能性： 著者らは、セメントペースト1m³あたり約10kWhのエネルギーを投入することで、硬化と初期強度の発現を約2時間早めることができると推定しており、そのコストはコンクリート1m³あたり1ユーロ以下であると示されている。
• 混入需要の減少： PUSが流動性を高めたことから、著者らは、高性能減水剤の投与量を削減できる可能性があるとの結論を下した。

これらの結果は、プレキャストコンクリートの製造において特に重要であり、速硬化と早期強度の向上により、型枠の設置時間、暖房需要、および生産サイクル時間を短縮することができる。

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日後のビッカーズ硬度および弾性係数。
図および研究：©Lisowski et al. 2024.

GBFS混合セメントペーストの初期強度の向上

工業用セメントおよびモルタル用途において、最も重要な知見の一つは、初期強度の向上である。Lisowskiら（2024）によると、20％の堆積GBFSを含むセメントペーストにパルス超音波処理を施したところ、2日後に著しく高い強度が得られた。 報告された強度の上昇率は、圧縮強度で最大132％、曲げ強度で58％に達した。
これは、プレキャストコンクリート、ドライミックスモルタル、補修用モルタル、タイル用接着剤、およびその他のセメント系製品において、早期の型枠脱型、早期の取り扱い強度、あるいは施工の迅速化が経済的に重要となる場合に、極めて関連性が高い。
強度の向上は、累積硬化熱の増加と相関しており、これは超音波処理が単に物理的な分散性を向上させるだけでなく、初期水和も促進することを示唆している。実用的な観点から言えば、これは高出力超音波が、初期性能を損なうことなく、製造業者がスラグをより効果的に活用するのに役立つ可能性があることを意味する。

28日目のセメント・GBFSペースト試験体C + Sについて、高出力超音波の有無による影響を比較したSEM画像。
画像および研究：©Lisowski et al. 2024.

超音波破砕により、粗粒のスラグ分画の有用性が高まる

特に価値のある成果として、比較的粗いGBFS分画の効果的な活性化が挙げられる。本研究では、堆積スラグ粒子の分離と高出力超音波処理を組み合わせた場合、125～250 μmのスラグ分画が、初期強度および28日強度の両方で最も優れた性能を発揮することが明らかになった。
これは、スラグを極めて微細な粒子サイズまで粉砕するには多大なエネルギーを要するため、産業的に重要な意味を持ちます。超音波処理によって、粒子が粗いGBFSや沈殿したGBFSの反応性が向上すれば、生産者は粉砕の需要を削減し、原料の利用効率を高め、二次原料の流れをより有効に活用できるようになります。
 
超音波分散が、ナノ補強セメントモルタルの製造をどのように促進するのか、その仕組みをご覧ください！

産業上の意義：セメントおよびモルタルの効率的な製造に向けた高出力超音波の活用

工業用セメントおよびモルタルメーカーにとって、超音波処理にはいくつかの戦略的利点があります。この技術は、スラリーの調製、結合材の活性化、混和剤の分散、あるいは高性能モルタルの混合といった工程において、プロセス強化のステップとして組み込むことができます。特に、微細な粒子分布、迅速な水和、およびセメント系副原料の最適な利用が求められる製品において、この技術は大きな魅力を持っています。

• クリンカー含有量を増やすことなく、初期強度を高める
• GBFSおよびその他の補足セメント系材料の活性化を促進する
• 粗スラグや沈殿スラグの有効利用の向上
• セメント系懸濁液における凝集の低減
• より一貫性のある水和および硬化挙動
• 特定のスラグストリームにおける粉砕強度の低減の可能性
• 低クリンカー・低炭素セメント配合の性能向上

このため、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、および特殊建築製品の製造において極めて重要な役割を果たしています。

低炭素セメント技術の手段としての超音波処理

セメント業界はCO₂排出量の削減を迫られており、クリンカー率の低減はそのための最も直接的な手段の一つです。しかし、GBFS、フライアッシュ、焼成粘土、その他のセメント代替材料の使用比率を高めると、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、分散性を向上させ、粒子を活性化し、初期水和を促進することで、このボトルネックの克服に役立つ可能性があります。
超音波処理は、特に粒子径分布と処理時間を最適化した場合、スラグを混合したセメントペーストの反応性を高め、機械的強度を向上させることができる。この組み合わせは、工業規模の結合材工学において極めて重要である。

セメントの水和、強度、およびスラグ反応性を高めるためのヒールシャー社製超音波処理装置

ヒールシャーのインライン超音波処理装置は、特にスラグを配合したセメント系材料において、セメントの水和および強度の向上を図るための強力なツールです。
工業用セメントの解凝集および分散において、ヒールシャー社の高性能ソニケーターは、セメント、スラグ、鉱物充填剤の凝集体を微細に分散した粒子へと分解するために必要な強力なキャビテーションせん断力を提供し、セメント系スラリーにおける粒子の濡れ性、表面活性化、および均一性を向上させます。 Hielscherのシステムは、ベンチトップやパイロットスケールから、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を含む堅牢な高スループット生産システムまで幅広く用意されています。これにより、R&D段階から直接スケーリング可能なプロセス開発が可能となります。&Dから本格的な工業規模の処理能力まで。超音波解凝集処理は、粉砕媒体の必要性を排除または低減することで、処理工程を簡素化し、汚染リスクを最小限に抑え、洗浄の手間を軽減すると同時に、再現性の高い分散品質を実現します。 したがって、セメントおよびモルタルメーカーにとって、ヒールシャーの超音波処理装置は、より均一な結合材システム、水和反応速度の向上、GBFSやその他の補足セメント系材料の有効活用、そして高性能な低クリンカー配合の実現に向けた実用的な手段となります。

以下の表は、当社のパワー超音波システムの概算処理能力を示したものです：

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献・参考文献