콘크리트용 시멘트 페이스트의 초음파 혼합

시멘트 페이스트의 초음파 혼합은 프리캐스트 성형, 드라이캐스트 및 콘크리트 생산 시설에 큰 이점을 제공합니다. 이러한 이점에는 초결 및 종결 시간 단축, 고성능 감수제 투입량 감소, 더 빠르고 완전한 수화, 더 높은 압축 강도가 포함됩니다.

주행 중 혼합이나 회전식 믹서와 같은 기존 콘크리트 혼합 기술은 시멘트 입자와 플라이애시 또는 실리카 같은 기타 시멘트질 재료의 응집체를 분산시키기에 혼합 작용이 충분하지 않습니다. 이러한 응집체의 외부 입자는 물에 노출되지만 내부 입자 표면은 건조한 상태로 남습니다. 이로 인해 수화가 느리고 불완전하게 진행됩니다.

콘크리트용 초음파 혼합 기술의 이점

초음파 분산은 액체에서 마이크로미터 및 나노미터 크기 물질의 응집을 해체하고 분산시키는 가장 진보된 기술입니다. 초음파 혼합은 기존 회전식 믹서 및 로터–스테이터 믹서보다 미세 물질의 혼합에 더 효과적인 캐비테이션 전단력을 사용합니다. 시멘트, 실리카, 플라이애시, 안료 또는 CNTs의 경우 초음파 분산이 입자 분포와 물과의 접촉을 개선하므로 이러한 재료의 성능이 크게 향상됩니다.

시멘트와 물의 반응인 수화 과정에서 C‑S‑H상은 바늘 모양의 구조로 성장합니다. 아래 사진은 수화 5시간 후 시멘트 페이스트의 미세구조를 보여 줍니다. 초음파 처리한 시멘트 페이스트에서 C‑S‑H상의 길이는 거의 500nm인 반면, 초음파 처리하지 않은 페이스트에서는 C‑S‑H상이 약 100nm입니다.

수화 시간 5시간 후 시멘트 페이스트의 미세구조

초음파 처리한 경우	초음파 처리하지 않은 경우
포틀랜드 시멘트 페이스트(CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – 바이마르 바우하우스 대학교

 
초음파로 유도된 캐비테이션에 의한 혼합은 C‑S‑H상의 성장을 촉진합니다.

 
수화 온도

고출력 초음파 처리(PUS)가 시멘트 페이스트의 시간–온도 곡선에 미치는 영향

 
압축 강도

고출력 초음파 처리(PUS)가 각주형 모르타르 시험체의 압축 강도에 미치는 영향

 
초음파 펄스 속도

고출력 초음파 처리(PUS)가 수화 중인 시멘트 페이스트의 초음파 펄스 속도에 미치는 영향

C‑S‑H상의 성장은 수화 기간 중 시멘트 페이스트의 온도와 상관관계가 있습니다(오른쪽 그래프 클릭). 초음파로 혼합한 시멘트 페이스트에서는 수화가 약 한 시간 더 일찍 시작됩니다. 수화가 더 일찍 시작되는 것은 압축 강도가 더 일찍 증가하는 것과 상관관계가 있습니다. 수화 속도의 증가도 초음파 펄스 속도로 측정할 수 있습니다.

특히 프리캐스트 및 드라이캐스트 콘크리트의 경우, 이를 통해 타설한 콘크리트를 거푸집에서 꺼낼 수 있을 때까지의 시간이 크게 단축됩니다. 바우하우스 대학교(독일)의 연구에서는 다음과 같은 응결 시간 단축이 나타났습니다.

초음파 혼합의 또 다른 흥미로운 이점은 유동성에 미치는 영향입니다. 위 표에서 볼 수 있듯이 슬럼프가 약 30% 증가합니다. 이를 통해 고성능 감수제 투입량을 줄일 수 있습니다.

시멘트 생산 공정에 초음파 믹서 통합

Hielscher는 시멘트, 실리카, 플라이애시, 안료 또는 CNTs를 효과적으로 분산시키는 초음파 믹서를 제공합니다. 먼저 모든 건조 재료를 물과 예비 혼합하여 고농도이면서도 펌핑 가능한 페이스트를 만들어야 합니다. Hielscher 초음파 믹서는 캐비테이션 전단력을 이용하여 입자의 응집을 해체하고 분산시킵니다. 그 결과 각 입자의 전체 표면이 물에 완전히 노출됩니다.

시멘트 페이스트의 초음파 처리

시멘트 페이스트의 경우 초음파 처리 후 수화가 시작됩니다. 따라서 시멘트 페이스트는 장기간 보관할 수 없으므로 Hielscher 초음파 믹서를 인라인으로 사용해야 합니다. 아래 개략도는 이 공정을 보여 줍니다. 다음 단계에서는 모래나 자갈과 같은 골재를 첨가하여 시멘트 페이스트와 혼합합니다. 이 단계에서는 시멘트 입자가 이미 잘 분산되어 있으므로 시멘트 페이스트가 골재와 잘 섞입니다. 그러면 콘크리트를 프리캐스트 거푸집에 충전하거나 운송할 준비가 됩니다. 콘크리트 수요가 일정하지 않은 경우, 초음파 믹서 옆에 브레이크업 탱크를 사용하여 더욱 연속적으로 처리할 수 있습니다.
시멘트 입자의 초음파 응집 해체에 대해 자세히 알아보세요!

실리카, 플라이애시 및 나노물질의 초음파 분산

실리카, 플라이애시, 안료 또는 탄소 나노튜브와 같은 기타 나노물질을 분산시키려면 다른 처리 강도와 에너지 수준이 필요합니다. 이러한 이유로 별도의 초음파 믹서를 사용하여 잘 분산된 슬러리/페이스트를 제조한 다음 콘크리트 배합물에 첨가할 것을 권장합니다. 이 공정의 개략도를 보려면 위 그림을 클릭하세요.

스케일업에 필요한 초음파 혼합 장비는 1,000와트의 강력한 파일럿 규모 초음파 처리기인 UIP1000hdT를 사용한 파일럿 규모 시험을 바탕으로 정확하게 결정할 수 있습니다. 아래 표는 처리할 시멘트 페이스트의 배치 부피 또는 유량에 따른 일반적인 권장 장비를 보여 줍니다.

Hielscher는 단일 초음파 프로브당 최대 16kW의 초음파 혼합 출력으로 대용량 응용 분야에 필요한 처리 출력을 제공합니다. 이 기술은 시험이 용이하며 선형적으로 스케일업할 수 있습니다.