고성능 콘크리트를 위한 초음파 혼합

마이크로 실리카와 나노 실리카 또는 나노튜브를 사용하면 고성능 콘크리트의 압축 강도가 향상됩니다. 초음파 처리는 시멘트나 콘크리트 내 나노소재의 혼합, 습윤 및 분산에 효과적인 수단입니다.

오늘날 마이크로 실리카는 콘크리트에 널리 사용되며, 이를 통해 압축 강도가 더 높거나 내수성 및 내화학성을 갖춘 콘크리트를 얻을 수 있습니다. 이는 재료비와 에너지 사용량을 줄일 수 있습니다. 나노 실리카나 나노튜브와 같은 새로운 나노소재는 저항성과 강도를 더욱 향상시킵니다. 그러나 나노소재의 잠재력을 온전히 발휘하려면 신뢰할 수 있고 효율적인 분산 기술이 필요합니다. 프로브형 초음파 처리기는 시멘트나 콘크리트와 같이 점도가 높고 페이스트 형태인 슬러리에서도 나노 분산액을 제조할 수 있는 가장 신뢰성이 높고 효과적인 기술입니다.

초음파 혼합기를 이용한 초미립 시멘트 그라우트 분산

Draganović 연구팀이 발표한 연구 논문에서 저자들은 초음파 기술과 기존 실험실용 디졸버를 이용한 초미립 시멘트 그라우트의 분산을 조사합니다. 이 연구는 초음파의 성능 – 특히 이 연구에서 사용한 초음파 처리기 UP400St의 성능 – 을 기존 그라우트 분산 방법과 비교하는 것을 목표로 합니다.

연구진은 초미립 시멘트 입자의 입도 분포(PSD)와 제타 전위를 평가하기 위해 다양한 분산 기술을 사용하여 일련의 실험을 수행했습니다. 분산 기술에는 UP400St 초음파 처리기를 이용한 초음파 처리, 고속 실험실용 디졸버 및 두 방법의 조합이 포함됩니다.

연구 결과, 초음파 처리기 UP400St를 이용한 초음파 분산은 기존 실험실용 디졸버에 비해 현저히 더 우수한 입도 분포를 달성했습니다. 초음파 처리기 UP400St는 초미립 시멘트 입자의 응집을 효과적으로 줄이고 더 균질하고 안정적인 그라우트 현탁액을 생성합니다. 초음파 처리는 작은 입자의 분포를 개선하여 입도 분포 범위를 좁힙니다.

초미립 시멘트 그라우트는 Hielscher 초음파 처리기 UP400S를 사용하면 가장 효율적이고 신뢰성 있게 분산됩니다. 비교 연구에서 프로브형 초음파 처리기는 로터–스테이터 분산기와 디스크 용해기보다 뚜렷하게 우수한 성능을 보였습니다.

비교한 분산 방법: 90-mm 디스크와 로터–스테이터 시스템이 장착된 Vma-Getzmann Dispermat CV-3 디졸버. Hielscher UP400St 초음파 장치에는 H22 소노트로드가 장착되어 있습니다.
(연구 및 사진: ©Draganovic et al., 2020)

또한 초음파를 기존 실험실용 디졸버와 함께 사용하면 분산 효율이 더욱 향상되어, 초음파 처리만 사용했을 때보다 입도가 더욱 미세한 분포를 얻을 수 있습니다. 두 방법을 함께 사용하면 초음파 처리는 미시적 혼합과 나노 분산을 제공하고, 디졸버는 거시적 혼합에 기여하여 모든 입자가 초음파 캐비테이션 영역으로 유입되도록 합니다. 이를 통해 배치 운전에서 초미립 시멘트 그라우트의 입도 분포(PSD)와 제타 전위를 더 잘 제어할 수 있습니다. 플로우 셀 반응기를 사용하면 입자 현탁액이 캐비테이션 핫스폿 영역을 자동으로 통과하므로 추가 교반이 필요하지 않습니다.

전반적으로 이 연구는 초미립 시멘트 그라우트 분산에서 초음파 처리기 UP400St의 우수한 성능을 강조합니다. 특히 기존 실험실용 디졸버와 함께 사용하는 초음파 처리는 초미립 시멘트 입자의 균일하고 안정적인 현탁액을 얻는 데 매우 효과적이고 효율적인 방법을 제공합니다.

이 논문은 초음파와 기존 분산 방법을 포괄적으로 비교하며, 그라우트 분산에서 초음파 처리의 우수한 성능을 강조한다는 점에 주목할 필요가 있습니다.
(Draganović et al., 2020 참조)

디스크가 장착된 실험실 혼합기 및 로터–스테이터 혼합기와 비교했을 때 초음파 균질화는 포틀랜드 시멘트 그라우트 분산에서 최상의 결과를 보였습니다.

초음파 균질기 UP400St는 디스크가 장착된 일반 실험실용 혼합기 및 로터–스테이터 방식과 시멘트 그라우트의 분산 효율 측면에서 비교됩니다. 이 연구에서는 초음파 분산이 효과적인 방법일 뿐만 아니라 로터–스테이터 방식을 사용하는 혼합기보다도 더 우수한 것으로 나타났습니다.
(연구 및 그래픽: © Draganović et al., 2020)

이 영상에서는 초음파 균질기 UP400St(Hielscher Ultrasonics)를 사용하여 에폭시 수지(Toolcraft L) 250mL에 흑연을 초음파로 혼합하고 분산시키는 과정을 보여드립니다. Hielscher Ultrasonics는 실험실이나 대량 생산 공정에서 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브, 나노와이어 또는 충전재를 분산시키는 장비를 제조합니다. 대표적인 용도로는 기능화 공정 중 나노소재와 마이크로소재의 분산, 수지나 고분자 내 분산이 있습니다.

콘크리트 연구 개발

콘크리트 연구에서는 다음 목적을 위한 재료와 공정을 찾습니다:

재료비 및 에너지 비용 절감
높은 초기 및 최종 강도 확보
밀도 및 압축 강도 향상
시공성, 펌프 압송성 및 마감성 향상
내구성 향상 및 투수성 감소
수축 균열, 분진 발생 및 층간 박리 문제 감소
내화학성, 예: 내황산염성

시멘트 및 콘크리트 혼합

콘크리트의 특성을 개선하는 데 있어 혼합 기술은 콘크리트 배합만큼 중요합니다. 혼합은 균일하고 품질이 높은 콘크리트를 생산하는 데 필수적인 단계입니다. DIN EN 206 등 수많은 지침과 규정이 콘크리트의 배합과 구성 재료를 다루고 있지만, 실제 시멘트 및 콘크리트 혼합 공정은 사용자에게 맡겨져 있습니다.
물, 시멘트 및 혼화재료가 미세한 수준까지 고르게 분산되고 분포하며, 응집체가 충분히 분산되는 것이 결정적으로 중요합니다. 분산이나 응집 해체가 불충분하면 콘크리트의 특성이 저하됩니다. 자기충전 콘크리트(SCC)와 초고강도 콘크리트(UHPC)는 수분 함량이 낮고 혼화재료의 투입량이 많기 때문에 더 긴 혼합 시간이나 더 효과적인 혼합 기술이 필요합니다.

고출력 초음파가 시멘트 페이스트의 수화 반응과 강도 발현을 어떻게 향상하고 가속하는지 알아보세요!

콘크리트 내 나노소재

시멘트가 수화되는 동안 경화 중인 콘크리트 내부에는 칼슘 수화물과 같은 나노 크기의 수화 생성물이 형성됩니다. 실리카 나노입자나 나노튜브는 콘크리트가 굳는 동안 시멘트 나노입자로 변합니다. 입자가 작을수록 입자 사이의 거리가 짧아지고 재료가 더 치밀해지며 공극이 줄어듭니다. 이에 따라 압축 강도가 높아지고 투수성이 낮아집니다.

그러나 나노 크기의 분말과 재료는 습윤 및 혼합 중에 응집체를 형성하는 경향이 있다는 큰 단점이 있습니다. 개별 입자가 잘 분산되지 않으면 응집으로 인해 노출된 입자 표면적이 감소하여 콘크리트의 특성이 저하됩니다.

초음파 혼합: 시멘트 페이스트 내 나노소재의 균일한 분산

초음파 처리는 혼합, 분산 및 응집 해체에 매우 효과적인 수단입니다. 아래 그림은 물속에서 흄드 실리카를 초음파로 분산한 전형적인 결과를 보여줍니다.
초음파 분산을 이용한 나노 강화 시멘트 모르타르에 대해 자세히 알아보세요!

실리카 흄(마이크로 실리카)의 초음파 혼합

초기 응집체 입자 크기가 200 마이크로미터(D50)를 초과하는 상태(녹색 곡선)에서 시작하여 대부분의 입자가 200 나노미터 미만으로 작아졌습니다.

모든 규모에서의 초음파 혼합

Hielscher는 연구 및 본격적인 생산 규모의 공정에 사용할 수 있는 초음파 혼합 장치를 제공합니다.

실험실 연구 개발용 초음파 처리기

Hielscher 실험실용 초음파 균질기는 실험실 규모의 연구 개발에 완벽한 혼합 도구입니다. Hielscher 실험실용 초음파 처리기는 일반적으로 소량 배치의 초음파 혼합에 사용됩니다. Hielscher 초음파 균질기는 규모 확대를 준비할 수 있도록 정밀한 매개변수 제어와 뛰어난 재현성을 제공합니다. 이를 통해 다양한 배합을 쉽게 혼합하고 초음파 처리 강도와 처리 시간의 영향을 확인할 수 있습니다.

생산 공정에서의 초음파 인라인 혼합

사용 준비가 된 콘크리트 규모 확대에 필요한 초음파 혼합 장비는 실험실 시험을 바탕으로 정확하게 결정할 수 있습니다. 시멘트 또는 콘크리트의 대용량 흐름을 처리하기 위해 고성능 초음파 처리기는 일반적으로 유통식 반응기를 사용하는 연속 흐름 모드로 운전됩니다. 이를 통해 점도가 매우 높은 페이스트와 슬러리도 매우 균일하게 혼합하고 원활하게 처리할 수 있습니다.

아래 표는 처리할 배치 부피 또는 유량에 따른 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

배치 부피	유량	권장 장비
1–500mL	10–200mL/min	UP100H
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1–20L	0.2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000hdT
15–150L	3–15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	더 높은 유량	클러스터형 UIP16000

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문헌 / 참고 문헌

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.
Peters, Simone (2017): The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions. Doctoral Thesis Bauhaus-Universität Weimar, 2017.
N.-M. Barkoula, C. Ioannou, D.G. Aggelis, T.E. Matikas (2016): Optimization of nano-silica’s addition in cement mortars and assessment of the failure process using acoustic emission monitoring. Construction and Building Materials, Volume 125, 2016. 546-552.
Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2; 2016.
Amani, Mahmood; Retnanto, Albertus; Aljuhani, Salem; Al-Jubouri, Mohammed; Shehada, Salem; Yrac, Rommel (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. Conference: International Petroleum Technology Conference 2015.

초음파 처리기를 이용한 시멘트의 인라인 혼합

Hielscher 초음파 혼합기는 일반적으로 인라인으로 설치됩니다. 재료는 펌프를 통해 초음파 반응 용기로 이송됩니다. 그 안에서 재료는 강력한 초음파 캐비테이션에 노출됩니다. 인라인 초음파 처리에서는 모든 입자가 정해진 경로를 따라 혼합실을 통과하므로 우회 흐름이 제거됩니다. 따라서 초음파 처리는 일반적으로 입도 분포 곡선을 넓히기보다는 이동시킵니다.

견고하고 세척이 용이함

초음파 혼합 반응기는 플로우 셀과 소노트로드로 구성됩니다. 베어링은 필요하지 않습니다. 플로우 셀 반응기(스테인리스강)는 형상이 단순하여 쉽게 분해하고 세척할 수 있습니다. 작은 구멍이나 숨겨진 모서리 부분이 없습니다.

시멘트와 콘크리트를 위한 초음파의 기타 응용 분야

시멘트와 콘크리트 제조에 사용되는 Hielscher 초음파 장비의 용도는 시멘트 프리믹스나 콘크리트의 혼합 및 분산에만 국한되지 않습니다. 초음파는 액체와 슬러리의 탈기에 매우 효과적인 수단입니다. 이를 통해 경화 후 콘크리트 내부에 갇혀 있는 기포의 수와 부피를 줄일 수 있습니다.
초음파 체 진동기는 작은 입자의 분말 체질 처리량과 품질을 향상시킵니다. Hielscher는 실험실 및 산업용으로 초음파로 진동시키는 체를 제공합니다.

콘크리트 배경 정보

콘크리트는 포틀랜드 시멘트와 같은 시멘트와 플라이 애시 및 슬래그 시멘트 같은 기타 시멘트질 재료, 골재(자갈, 석회석, 화강암, 모래), 물 및 화학 혼화제로 구성됩니다. 일반적인 혼화 재료로는 촉진제 또는 지연제, 가소제, 안료, 실리카 흄 또는 고반응성 메타카올린(HRM)이 있습니다. 마이크로 실리카는 콘크리트에 사용되는 대표적인 혼화 재료입니다. 단점은 상대적으로 높은 비용과 운전자 및 작업자의 건강에 영향을 미치는 오염입니다.