초음파 처리로 시멘트의 수화 및 강도 향상

초음파 처리라고도 하는 고출력 초음파는 시멘트 및 모르타르 생산을 위한 실용적인 공정 강화 기술로 주목받고 있습니다. 최근 연구에 따르면 초음파 처리는 입자 분산을 개선하고, 고로 수쇄 슬래그(GBFS)와 같은 보조 시멘트질 재료를 활성화하며, 수화를 촉진하고, 공극 구조를 미세화하며, 초기 재령 강도를 크게 높일 수 있습니다.

고출력 초음파를 이용한 슬래그 혼합 시멘트 및 모르타르의 성능 향상

시멘트 제조 및 모르타르 생산에서 주요 기술적 과제 중 하나는 보조 시멘트질 재료를 효율적으로 사용하는 것입니다. 고로 수쇄 슬래그, 즉 GBFS는 클링커 함량을 줄이고 지속 가능성을 높이기 위해 널리 사용됩니다. 그러나 조대하거나 응집된 슬래그 입자는 반응이 느린 경우가 많아 초기 강도 발현을 제한합니다. 초음파 처리는 유망한 해결책을 제공합니다. 고강도 음향 캐비테이션을 이용하여 응집체를 분산시키고, 입자를 파쇄하며, 시멘트 매트릭스 내부의 반응성 핵생성 부위 수를 늘립니다.

시멘트 수화에서 초음파 처리가 중요한 이유

초음파 처리의 장점은 초기 수화 전과 초기 수화 중에 입자계에 직접 작용할 수 있다는 데 있습니다. 시멘트질 현탁액에서 초음파 캐비테이션은 국소적인 전단력, 마이크로제트 및 압력 변동을 발생시킵니다. 이러한 효과는 응집체를 해체하고 미세 입자를 분산시키며 새로운 광물 표면을 노출하는 데 도움이 됩니다.
수화는 표면의 영향을 크게 받으므로 이는 시멘트 및 모르타르 생산업체에 중요합니다. 분산이 개선되고 반응성 입자가 작아지면 물, 클링커 상 및 슬래그 입자 사이의 접촉이 증가할 수 있습니다. 이는 더 빠른 열 방출, 초기 경화 개선 및 더 치밀한 미세구조로 이어질 수 있습니다.
슬래그 혼합 시스템에서는 GBFS에 활성화가 필요한 경우가 많으므로 초음파 처리가 특히 중요합니다. GBFS 입자의 초음파 입자 파쇄, 이른바 초음파 파쇄는 특히 125–250 μm 입도 분획의 입자 크기를 줄입니다.

시멘트 및 모르타르 생산에서 초음파 처리의 주요 장점

고출력 초음파는 여러 측면에서 산업용 시멘트 및 모르타르 생산을 지원합니다:

• 입자 분산 개선: 초음파 처리는 페이스트 또는 모르타르 배합물 내에서 시멘트, 슬래그 및 미세 광물 입자를 더욱 균일하게 분산시키는 데 도움이 됩니다.
• 응집 감소: 초음파 처리는 입자 응집체를 해체할 수 있으며, 혼합 중 재응집을 억제할 수도 있습니다.
• 입자 미세화: 더 조대한 슬래그 입자를 더 미세한 입도 분획으로 파쇄하여 가용 표면적을 늘릴 수 있습니다.
• 핵생성 부위 증가: 파쇄된 GBFS 입자는 시멘트 매트릭스 내 수화 생성물의 핵생성 중심으로 작용할 수 있습니다.
• 수화 촉진: 분산 개선과 표면 노출은 누적 열 방출량을 늘리고 초기 경화를 촉진할 수 있습니다.
• 초기 강도 향상: 초음파 처리된 슬래그 혼합 시멘트 페이스트는 단 이틀 후에도 압축강도와 휨강도가 크게 향상될 수 있습니다.
• 미세구조 개선: 초음파 처리는 나노 공극률 지표를 높이고 공극 구조를 변화시킬 수 있으며, 특히 2–10 nm 공극 범위에서 이러한 효과가 나타날 수 있습니다.

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

고출력 초음파를 이용한 프리캐스트 콘크리트의 응결 촉진 및 초기 강도 향상

Ch. Rößler의 연구 “고출력 초음파가 포틀랜드 시멘트 페이스트의 유동성과 응결에 미치는 영향”은 CEM I 42.5 R, w/c비 0.37 및 폴리아크릴레이트계 고성능 감수제 0.1%를 사용한 포틀랜드 시멘트 페이스트를 조사합니다. 이 연구에서는 고출력 초음파가 수화를 촉진하고, 유동성을 개선하며, 응결 시간을 단축하고, 초기 강도를 높일 수 있는지 평가하기 위해 연속 통과식 구성의 Hielscher UIP1000hd 초음파 처리기를 사용했습니다.
결과는 고출력 초음파(PUS)가 주 수화 반응 기간을 앞당긴다는 것을 보여줍니다. 온도 곡선에서는 수화 피크가 더 일찍 나타났으며, 다섯 시간 후의 미세구조 이미지에서는 초음파 처리된 페이스트의 C-S-H 상이 대조군보다 더 크게 나타났습니다.
확인된 주요 이점:

• 유동성 향상: 슬럼프가 대조군 페이스트의 122 mm에서 PUS 처리 후 158 mm로 증가했습니다.
• 응결 시간 단축: 초결 시간은 5 h 15 min에서 3 h 45 min으로, 종결 시간은 6 h 45 min에서 4 h 30 min으로 단축되었습니다.
• 강성 발달 촉진: 초음파 펄스 속도는 경화가 약 2시간 빨라졌음을 나타냈습니다.
• 초기 강도 향상: PUS 처리된 시멘트 페이스트로 제작한 모르타르 각주형 시험체는 최초 24시간 동안 압축 강도가 증가했습니다.
• 공정 경제성 개선 가능성: 저자들은 시멘트 페이스트에 약 10 kWh/m³의 에너지를 투입하면 응결과 초기 강도 발현을 약 두 시간 앞당길 수 있으며, 이에 따른 비용은 콘크리트 기준 ≤ 1 Euro/m³라고 추산했습니다.
• 혼화제 필요량 감소: PUS가 유동성을 높였기 때문에 저자들은 고성능 감수제의 투입량을 줄일 가능성이 있다고 결론지었습니다.

이러한 결과는 응결 시간 단축과 초기 강도 향상으로 거푸집 존치 기간, 가열 수요 및 생산 주기 시간을 줄일 수 있는 프리캐스트 콘크리트 생산에서 특히 중요합니다.

기존 방식과 고출력 초음파를 사용하여 제조한 C + S 페이스트의 28 d 후 비커스 경도 및 탄성계수.
그래프 및 연구: ©Lisowski et al. 2024.

GBFS 혼합 시멘트 페이스트의 초기 강도 향상

산업용 시멘트 및 모르타르 응용 분야에서 가장 중요한 연구 결과 중 하나는 초기 재령 강도의 향상입니다. Lisowski et al. (2024)에 따르면, 퇴적된 GBFS를 20% 함유한 시멘트 페이스트를 펄스 초음파로 처리했을 때 이틀 후 강도가 상당히 높아졌습니다. 보고된 증가율은 압축 강도에서 최대 132%, 휨 강도에서 최대 58%에 달했습니다.
이는 조기 탈형, 조기 취급 강도 또는 신속한 시공 진행이 경제적으로 중요한 프리캐스트 콘크리트, 건식 혼합 모르타르, 보수 모르타르, 타일 접착제 및 기타 시멘트계 제품과 매우 밀접한 관련이 있습니다.
강도 증가는 누적 경화열 증가와 상관관계를 보였으며, 이는 초음파 처리가 물리적 분산을 개선할 뿐만 아니라 초기 수화도 촉진한다는 것을 시사합니다. 실무적으로 이는 고출력 초음파가 생산업체에서 초기 성능을 희생하지 않고 슬래그를 더 효과적으로 활용하는 데 도움이 될 수 있음을 의미합니다.

28d 시점에서 고출력 초음파 처리 유무에 따른 효과를 비교한 시멘트-GBFS 페이스트 시험체 C + S의 SEM 이미지.
이미지 및 연구: ©Lisowski et al. 2024.

초음파 파쇄로 입도가 더 큰 슬래그 분획의 활용성 향상

특히 가치 있는 결과는 입도가 비교적 큰 GBFS 분획의 효과적인 활성화입니다. 이 연구에서는 퇴적 슬래그 입자 분리 및 고출력 초음파 처리를 병행했을 때 125–250 μm 슬래그 분획이 초기 재령 및 28일 강도에서 가장 우수한 성능을 나타냈습니다.
슬래그를 매우 미세한 크기로 분쇄하는 데는 많은 에너지가 필요하므로 이는 산업적으로 중요합니다. 초음파 처리가 입도가 더 크거나 퇴적된 GBFS 분획의 반응성을 개선한다면, 생산업체는 분쇄 필요량을 줄이고, 원료 이용 효율을 높이며, 이차 원료 흐름을 더 효과적으로 활용할 수 있습니다.
 
초음파 분산이 나노 강화 시멘트 모르타르의 생산을 어떻게 용이하게 하는지 알아보세요!

산업적 중요성: 효율적인 시멘트 및 모르타르 생산을 위한 고출력 초음파

산업용 시멘트 및 모르타르 생산업체에 초음파 처리는 여러 전략적 이점을 제공합니다. 슬러리 제조, 결합재 활성화, 혼화제 분산 또는 고성능 모르타르 혼합 과정에 공정 강화 단계로 통합할 수 있습니다. 이 기술은 미세 입자의 분포, 빠른 수화 및 보조 시멘트질 재료의 최적화된 활용이 중요한 제품에 특히 매력적입니다.

• 클링커 함량을 늘리지 않고 더 높은 초기 강도 확보
• GBFS 및 기타 보조 시멘트질 재료의 활성화 향상
• 조립질 또는 퇴적 슬래그 입도 분획의 활용 개선
• 시멘트질 현탁액 내 응집 감소
• 더욱 일관된 수화 및 경화 거동
• 특정 슬래그 원료 흐름에 대한 분쇄 강도의 잠재적 감소
• 저클링커 및 저탄소 시멘트 배합의 성능 향상

이러한 특성으로 인해 초음파 처리는 지속 가능한 시멘트, 슬래그 시멘트, 고성능 모르타르, 프리캐스트 부재, 보수 재료 및 특수 건설 제품의 생산에 매우 유용합니다.

저탄소 시멘트 기술을 위한 수단으로서의 초음파 처리

시멘트 산업은 CO₂ 배출량을 줄여야 한다는 압박을 받고 있으며, 클링커 비율을 낮추는 것은 가장 직접적인 방법 중 하나입니다. 그러나 GBFS, 플라이 애시, 소성 점토 또는 기타 보조 시멘트질 재료의 대체율을 높이면 초기 강도 발현이 느려질 수 있습니다. 고출력 초음파는 분산을 개선하고 입자를 활성화하며 초기 수화를 가속함으로써 이러한 병목 현상을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.
초음파 처리는 슬래그 혼합 시멘트 페이스트의 반응성과 기계적 강도를 높일 수 있으며, 특히 입도 분획과 처리 시간에 맞춰 공정을 최적화했을 때 효과적입니다. 이러한 조합은 산업 규모의 결합재 설계에 매우 유용합니다.

시멘트 수화, 강도 및 슬래그 반응성 향상을 위한 Hielscher 초음파 처리기

Hielscher 인라인 초음파 처리기는 특히 슬래그 혼합 시멘트질 시스템에서 시멘트의 수화와 강도를 개선하는 강력한 도구입니다.
산업용 시멘트의 해응집 및 분산을 위해 Hielscher 고성능 초음파 처리기는 시멘트, 슬래그 및 광물 충전재의 응집체를 미세하게 분산된 입자로 분해하는 데 필요한 강력한 캐비테이션 전단을 제공하여 시멘트질 슬러리 내 입자 습윤, 표면 활성화 및 균질성을 개선합니다. Hielscher 시스템은 벤치탑 및 파일럿 규모부터 견고한 대용량 생산 시스템까지 제공되며, 시멘트 그라우트와 광물 현탁액의 연속 처리를 위한 고출력 인라인 초음파 처리기도 포함됩니다. 이를 통해 연구개발 단계에서 전체 산업 생산 처리량까지 공정 개발을 직접 확장할 수 있습니다. 초음파 해응집은 분쇄 매체의 필요성을 없애거나 줄여 공정을 단순화하고 오염 위험과 세척 부담을 최소화하면서 재현성 있는 분산 품질을 제공합니다. 따라서 시멘트 및 모르타르 제조업체에 Hielscher 초음파 처리기는 더욱 균일한 결합재 시스템, 개선된 수화 동역학, GBFS 및 기타 보조 시멘트질 재료의 활용 향상, 그리고 더 높은 성능의 저클링커 배합을 실현하는 실용적인 방법을 제공합니다.

아래 표는 당사 고출력 초음파 시스템의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질과 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고함과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 열악한 조건과 까다로운 환경에서도 쉽게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 둡니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 규정을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

문헌 / 참고 문헌

• 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.
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• 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.
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