초음파 처리는 시멘트의 수화 반응과 강도를 향상시킨다

초음파 처리(소니케이션)라고도 불리는 고출력 초음파는 시멘트 및 모르타르 생산을 위한 실용적인 강화 기술로 주목받고 있다. 최근 연구에 따르면, 초음파 처리는 입자 분산을 개선하고, 입상 고로 슬래그(GBFS)와 같은 보조 시멘트질 재료를 활성화하며, 수화를 촉진하고, 기공 구조를 미세화하며, 초기 강도를 현저히 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.

고출력 초음파를 이용한 고성능 슬래그 혼합 시멘트 및 모르타르

시멘트 제조 및 모르타르 생산 과정에서 주요 기술적 과제 중 하나는 보조 시멘트질 재료의 효율적인 활용입니다. 입상 고로 슬래그(GBFS)는 클링커 함량을 줄이고 지속 가능성을 높이기 위해 널리 사용됩니다. 그러나 입자가 굵거나 응집된 슬래그 입자는 반응 속도가 느린 경우가 많아 초기 강도 발달을 제한합니다. 초음파 처리는 고강도 음향 캐비테이션을 이용하여 응집체를 분산시키고, 입자를 분쇄하며, 시멘트 매트릭스 내부의 반응성 핵생성 부위를 증가시킴으로써 유망한 해결책을 제시합니다.

시멘트 수화 반응에서 초음파 처리가 중요한 이유

초음파 처리의 장점은 수화 반응 전과 초기 수화 단계에서 입자계에 직접 작용할 수 있다는 점에 있습니다. 시멘트 현탁액 내에서 초음파 캐비테이션은 국부적인 전단력, 미세 분사류 및 압력 변동을 발생시킵니다. 이러한 효과는 응집체를 분해하고, 미세 입자를 분산시키며, 새로운 광물 표면을 노출시키는 데 기여합니다.
시멘트 및 모르타르 제조업체에게 있어 이는 수화 반응이 표면 작용에 크게 좌우되기 때문에 중요한 사항입니다. 분산성이 향상되고 반응성 입자의 크기가 작아지면 물, 클링커 상 및 슬래그 입자 간의 접촉 면적이 증가할 수 있습니다. 이는 열 방출 속도를 높이고, 초기 경화 성능을 개선하며, 더 치밀한 미세 구조를 형성하는 결과로 이어질 수 있습니다.
슬래그 혼합 시스템에서는 GBFS가 종종 활성화 과정을 필요로 하기 때문에 초음파 처리가 특히 중요합니다. 초음파를 이용한 입자 분쇄 – 소위 소노파편화 – GBFS 입자는 입자 크기를 줄여주며, 특히 125–250 μm 크기의 입자 분획을 감소시킵니다.

시멘트 및 모르타르 생산에서 초음파 처리가 갖는 주요 장점

고출력 초음파는 다음과 같은 여러 가지 방식으로 산업용 시멘트 및 모르타르 생산을 지원합니다:

• 입자 분산성 향상: 초음파 처리는 시멘트, 슬래그 및 미세 광물 입자가 페이스트나 모르타르 혼합물 내에 더 균일하게 분산되도록 돕습니다.
• 응집 현상 감소: 초음파 처리는 입자 응집체를 분해할 수 있으며, 혼합 과정에서 재응집을 억제할 수 있습니다.
• 입자 미세화: 입자가 굵은 슬래그는 더 미세한 입자로 분쇄될 수 있어, 유효 표면적을 증가시킬 수 있습니다.
• 더 많은 핵생성 부위: 분쇄된 GBFS 입자는 시멘트 매트릭스 내에서 수화 생성물의 핵형성 중심 역할을 할 수 있다.
• 수분 공급 가속화: 분산성이 향상되고 노출된 표면적이 늘어나면 누적 발열량이 증가하고 조기 경화가 촉진될 수 있습니다.
• 초기 강도가 더 높음: 초음파 처리를 거친 슬래그 혼합 시멘트 페이스트는 단 2일 만에 압축 강도와 굽힘 강도가 상당히 향상될 수 있다.
• 개선된 미세구조: 초음파 처리는 나노 다공성 지표를 높이고, 특히 2–10 nm 범위의 기공 구조에 변화를 줄 수 있다.

수화 시멘트 페이스트의 초음파 펄스 속도에 대한 전력 초음파 (PUS)의 영향

고출력 초음파를 이용한 프리캐스트 콘크리트의 빠른 경화 및 초기 강도 확보

이 연구 “Portland Cement Pastes의 유동성 및 설정에 대한 Power-Ultrasound의 영향” Ch. Rößler의 연구는 CEM I 42.5 R을 기반으로 하고, 물-시멘트 비율(w/c)이 0.37이며 0.1%의 폴리아크릴레이트 초가소제를 함유한 포틀랜드 시멘트 페이스트를 조사하였다. 이 연구에서는 Hielscher UIP1000hd 초음파 발생기를 유동식(flow-through) 설비로 사용하여, 고출력 초음파가 수화 반응을 가속화하고 유동성을 개선하며, 경화 시간을 단축하고 초기 강도를 향상시킬 수 있는지 평가했다.
결과에 따르면, 고출력 초음파(PUS)가 주요 수화 기간을 앞당기는 것으로 나타났다. 온도 곡선을 보면 수화 피크가 더 일찍 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 5시간 후의 미세구조 이미지를 분석한 결과, 초음파 처리를 거친 페이스트에서 대조군에 비해 더 큰 C-S-H 상이 관찰되었다.
주요 성과:

• 더 뛰어난 유동성: 슬럼프는 기준 페이스트의 122 mm에서 PUS 처리 후 158 mm로 증가했다.
• 더 빠른 설정: 첫 세트는 5시간 15분에서 3시간 45분으로, 마지막 세트는 6시간 45분에서 4시간 30분으로 단축되었다.
• 가속화된 경화: 초음파 펄스 속도를 측정한 결과, 경화 시간이 약 2시간 더 빠른 것으로 나타났습니다.
• 초기 강도가 더 높음: PUS 처리된 시멘트 페이스트로 제작된 모르타르 프리즘은 처음 24시간 동안 압축 강도가 증가한 것으로 나타났다.
• 공정 경제성 잠재력: 저자들은 시멘트 페이스트 1m³당 약 10kWh의 에너지를 투입하면 경화 및 초기 강도 발현을 약 2시간 정도 앞당길 수 있으며, 이에 소요되는 비용은 콘크리트 1m³당 1유로 이하로 추정했다.
• 혼합 수요 감소: PUS가 유동성을 높였기 때문에, 저자들은 초감수제의 사용량을 줄일 수 있을 것이라고 결론지었다.

이러한 결과는 특히 프리캐스트 콘크리트 생산에 중요한데, 더 빠른 경화와 조기 강도 확보를 통해 거푸집 공정을 단축하고, 난방 수요를 줄이며, 생산 주기 시간을 단축할 수 있기 때문이다.

28일 후, 기존 방식과 고출력 초음파를 사용하여 제조한 C + S 페이스트의 비커스 경도 및 탄성 계수.
그래프 및 연구: ©Lisowski 외 2024.

GBFS 혼합 시멘트 페이스트의 초기 강도 향상

산업용 시멘트 및 모르타르 응용 분야에서 가장 중요한 연구 결과 중 하나는 초기 강도의 향상입니다. Lisowski 등(2024)에 따르면, 20%의 침전된 GBFS를 함유한 시멘트 페이스트에 펄스 초음파 처리를 실시한 결과, 2일 후 상당히 높은 강도가 나타났습니다. 보고된 강도 증가율은 압축 강도의 경우 최대 132%, 굽힘 강도의 경우 58%에 달했다.
이는 조기 탈형, 조기 취급 강도 또는 신속한 시공 진행이 경제적 측면에서 중요한 프리캐스트 콘크리트, 건식 모르타르, 보수용 모르타르, 타일 접착제 및 기타 시멘트계 제품에 매우 중요한 사항입니다.
강도 증가는 누적 경화열의 증가와 상관관계를 보였는데, 이는 초음파 처리가 단순히 물리적 분산을 개선할 뿐만 아니라 초기 수화 반응도 촉진함을 시사한다. 실질적으로 이는 고출력 초음파를 활용하면 제조업체들이 초기 성능을 저하시키지 않으면서도 슬래그를 더 효과적으로 사용할 수 있음을 의미한다.

시멘트-GBFS 페이스트 시편 C + S에 대해, 28일 차에 고출력 초음파를 적용하지 않은 경우와 적용한 경우의 효과를 비교한 SEM 이미지.
이미지 및 연구: ©Lisowski 외 2024.

초음파 분쇄 기술로 더 굵은 슬래그 입자의 활용도 높여

특히 주목할 만한 결과는 상대적으로 입자가 큰 GBFS 분획을 효과적으로 활성화시켰다는 점이다. 이 연구에 따르면, 125–250 μm 크기의 슬래그 분획은 침전된 슬래그 입자 분리 공정과 고출력 초음파 처리를 병행했을 때 초기 강도와 28일 강도가 가장 우수한 것으로 나타났다.
이는 슬래그를 매우 미세한 입자로 분쇄하는 데 많은 에너지가 소요되기 때문에 산업적으로 중요한 의미를 지닙니다. 초음파 처리를 통해 입자가 굵거나 침전된 GBFS 분획의 반응성을 향상시킬 수 있다면, 생산 업체들은 분쇄 수요를 줄이고 원료 효율을 높이며 2차 자재 흐름을 더 효과적으로 활용할 수 있게 됩니다.
 
초음파 분산이 나노 보강 시멘트 모르타르 생산을 어떻게 촉진하는지 알아보세요!

산업적 의의: 효율적인 시멘트 및 모르타르 생산을 위한 고출력 초음파

산업용 시멘트 및 모르타르 제조업체에게 초음파 처리는 여러 가지 전략적 이점을 제공합니다. 이 기술은 슬러리 제조, 결합제 활성화, 혼화제 분산 또는 고성능 모르타르 혼합 과정에서 공정 강화 단계로 통합될 수 있습니다. 특히 미세 입자 분포, 빠른 수화 반응, 보조 시멘트질 재료의 최적화된 사용에 의존하는 제품의 경우 이 기술이 매우 매력적입니다.

• 클링커 함량을 늘리지 않고도 초기 강도를 높임
• GBFS 및 기타 보충 시멘트질 재료의 활성화 향상
• 거친 슬래그 또는 침전 슬래그 분획의 활용도 향상
• 시멘트계 현탁액에서 응집 현상 감소
• 보다 일관된 수화 및 경화 특성
• 선별된 슬래그 유동에 대한 분쇄 강도의 잠재적 감소
• 저클링커 및 저탄소 시멘트 배합의 성능 개선

따라서 초음파 처리는 지속 가능한 시멘트, 슬래그 시멘트, 고성능 모르타르, 프리캐스트 부재, 보수 자재 및 특수 건축 자재의 생산에 매우 중요한 역할을 합니다.

저탄소 시멘트 기술을 위한 도구로서의 초음파 처리

시멘트 산업은 CO₂ 배출량을 줄여야 한다는 압박을 받고 있으며, 클링커 비율을 낮추는 것이 가장 직접적인 방법 중 하나입니다. 그러나 GBFS, 플라이애시, 소성 점토 또는 기타 보조 시멘트질 재료의 대체 비율을 높이면 초기 강도 발달이 지연될 수 있습니다. 고출력 초음파는 분산성을 개선하고, 입자를 활성화하며, 초기 수화 반응을 촉진함으로써 이러한 병목 현상을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.
초음파 처리는 특히 입자 크기 분포와 처리 시간을 최적화할 경우, 슬래그 혼합 시멘트 페이스트의 반응성을 높이고 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 조합은 산업 규모의 결합재 공학에 매우 중요한 의미를 지닌다.

시멘트의 수화 반응, 강도 및 슬래그 반응성을 향상시키는 Hielscher 초음파 처리기

Hielscher 인라인 초음파 처리는 특히 슬래그가 혼합된 시멘트계 시스템에서 시멘트의 수화 및 강도를 향상시키는 데 효과적인 도구입니다.
산업용 시멘트의 응집 해체 및 분산을 위해, Hielscher의 고성능 초음파 처리는 시멘트, 슬래그 및 광물 충전재의 응집체를 미세하게 분산된 입자로 분해하는 데 필요한 강력한 캐비테이션 전단력을 제공하여, 시멘트 슬러리의 입자 습윤성, 표면 활성화 및 균일성을 향상시킵니다. Hielscher 시스템은 벤치탑 및 파일럿 규모부터 견고한 고처리량 생산 시스템에 이르기까지 다양하게 제공되며, 여기에는 시멘트 그라우트 및 광물 현탁액의 연속 처리를 위한 고출력 인라인 초음파 처리기도 포함됩니다. 이를 통해 공정 개발을 R&D 단계에서 바로 확장할 수 있습니다.&D에서 완전한 산업용 처리량에 이르기까지. 초음파 응집 해체 기술은 분쇄 매체의 사용을 제거하거나 줄임으로써 공정을 간소화하고, 오염 위험을 최소화하며, 세척 작업을 줄이는 동시에 재현성 높은 분산 품질을 제공합니다. 따라서 시멘트 및 모르타르 제조업체에게 Hielscher 초음파 분산기는 보다 균일한 바인더 시스템, 개선된 수화 동역학, GBFS 및 기타 보충 시멘트질 재료의 효율적 활용, 그리고 고성능 저클링커 배합을 실현할 수 있는 실용적인 해결책을 제공합니다.

아래 표는 당사의 고출력 초음파 시스템의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.

Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

문헌 / 참고문헌