Ultraschallmischen bei der Herstellung von Hochleistungsbeton

Der Einsatz von Mikro- und Nanosilica führt zu einer Verbesserung der Druckfestigkeit von Hochleistungsbeton. Ultraschall stellt eine effektive Methode für das Mischen, Durchfeuchten und Dispergieren von Nanomaterialien in Zement und Beton dar.

Die Verwendung von Mikrosilica ist bei der Betonherstellung heutzutage weit verbreitet, da sie in einer höheren Druckfestigkeit oder in gegenüber wasserfesten und chemischen Stoffen beständigen Beton resultiert. Dadurch können Materialkosten und Energieverbrauch reduziert werden. Mittels neuer Nanomaterialien wie Nanosilica oder Nanotubes können weitere Verbesserungen der Widerstandsfähigkeit und Festigkeit erreicht werden.

Beton - Hintergrundinformationen

Beton setzt sich aus Zement, z. B. Portland-Zement und anderen zementartigen Materialien, wie z. B. Flugasche und Schlackenzement, Aggregaten (Kies, Kalkstein, Granit, Sand) Wasser und chemischen Beimengungen zusammen. Gängige Beimengungen enthalten Abbindebeschleuniger oder -verzögerer, Verflüssiger, Pigmente, Silicastaub (Silicafume) oder High Reactivity Metakaolin (HRM). Mikrosilica ist eine typische Beimengung in Beton. Sein Nachteil besteht in den relativ hohen Kosten und in der Kontamination, die sich schädlich auf die Gesundheit des Anwenders auswirkt.

Beton - Forschung & Entwicklung

Die Beton-Forschung sucht nach Materialien und Prozessen, mit denen

• Material- und Energiekosten gesenkt werden
• eine höhere Anfangs- und Endwiderstandfähigkeit erreicht werden
• Dichte und Druckfestigkeit erhöht werden
• die Verarbeitbarkeit, Pumpfähigkeit und Finishability erhöht werden
• die Haltbarkeit erhöht und die Durchlässigkeit verringert werden
• Schrumpfrisse, Staub- und Delaminierungsprobleme vermieden werden
• chemische Beständigkeit, z. B. Sulfatresistenz, erreicht wird

Mischen von Zement und Beton

Wenn es zu Verbesserungen der Betoneigenschaften kommt, so ist die Mischtechnologie ebenso wichtig wie die Betonzusammensetzung. Das Mischen ist ein essentiell wichtiger Schritt bei der Produktion von gleichmäßigem, qualitativ hochwertigem Beton. Obwohl zahlreiche Richtlinien und Normen, z. B. DIN EN 206, die Zusammensetzung von Beton und seinen Komponenten abdecken, so ist der Prozess des Zementmischens und des Betonmischens dem Verbraucher überlassen. Es ist maßgeblich von Bedeutung, dass Wasser, Zement und Beimengungen gleichmäßig dispergiert und bis auf ein feines Größenverhältnis hin verteilt sind und dass Agglomerate ausreichend dispergiert werden. Werden die Stoffe nur unzureichend dispergiert oder deagglomeriert, so entsteht Beton mit minderwertigen Eigenschaften. Aufgrund des niedrigen Wassergehaltes und der hohen Konzentration der Beimengung erfordert das Mischen von selbstverdichtendem Beton (self-compacting concrete = SCC) und ultrahochfestem Beton (ultra high strength concrete = UHPC) längere Mischzeiten oder eine effektivere Mischtechnologie.

Nanomaterialien in Beton

Während der Zementhydratation wirken nanoskalige Hydrationsmittel, wie z. B. Calciumhydrate auf den härtenden Zement. Silica-Nanopartikel oder Nanotubes verwandeln sich während des Erstarrens des Zementes in Zement-Nanopartikel. Kleinere Partikel führen zu geringeren Partikelabständen und einem dichteren und weniger porösen Material. Dadurch steigt die Druckfestigkeit und die Durchlässigkeit wird verringert.

Ein größerer Nachteil der nanoskaligen Pulver und Materialien ist allerdings die Neigung, beim Durchfeuchten und Mischen Agglomerate zu bilden. Wenn die einzelnen Partikel jedoch nicht gut dispergiert sind, verringern die Agglomerate die Partikeloberfläche, wodurch Beton mit minderwertigen Eigenschaften entsteht.

Mischen von Nanomaterialien mit Ultraschall

Das Beschallen mit Ultraschall ist eine sehr effektive Methode, um zu mischen, zu dispergieren und zu deagglomerieren. Das Bild unten zeigt ein typisches Resultat, das erreicht wird, wenn Silicastaub mit Ultraschall in Wasser dispergiert wird.

Zu Beginn (grüne Kurve) weisen die Partikel eine Größe von mehr als 200 µm (D50) auf; die meisten Partikel werden auf weniger als 200 Nanometer verkleinert.

Mischen mit Ultraschall in jeder Größenordnung

Hielscher bietet Ultraschall-Mischgeräte für den Einsatz in Forschung & Entwicklung ebenso wie für die Produktion im großen Maßstab.

Forschung & Entwicklung im Labor

Hielscher Labor-Ultraschallgeräte sind das perfekte Misch-Werkzeug für Forschung & Entwicklung im Labor. Die Laborgeräte werden meist für das Ultraschall-Mischen in kleinen Batches genutzt. Hielscher Ultraschallgeräte ermöglichen eine genaue Kontrolle über die Parameter und eine hervorragende Wiederholbarkeit bei der Vorbereitung eines "Scale-ups". Dadurch wird es einfach, verschiedene Formulationen zu mischen und die Auswirkungen der Beschallungsintensität und der Beschallungsdauer zu bestimmen.

Mischen mit Ultraschall in der Produktion

Die Ausrüstung, die für das Ultraschall-Mischen notwendig ist, kann exakt linear zu den Laborversuchen "up-gescalt" werden. Die unten stehende Tabelle zeigt allgemein gültige Geräteempfehlungen, die auf dem jeweils beschallten Batchvolumen bzw. auf der Durchflussrate basieren.

Inline-Mischen

Hielscher Ultraschall-Mischer werden für gewöhnlich in Inline-Verfahren installiert. Das Material wird in den Ultraschallreaktor gepumpt, wo es der hochintensiven Ultraschallkavitation ausgesetzt ist. Die Inline-Beschallung verhindert ein Vorbeifließen, so dass alle Partikel die Mischkammer auf einem vorgegebenen Weg passieren. Deshalb wird die Partikelgrößenverteilungs-Kurve durch das Beschallen mit Ultraschall vielmehr verschoben als dass sie geweitet würde.

Robust und pflegeleicht

Ein Reaktor für das Ultraschall-Mischen besteht aus einer Durchflusszelle und einer Sonotrode. Es werden keine Lager benötigt. Durchflussreaktoren (Edelstahl) weisen eine einfache Geometrie auf und können problemlos zerlegt und gereinigt werden. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder versteckten Winkel, die nur schwer erreichbar wären.

Andere Ultraschallanwendungen für Zement und Beton

Der Einsatz von Hielscher Ultraschallgeräten beschränkt sich nicht nur auf das Mischen und Dispergieren von Zementvormischungen oder Beton. Ultraschall stellt auch eine äußerst effektive Methode dar, um Flüssigkeiten und Slurries zu entgasen. Dadurch werden der Gehalt und das Volumen der Gasbläschen reduziert, die nach dem Aushärten im Beton eingeschlossen sind.

Ultraschall Siebgeräte erhöhen den Durchsatz und die Qualität der Pulver, indem die kleinen Partikel durchgesiebt werden. Hielscher bietet ultraschallangeregte Siebe für Labor- und Industrieanwendungen.

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Informationen anfordern

Inline-Mischen mit Ultraschall (UIP1000hd)

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Hielscher Ultrasonics GmbH