Ultrazvučno miješanje cementne paste za beton

Ultrazvučno miješanje cementne paste nudi velike prednosti za proizvodnju predgotovljenih elemenata u kalupima, drycast i betonare. Te prednosti uključuju kraća vremena početnog i završnog vezivanja, manju dozu superplastifikatora, bržu i potpuniju hidrataciju, kao i višu tlačnu čvrstoću.

Tradicionalne tehnologije miješanja betona, kao što su “miješanje na putu” (“on-road-mixing”) ili rotacione mješalice, ne pružaju dovoljno djelovanje miješanja da bi se razbili aglomerati čestica cementa i drugih cementnih materijala, kao što su leteći pepeo ili silika. Dok su vanjske čestice takvih aglomerata izložene vodi, unutrašnje površine čestica ostaju suhe. Posljedica je spora i nepotpuna hidratacija.

Prednosti tehnologije ultrazvučnog miješanja za beton

Ultrazvučno dispergiranje je najnaprednija tehnologija za deaglomeraciju i dispergiranje materijala mikronskih i nanometarskih veličina u tekućinama. Ultrazvučno miješanje koristi kavitacijske smične sile koje su učinkovitije pri miješanju sitnih materijala od konvencionalnih rotacionih mješalica i rotor‑stator mješalica. Kod cementa, silike, letećeg pepela, pigmenata ili CNT-ova, svojstva tih materijala značajno se poboljšavaju ultrazvučnim dispergiranjem, jer ono poboljšava raspodjelu čestica i njihov kontakt s vodom.

Tokom hidratacije – reakcije cementa s vodom – C‑S‑H‑faze razvijaju iglolike strukture. Slike ispod prikazuju mikrostrukturu u cementnoj pasti nakon 5 sati hidratacije. U ultrazvučno obrađenoj cementnoj pasti C‑S‑H‑faze su dugačke gotovo 500nm, dok su u pasti bez ultrazvučne obrade C‑S‑H‑faze oko 100nm.

Mikrostruktura cementne paste nakon 5 sati hidratacije

s ultrazvučnom obradom	bez ultrazvučne obrade
Portland cementna pasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Univerzitet Bauhaus u Weimaru

Miješanje ultrazvukom izazvanom kavitacijom dovodi do bržeg rasta C‑S‑H‑faza.

Temperatura hidratacije

Utjecaj snažne ultrazvučne obrade (PUS) na krivulje vrijeme–temperatura cementnih pasta

 
Tlačna čvrstoća

Utjecaj snažne ultrazvučne obrade (PUS) na tlačnu čvrstoću prizmi od morta

 
Brzina ultrazvučnog impulsa

Utjecaj snažne ultrazvučne obrade (PUS) na brzinu ultrazvučnog impulsa u cementnim pastama koje hidratiziraju

Rast C‑S‑H-faza korelira s temperaturom u cementnoj pasti tokom perioda hidratacije (kliknite na grafikon desno). U ultrazvučno miješanoj cementnoj pasti, hidratacija počinje otprilike jedan sat ranije. Ranija hidratacija korelira s ranijim porastom tlačne čvrstoće. Povećana brzina hidratacije može se izmjeriti i brzinom ultrazvučnog impulsa.

Posebno kod predgotovljenog i drycast betona to dovodi do znatno kraćeg vremena do trenutka kada se uliveni beton može izvaditi iz kalupa. Studije Univerziteta Bauhaus (Njemačka) pokazale su sljedeće skraćenje vremena vezivanja.

Još jedna zanimljiva prednost ultrazvučnog miješanja jest utjecaj na tečljivost. Kao što pokazuje gornja tabela, slijeganje se povećava za otprilike 30%. To omogućava smanjenu dozu superplastifikatora.

Integracija ultrazvučnih mješalica u proizvodnju cementa

Hielscher nudi ultrazvučne mješalice za učinkovito dispergiranje cementa, silike, letećeg pepela, pigmenata ili CNT-ova. Najprije treba svaki suhi materijal prethodno pomiješati s vodom kako bi se dobila pasta visoke koncentracije, ali ipak pumpabilna. Hielscher ultrazvučna mješalica deaglomerira i disperguje čestice pomoću kavitacijskog smicanja. Kao rezultat toga, cijela površina svake čestice potpuno je izložena vodi.

Ultrazvučna obrada cementne paste

U slučaju cementne paste hidratacija počinje nakon ultrazvučne obrade. Stoga se Hielscher ultrazvučna mješalica treba koristiti inline, jer se cementna pasta ne može dugo skladištiti. Shematski crtež ispod ilustrira postupak. U sljedećem koraku dodaje se agregat, kao što su pijesak ili šljunak, i miješa s cementnom pastom. Budući da su čestice cementa u toj fazi već dobro dispergirane, cementna pasta se dobro povezuje s agregatom. Beton je tada spreman za punjenje u kalupe za predgotovljene elemente ili za transport. Uz ultrazvučnu mješalicu može se koristiti break-up rezervoar kako bi se obrada odvijala kontinuiranije u slučaju neujednačene potražnje za betonom.
Saznajte više o ultrazvučnoj deaglomeraciji čestica cementa!

Ultrazvučno dispergiranje silike, letećeg pepela i nanomaterijala

Dispergiranje silike, letećeg pepela, pigmenata ili drugih nanomaterijala, kao što su ugljične nanocijevi, zahtijeva drugačije intenzitete obrade i razine energije. Zbog toga preporučujemo zasebnu ultrazvučnu mješalicu za proizvodnju dobro dispergirane suspenzije/paste koja se zatim dodaje betonskoj mješavini. Kliknite na gornji grafikon za shematski crtež ovog postupka.

Ultrazvučna oprema za miješanje potrebna za povećanje razmjera (scale-up) može se tačno odrediti na osnovu testova u pilot mjerilu pomoću UIP1000hdT, snažnog 1.000-vatnog sonikatora pilot mjerila. Tabela ispod prikazuje opće preporuke uređaja ovisno o zapremini šarže ili protoku cementne paste koju treba obraditi.

Sa do 16kW snage ultrazvučnog miješanja po jednoj ultrazvučnoj sondi Hielscher nudi snagu obrade potrebnu za primjene velikih zapremina. Ovu tehnologiju je lako testirati i skalira se linearno.