Ultrazvučno miješanje za visokoučinski beton

Upotreba mikro- i nanosilike ili nanocijevi dovodi do poboljšanja tlačne čvrstoće visokoučinskog betona. Ultrazvučna obrada je efikasno sredstvo za miješanje, kvašenje i dispergiranje nanomaterijala u cementu ili betonu.

Mikrosilika se danas široko koristi u betonu, što dovodi do veće tlačne čvrstoće ili betona otpornih na vodu i hemikalije. To može smanjiti troškove materijala i potrošnju energije. Novi nanomaterijali, kao što su nanosilika ili nanocijevi, dovode do daljnjih poboljšanja otpornosti i čvrstoće. Međutim, da bi se u potpunosti iskoristio potencijal nanomaterijala, potrebna je pouzdana i efikasna tehnika dispergiranja. Sonikatori sa sondom su najpouzdanija i najdjelotvornija tehnika za proizvodnju nanodisperzije, čak i u vrlo viskoznim suspenzijama nalik pasti, kao što su cement i beton.

Dispergiranje mikrofine cementne smjese za injektiranje pomoću ultrazvučnih miješalica

Istraživački tim Draganovića predstavlja istraživački članak u kojem autori istražuju dispergiranje mikrofine cementne smjese za injektiranje primjenom ultrazvučne tehnologije i konvencionalnih laboratorijskih dizolvera. Cilj studije je usporediti performanse ultrazvuka – u studiji konkretno sonikatora UP400St – s tradicionalnim metodama dispergiranja smjese za injektiranje.

Istraživači su proveli niz eksperimenata s različitim tehnikama dispergiranja kako bi procijenili raspodjelu veličine čestica (PSD) i zeta potencijal čestica mikrofinog cementa. Tehnike dispergiranja uključuju ultrazvučnu obradu sonikatorom UP400St, brze laboratorijske dizolvere i kombinaciju obje metode.

Rezultati su pokazali da je ultrazvučno dispergiranje sonikatorom UP400St postiglo znatno bolju raspodjelu veličine čestica u poređenju s konvencionalnim laboratorijskim dizolverima. Sonikator UP400St efikasno smanjuje aglomeraciju čestica mikrofinog cementa i proizvodi homogeniju i stabilniju suspenziju smjese za injektiranje. Ultrazvučna obrada poboljšava raspodjelu manjih čestica, što rezultira užim rasponom raspodjele veličine čestica.

Ultrafina cementna smjesa za injektiranje najefikasnije i najpouzdanije se dispergira pomoću Hielscher sonikatora UP400S. U uporednoj studiji sonikator sa sondom jasno je nadmašio rotor-stator disperzer i diskasti dizolver.

Uspoređene metode dispergiranja: dizolver Vma-Getzmann Dispermat CV-3 opremljen diskom od 90 mm i sistemom rotor-stator. Ultrazvučni uređaj Hielscher UP400St opremljen sonotrodom H22.
(Studija i slike: ©Draganovic et al., 2020)

Osim toga, upotreba ultrazvuka u kombinaciji s konvencionalnim laboratorijskim dizolverima dodatno poboljšava efikasnost dispergiranja i postiže još finiju raspodjelu veličine čestica u poređenju s ultrazvučnom obradom samom. Kada se kombiniraju, sonikacija osigurava mikromiješanje i nanodispergiranje, dok dizolver doprinosi makromiješanju i tako osigurava da sve čestice dospiju u zonu ultrazvučne kavitacije. To omogućava bolju kontrolu nad raspodjelom veličine čestica (PSD) i zeta potencijalom mikrofine cementne smjese za injektiranje u šaržnom radu. Pri upotrebi reaktora s protočnom ćelijom suspenzija čestica automatski prolazi kroz kavitacijsku zonu žarišta, tako da je dodatno miješanje suvišno.

U cjelini, studija ističe vrhunske performanse sonikatora UP400St u dispergiranju mikrofine cementne smjese za injektiranje. Ultrazvučna obrada, posebno u kombinaciji s konvencionalnim laboratorijskim dizolverima, nudi vrlo djelotvornu i efikasnu metodu za postizanje ujednačene i stabilne suspenzije čestica mikrofinog cementa.

Vrijedi napomenuti da članak daje sveobuhvatno poređenje ultrazvučnih i konvencionalnih metoda dispergiranja, ističući vrhunske performanse sonikacije u dispergiranju smjese za injektiranje.
(usp. Draganović et al., 2020)

Ultrazvučna homogenizacija dala je najbolje rezultate za dispergiranje portland cementne smjese za injektiranje u poređenju s laboratorijskom miješalicom opremljenom diskom i rotor-stator miješalicom.

Ultrazvučni homogenizator UP400St uspoređuje se u pogledu efikasnosti dispergiranja cementne smjese za injektiranje s običnom laboratorijskom miješalicom opremljenom diskom te s primjenom tehnike rotor-stator. Studija je pokazala da ultrazvučno dispergiranje nije samo efikasna metoda, nego je čak bolje od miješalice s tehnikom rotor-stator.
(studija i grafikon: © Draganović et al., 2020)

Video prikazuje ultrazvučno miješanje i dispergiranje grafita u 250mL epoksidne smole (Toolcraft L) pomoću ultrazvučnog homogenizatora (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics proizvodi opremu za dispergiranje grafita, grafena, ugljikovih nanocijevi, nanožica ili punila u laboratoriju ili u proizvodnim procesima velikog obima. Tipične primjene su dispergiranje nanomaterijala i mikromaterijala tokom procesa funkcionalizacije ili njihovo dispergiranje u smolama ili polimerima.

Istraživanje i razvoj betona

Istraživanje betona traga za materijalima i procesima kojima se može:

smanjiti troškove materijala i troškove energije
postići visoka početna i konačna otpornost
poboljšati gustoća i tlačna čvrstoća
poboljšati obradivost, pumpabilnost i mogućnost završne obrade
poboljšati trajnost i smanjiti propusnost
smanjiti skupljajuće pukotine, prašenje i probleme delaminacije
hemijska otpornost, npr. otpornost na sulfate

Miješanje cementa i betona

Kada je riječ o poboljšanju svojstava betona, tehnologija miješanja jednako je važna kao i sastav betona. Miješanje je ključni korak u proizvodnji ujednačenog betona visokog kvaliteta. Iako brojne smjernice i propisi, npr. DIN EN 206, obuhvataju sastav betona i njegovih komponenti, sam proces miješanja cementa i miješanja betona prepušten je korisniku.
Odlučujuće je da se voda, cement i dodaci ravnomjerno dispergiraju i rasporede do finih razmjera te da se aglomerati dovoljno dispergiraju. Nedovoljno dispergiranje ili deaglomeracija rezultira lošijim svojstvima betona. Zbog niskog sadržaja vode i visokog doziranja dodataka, miješanje samozbijajućeg betona (SCC) i betona ultravisoke čvrstoće (UHPC) zahtijeva duže vrijeme miješanja ili efikasniju tehnologiju miješanja.

Saznajte kako ultrazvuk velike snage poboljšava i ubrzava hidrataciju i čvrstoću cementnih pasti!

Nanomaterijali u betonu

Tokom hidratacije cementa u očvršćavajućem betonu nastaju hidratacijski produkti nanorazmjera, kao što su hidrati kalcija. Nanočestice silike ili nanocijevi pretvaraju se u nanočestice cementa tokom očvršćavanja betona. Manje čestice dovode do kraćeg razmaka između čestica i gušćeg, manje poroznog materijala. To povećava tlačnu čvrstoću i smanjuje propusnost.

Međutim, veliki nedostatak praha i materijala nanoveličine jest sklonost stvaranju aglomerata tokom kvašenja i miješanja. Ako pojedinačne čestice nisu dobro dispergirane, aglomeracija smanjuje izloženu površinu čestica, što dovodi do lošijih svojstava betona.

Ultrazvučno miješanje: homogeno dispergiranje nanomaterijala u cementnim pastama

Ultrazvučna obrada je vrlo efikasno sredstvo za miješanje, dispergiranje i deaglomeraciju. Slika ispod prikazuje tipičan rezultat ultrazvučnog dispergiranja pirogene silike u vodi.
Saznajte više o nanoojačanim cementnim malterima uz ultrazvučno dispergiranje!

Ultrazvučno miješanje silikatne prašine (mikrosilike)

Polazeći (zelena krivulja) od veličine čestica aglomerata veće od 200 mikrona (D50), većina čestica smanjena je na manje od 200 nanometara.

Ultrazvučno miješanje u bilo kojem mjerilu

Hielscher nudi ultrazvučne uređaje za miješanje za upotrebu u istraživanju i obradi u punom mjerilu.

Sonikatori za laboratorijsko istraživanje i razvoj

Hielscher ultrazvučni laboratorijski homogenizatori su savršen alat za miješanje u istraživanju i razvoju u laboratorijskom mjerilu. Hielscher laboratorijski sonikatori obično se koriste za ultrazvučno miješanje malih šarži. Hielscher ultrazvučni homogenizatori nude preciznu kontrolu parametara i odličnu ponovljivost za pripremu povećanja mjerila. To olakšava miješanje različitih formulacija i određivanje utjecaja intenziteta ultrazvučne obrade i trajanja sonikacije.

Ultrazvučno inline miješanje u proizvodnji

Beton spreman za upotrebu Oprema za ultrazvučno miješanje potrebna za povećanje mjerila može se tačno odrediti na osnovu laboratorijskog testa. Za obradu tokova velikog volumena cementa ili betona visokoučinski ultrazvučni uređaji obično rade u kontinuiranom protočnom režimu s protočnim reaktorima. To omogućava vrlo ujednačeno miješanje i besprijekornu obradu pasti i suspenzija – čak i s vrlo visokim viskoznostima.

Tabela ispod daje okvirnu naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja u zavisnosti od volumena šarže ili protoka koji se obrađuje:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	klaster od UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Literatura / reference

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.

Povezane teme

Inline miješanje cementa pomoću sonikatora

Hielscher ultrazvučne miješalice obično se ugrađuju inline. Materijal se pumpa u posudu ultrazvučnog reaktora. Tamo je izložen intenzivnoj ultrazvučnoj kavitaciji. Inline sonikacija eliminira zaobilaženje jer sve čestice prolaze kroz komoru za miješanje definiranom putanjom. Stoga ultrazvučna obrada obično pomjera krivulju raspodjele veličine čestica, a ne proširuje je.

Robusno i lako za čišćenje

Ultrazvučni reaktor za miješanje sastoji se od protočne ćelije i sonotroda. Ležajevi nisu potrebni. Reaktori s protočnom ćelijom (od nehrđajućeg čelika) imaju jednostavnu geometriju te se mogu lako rastaviti i očistiti. Nema malih otvora ni skrivenih uglova.

Druge primjene ultrazvuka za cement i beton

Upotreba Hielscher ultrazvučnih uređaja u pripremi cementa i betona nije ograničena na miješanje i dispergiranje cementnih predsmjesa ili betona. Ultrazvuk je vrlo efikasno sredstvo za otplinjavanje tekućina i suspenzija. To smanjuje broj i volumen mjehurića plina zarobljenih u betonu nakon očvršćavanja.
Ultrazvučni tresači sita poboljšavaju propusnost i kvalitet prosijavanja praha za sitne čestice. Hielscher nudi ultrazvučno pobuđena sita za laboratorijske i industrijske primjene.

Pozadinske informacije o betonu

Beton se sastoji od cementa, npr. portland cementa i drugih cementnih materijala, kao što su leteći pepeo i cement od zgure, agregata (šljunak, krečnjak, granit, pijesak), vode i hemijskih dodataka. Tipični dodaci uključuju ubrzivače ili usporivače, plastifikatore, pigmente, silikatnu prašinu ili metakaolin visoke reaktivnosti (HRM). Mikrosilika je tipičan dodatak u betonu. Njen nedostatak je relativno visoka cijena i kontaminacija koja utječe na zdravlje operatera i radnika.