Ultrazvukové míchání cementové pasty pro beton

Ultrazvukové míchání cementové pasty přináší velké výhody pro výrobu prefabrikátů ve formách, technologii drycast a betonárny. Mezi tyto výhody patří kratší doba počátku a konce tuhnutí, nižší dávkování superplastifikátoru, rychlejší a úplnější hydratace a také vyšší pevnost v tlaku.

Tradiční technologie míchání betonu, jako je „on-road-mixing“ nebo rotační míchačky, neposkytují dostatečný míchací účinek k dispergaci aglomerátů cementových částic a dalších cementových materiálů, jako je popílek nebo oxid křemičitý. Zatímco vnější částice takových aglomerátů jsou vystaveny vodě, vnitřní povrchy částic zůstávají suché. To vede k pomalé a neúplné hydrataci.

Výhody ultrazvukové technologie míchání pro beton

Ultrazvuková dispergace je nejpokročilejší technologie pro deaglomeraci a dispergaci materiálů mikronové a nanometrové velikosti v kapalinách. Ultrazvukové míchání využívá kavitační smykové síly, které jsou při míchání jemných materiálů účinnější než konvenční rotační míchačky a míchačky typu rotor‑stator. U cementu, oxidu křemičitého, popílku, pigmentů nebo CNT se účinnost těchto materiálů ultrazvukovou dispergací výrazně zvyšuje, protože zlepšuje distribuci částic a jejich kontakt s vodou.

Během hydratace – reakce cementu s vodou – vytvářejí C‑S‑H‑fáze jehlicovité struktury. Obrázky níže ukazují mikrostrukturu cementové pasty po 5 hodinách hydratace. V cementové pastě ošetřené ultrazvukem jsou C‑S‑H‑fáze dlouhé téměř 500nm, zatímco v pastě bez sonikace mají C‑S‑H‑fáze přibližně 100nm.

Mikrostruktura cementové pasty po 5 h hydratace

s ultrazvukovým zpracováním	bez ultrazvukového zpracování
Portlandská cementová pasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhausova univerzita Výmar

Míchání pomocí kavitace vyvolané ultrazvukem vede k rychlejšímu růstu C‑S‑H‑fází.

Teplota hydratace

Vliv výkonové sonikace (PUS) na křivky závislosti teploty na čase u cementových past

 
Pevnost v tlaku

Vliv výkonové sonikace (PUS) na pevnost maltových trámečků v tlaku

 
Rychlost ultrazvukového impulzu

Vliv výkonové sonikace (PUS) na rychlost ultrazvukového impulzu v hydratujících cementových pastách

Růst C‑S‑H-fází koreluje s teplotou v cementové pastě během hydratace (klikněte na graf vpravo). V ultrazvukově míchané cementové pastě začíná hydratace přibližně o hodinu dříve. Dřívější hydratace koreluje s dřívějším nárůstem pevnosti v tlaku. Zvýšenou rychlost hydratace lze měřit také pomocí rychlosti ultrazvukového impulzu.

Zejména u prefabrikovaného betonu a betonu drycast to vede k výrazně kratší době, než lze odlitý beton vyjmout z formy. Studie Bauhausovy univerzity (Německo) prokázaly následující zkrácení doby tuhnutí.

Další zajímavou výhodou ultrazvukového míchání je vliv na tekutost. Jak ukazuje tabulka výše, sednutí kužele se zvýší přibližně o 30%. To umožňuje snížit dávkování superplastifikátorů.

Procesní integrace ultrazvukových mixérů do výroby cementu

Hielscher nabízí ultrazvukové mixéry pro účinnou dispergaci cementu, oxidu křemičitého, popílku, pigmentů nebo CNT. Nejprve by měl být jakýkoli suchý materiál předmíchán s vodou na vysoce koncentrovanou, a přesto čerpatelnou pastu. Ultrazvukový mixér Hielscher deaglomeruje a disperguje částice pomocí kavitačního smyku. Díky tomu je celý povrch každé částice plně vystaven vodě.

Ultrazvukové zpracování cementové pasty

V případě cementové pasty začíná hydratace po ultrazvukovém zpracování. Proto by měl být ultrazvukový mixér Hielscher používán inline, protože cementovou pastu nelze dlouhodobě skladovat. Schematický nákres níže znázorňuje tento proces. V dalším kroku se přidá kamenivo, jako je písek nebo štěrk, a smíchá se s cementovou pastou. Protože jsou cementové částice v této fázi již dobře dispergované, cementová pasta se s kamenivem dobře promísí. Beton je pak připraven k plnění do forem na prefabrikáty nebo k přepravě. Pro kontinuálnější zpracování při nestálé poptávce po betonu lze vedle ultrazvukového mixéru použít nádrž break-up.
Přečtěte si více o ultrazvukové deaglomeraci cementových částic!

Ultrazvuková dispergace oxidu křemičitého, popílku a nanomateriálů

Dispergace oxidu křemičitého, popílku, pigmentů nebo jiných nanomateriálů, jako jsou uhlíkové nanotrubice, vyžaduje jiné intenzity zpracování a energetické úrovně. Z tohoto důvodu doporučujeme samostatný ultrazvukový mixér k výrobě dobře dispergované suspenze/pasty, která se poté přidává do betonové směsi. Pro schematický nákres tohoto procesu klikněte prosím na grafiku výše.

Ultrazvukové míchací zařízení potřebné pro převod do většího měřítka lze přesně určit na základě poloprovozních testů s UIP1000hdT, což je výkonný poloprovozní sonikátor o výkonu 1 000 wattů. Tabulka níže uvádí obecná doporučení přístrojů v závislosti na objemu dávky nebo průtoku zpracovávané cementové pasty.

S ultrazvukovým míchacím výkonem až 16kW na jednu sonotrodu nabízí Hielscher zpracovatelský výkon potřebný pro velkoobjemové aplikace. Tuto technologii lze snadno otestovat a lineárně převést do většího měřítka.