Ultrazvukové míchání pro vysokohodnotný beton

Použití mikro- a nanosiliky nebo nanotrubiček vede ke zlepšení pevnosti v tlaku vysokohodnotného betonu. Sonikace je účinným prostředkem pro míchání, smáčení a dispergaci nanomateriálů v cementu nebo betonu.

Mikrosilika se dnes v betonu hojně používá a vede k vyšší pevnosti v tlaku nebo k betonům odolným vůči vodě a chemikáliím. To může snížit náklady na materiál a spotřebu energie. Nové nanomateriály, jako je nanosilika nebo nanotrubičky, vedou k dalšímu zlepšení odolnosti a pevnosti. Aby však nanomateriály mohly projevit svůj plný potenciál, je zapotřebí spolehlivá a účinná dispergační technika. Sonikátory sondového typu jsou nejspolehlivější a nejúčinnější technikou pro výrobu nanodisperzí, a to i ve vysoce viskózních a pastovitých suspenzích, jako je cement a beton.

Disperze mikrojemné cementové injektážní směsi pomocí ultrazvukových mísičů

Výzkumný tým Draganoviće předkládá výzkumný článek, v němž autoři zkoumají disperzi mikrojemné cementové injektážní směsi pomocí ultrazvukové technologie a konvenčních laboratorních disolverů. Cílem studie je porovnat výkonnost ultrazvuku – ve studii konkrétně sonikátoru UP400St – s tradičními metodami disperze injektážních směsí.

Výzkumníci provedli sérii experimentů s různými dispergačními technikami, aby vyhodnotili distribuci velikosti částic (PSD) a zeta potenciál mikrojemných cementových částic. Dispergační techniky zahrnují ultrazvukové ošetření sonikátorem UP400St, vysokorychlostní laboratorní disolvery a kombinaci obou metod.

Výsledky ukázaly, že ultrazvuková disperze pomocí sonikátoru UP400St dosáhla ve srovnání s konvenčními laboratorními disolvery výrazně lepší distribuce velikosti částic. Sonikátor UP400St účinně snižuje aglomeraci mikrojemných cementových částic a vytváří homogennější a stabilnější suspenzi injektážní směsi. Ultrazvukové ošetření zlepšuje distribuci menších částic, což vede k užšímu rozsahu distribuce velikosti částic.

Porovnávané metody disperze: disolver Vma-Getzmann Dispermat CV-3 vybavený 90-mm diskem a systémem rotor-stator. Ultrazvukové zařízení Hielscher UP400St vybavené sonotrodou H22.
(Studie a obrázky: ©Draganovic et al., 2020)

Kromě toho použití ultrazvuku v kombinaci s konvenčními laboratorními disolvery dále zvyšuje účinnost disperze a dosahuje ještě jemnější distribuce velikosti částic než samotné ultrazvukové ošetření. Při kombinaci zajišťuje sonikace mikromíchání a nanodisperzi, zatímco disolver přispívá k makromíchání a zajišťuje, aby se všechny částice dostaly do zóny ultrazvukové kavitace. To umožňuje lepší kontrolu nad distribucí velikosti částic (PSD) a zeta potenciálem mikrojemné cementové injektážní směsi při vsádkovém provozu. Při použití reaktoru s průtokovou celou prochází suspenze částic automaticky kavitační zónou horkých míst (hot spot), takže dodatečné míchání je zbytečné.

Celkově studie zdůrazňuje vynikající výkonnost sonikátoru UP400St při dispergaci mikrojemné cementové injektážní směsi. Ultrazvukové ošetření, zejména v kombinaci s konvenčními laboratorními disolvery, nabízí vysoce účinnou a efektivní metodu pro dosažení rovnoměrné a stabilní suspenze mikrojemných cementových částic.

Stojí za zmínku, že článek poskytuje komplexní srovnání ultrazvukových a konvenčních dispergačních metod a zdůrazňuje vynikající výkonnost sonikace při disperzi injektážních směsí.
(srov. Draganović et al., 2020)

Ultrazvukový homogenizátor UP400St je porovnáván z hlediska účinnosti disperze cementové injektážní směsi s běžným laboratorním mísičem vybaveným diskem a s technikou rotor-stator. Studie ukázala, že ultrazvuková disperze není jen účinnou metodou, ale je dokonce lepší než mísič využívající techniku rotor-stator.
(studie a graf: © Draganović et al., 2020)

Výzkum a vývoj betonu

Výzkum betonu hledá materiály a procesy, které umožní:

• snížit náklady na materiál a náklady na energii
• dosáhnout vysoké počáteční a konečné odolnosti
• zlepšit hustotu a pevnost v tlaku
• zlepšit zpracovatelnost, čerpatelnost a povrchovou upravitelnost
• zlepšit trvanlivost a snížit propustnost
• omezit problémy se smršťovacími trhlinami, prášením a delaminací
• chemickou odolnost, např. odolnost vůči síranům

Míchání cementu a betonu

Pokud jde o zlepšování vlastností betonu, je technologie míchání stejně důležitá jako složení betonu. Míchání je nezbytným krokem při výrobě rovnoměrného, vysoce kvalitního betonu. Přestože četné směrnice a předpisy, např. DIN EN 206, upravují složení betonu a jeho složek, samotný proces míchání cementu a míchání betonu je ponechán na uživateli.
Je rozhodující, aby voda, cement a přísady byly rovnoměrně dispergovány a distribuovány až do jemného měřítka a aby aglomeráty byly dostatečně dispergovány. Nedostatečná dispergace nebo deaglomerace vede k horším vlastnostem betonu. Vzhledem k nízkému obsahu vody a vysokému dávkování přísad vyžaduje míchání samozhutnitelného betonu (SCC) a ultra vysokopevnostního betonu (UHPC) delší dobu míchání nebo účinnější technologii míchání.

Zjistěte, jak výkonový ultrazvuk zlepšuje a urychluje hydrataci a pevnost cementových past!
 

Nanomateriály v betonu

Během hydratace cementu vznikají v tvrdnoucím betonu nanorozměrové produkty hydratace, jako jsou hydráty vápníku. Nanočástice siliky nebo nanotrubičky se během tuhnutí betonu mění na nanočástice cementu. Menší částice vedou ke kratší vzdálenosti mezi částicemi a k hustšímu a méně pórovitému materiálu. To zvyšuje pevnost v tlaku a snižuje propustnost.

Významnou nevýhodou nanorozměrových prášků a materiálů je však sklon k tvorbě aglomerátů během smáčení a míchání. Pokud nejsou jednotlivé částice dobře dispergovány, aglomerace zmenšuje exponovaný povrch částic, což vede k horším vlastnostem betonu.

Ultrazvukové míchání: homogenní disperze nanomateriálů v cementových pastách

Sonikace je velmi účinným prostředkem pro míchání, dispergaci a deaglomeraci. Obrázek níže ukazuje typický výsledek ultrazvukové dispergace pyrogenní siliky ve vodě.
Přečtěte si více o nanovyztužených cementových maltách s využitím ultrazvukové disperze!

Počínaje (zelená křivka) velikostí aglomerovaných částic více než 200 mikronů (D50) byla většina částic zmenšena na méně než 200 nanometrů.

Ultrazvukové míchání v jakémkoli měřítku

Hielscher nabízí ultrazvuková míchací zařízení pro použití ve výzkumu i ve zpracování v plném provozním měřítku.

Sonikátory pro laboratorní výzkum a vývoj

Laboratorní ultrazvukové homogenizátory Hielscher jsou dokonalým míchacím nástrojem pro výzkum a vývoj v laboratorním měřítku. Laboratorní sonikátory Hielscher se obvykle používají k ultrazvukovému míchání malých vsázek. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher nabízejí přesné řízení parametrů a vynikající reprodukovatelnost pro přípravu převodu do většího měřítka. Díky tomu lze snadno míchat různé receptury a určit vliv intenzity sonikace a doby sonikace.

Ultrazvukové inline míchání ve výrobě

Ultrazvukové míchací zařízení potřebné pro převod do většího měřítka lze přesně určit na základě laboratorního testu. Pro zpracování velkoobjemových proudů cementu nebo betonu se vysoce výkonné ultrazvukové přístroje obvykle provozují v kontinuálním průtokovém režimu s využitím průtokových reaktorů. To umožňuje vysoce rovnoměrné míchání a bezchybné zpracování past a suspenzí – i při velmi vysokých viskozitách.

Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů v závislosti na objemu vsázky nebo průtoku, který má být zpracován: