Ultralydsblanding af cementpasta til beton

Ultralydsblanding af cementpasta giver store fordele ved støbning af præfabrikerede betonelementer, tørstøbning og på betonværker. Disse fordele omfatter kortere tider til begyndende og afsluttende afbinding, lavere dosering af superplastificeringsmiddel, hurtigere og mere fuldstændig hydratisering samt højere trykstyrke.

Traditionelle teknologier til betonblanding, såsom “blanding under transport” eller roterende blandere, giver utilstrækkelig blandevirkning til at dispergere agglomerater af cementpartikler og andre cementbaserede materialer, såsom flyveaske eller siliciumdioxid. Mens de yderste partikler i sådanne agglomerater kommer i kontakt med vand, forbliver de indre partikeloverflader tørre. Dette medfører langsom og ufuldstændig hydratisering.

Fordele ved ultralydsblandingsteknologi til beton

Ultralydsdispergering er den mest avancerede teknologi til at deagglomerere og dispergere materialer i mikro- og nanostørrelse i væsker. Ultralydsblanding anvender kavitationsbetingede forskydningskræfter, som er mere effektive til blanding af finkornede materialer end konventionelle roterende blandere og rotor-stator-blandere. For cement, siliciumdioxid, flyveaske, pigmenter eller CNT’er forbedres disse materialers ydeevne betydeligt ved ultralydsdispergering, da den forbedrer partikelfordelingen og kontakten med vand.

Under hydratiseringen – cementens reaktion med vand – danner C‑S‑H‑faser nålelignende strukturer. Billederne nedenfor viser mikrostrukturen i cementpasta efter 5 timers hydratisering. I den sonikerede cementpasta er C‑S‑H‑faserne næsten 500nm lange, mens C‑S‑H‑faserne i den ikke-sonikerede pasta er omkring 100nm.

Cementpastaens mikrostruktur efter 5 timers hydratisering

med ultralydsbehandling	uden ultralydsbehandling
Portlandcementpasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus-universitetet i Weimar

 
Blanding ved hjælp af ultralydsinduceret kavitation fører til hurtigere vækst af C‑S‑H‑faser.

 
Hydratiseringstemperatur

Indflydelse af sonikering med høj effekt (PUS) på cementpastaers tid-temperatur-kurver

 
Trykstyrke

Indflydelse af sonikering med høj effekt (PUS) på mørtelprismers trykstyrke

 
Ultralydspulshastighed

Indflydelse af sonikering med høj effekt (PUS) på ultralydspulshastigheden i cementpastaer under hydratisering

Væksten af C‑S‑H-faser korrelerer med temperaturen i cementpastaen under hydratiseringsperioden (klik på grafen til højre). I den ultralydsblandede cementpasta begynder hydratiseringen ca. en time tidligere. Tidligere hydratisering korrelerer med en tidligere stigning i trykstyrken. Den øgede hydratiseringshastighed kan også måles ved hjælp af ultralydspulshastigheden.

Især for præfabrikeret og tørstøbt beton medfører dette en betydeligt kortere tid, før den støbte beton kan tages ud af formen. Undersøgelser fra Bauhaus-universitetet (Tyskland) viste følgende reduktion af afbindingstiderne.

En anden interessant fordel ved ultralydsblanding er indflydelsen på flydeevnen. Som vist i tabellen ovenfor øges sætmålet med ca. 30%. Dette muliggør en lavere dosering af superplastificeringsmidler.

Procesintegration af ultralydsblandere i cementproduktion

Hielscher tilbyder ultralydsblandere til effektiv dispergering af cement, siliciumdioxid, flyveaske, pigmenter eller CNT’er. Først bør alt tørt materiale forblandes med vand til en pasta, der er højkoncentreret, men stadig kan pumpes. Ultralydsblanderen fra Hielscher deagglomererer og dispergerer partiklerne ved hjælp af kavitationsbetinget forskydning. Som følge heraf kommer hele overfladen af hver partikel i fuld kontakt med vand.

Ultralydsbehandling af cementpasta

For cementpasta begynder hydratiseringen efter ultralydsbehandlingen. Derfor bør ultralydsblanderen fra Hielscher anvendes inline, da cementpastaen ikke kan opbevares i længere perioder. Den skematiske tegning nedenfor illustrerer processen. I næste trin tilsættes tilslaget, såsom sand eller grus, og blandes med cementpastaen. Da cementpartiklerne allerede er godt dispergerede på dette trin, blandes cementpastaen godt med tilslaget. Betonen er derefter klar til at blive fyldt i forme til præfabrikerede betonelementer eller til transport. En break-up-tank ved siden af ultralydsblanderen kan anvendes til mere kontinuerlig behandling ved uregelmæssig efterspørgsel efter beton.
Læs mere om ultralydsbaseret deagglomerering af cementpartikler!

Ultralydsdispergering af siliciumdioxid, flyveaske og nanomaterialer

Dispergering af siliciumdioxid, flyveaske, pigmenter eller andre nanomaterialer, såsom kulstofnanorør, kræver andre behandlingsintensiteter og energiniveauer. Derfor anbefaler vi en separat ultralydsblander til fremstilling af en veldispergeret suspension/pasta, som derefter tilsættes betonblandingen. Klik på illustrationen ovenfor for at se en skematisk tegning af denne proces.

Det ultralydsblandingsudstyr, der er nødvendigt til opskalering, kan bestemmes præcist ud fra forsøg i pilotskala med UIP1000hdT, som er en kraftig sonikator på 1.000 watt til pilotskala. Tabellen nedenfor viser generelle anbefalinger af apparater afhængigt af batchvolumenet eller flowhastigheden for den cementpasta, der skal behandles.

Med op til 16kW ultralydsblandingseffekt pr. enkelt ultralydssonde tilbyder Hielscher den behandlingseffekt, der kræves til anvendelser med store volumener. Denne teknologi er let at afprøve og kan opskaleres lineært.