Ultralydsblanding af cementpasta til beton

Ultralydsblandingen af cementpasta giver store fordele for præfabrikerede støbnings-, tørstøbnings- og betonanlæg. Disse fordele omfatter kortere indledende og endelige hærdningstider, lavere dosis af superblødgøringsmiddel, hurtigere og mere fuldstændig hydrering samt højere trykstyrke.

Traditionelle betonblandingsteknologier, såsom “Blanding på vej” eller roterende blandere, giver utilstrækkelig blandingsvirkning til at sprede agglomerater af cementpartikler og andre cementholdige materialer, såsom flyveaske eller silica. Mens de ydre partikler af sådanne agglomerater udsættes for vand, forbliver de indre partikeloverflader tørre. Dette resulterer i langsom og ufuldstændig hydrering.

Fordele ved ultralydsblandingsteknologi til beton

Ultralydsdispergering er den mest avancerede teknologi til at deagglomerere og sprede mikron-størrelse og nano-størrelse materialer i væsker. Ultralydsblanding bruger kavitationsforskydningskræfter, der er mere effektive til blanding af materialer i fin størrelse end konventionelle roterende blandere og rotor-statorblandere. For cement, silica, flyveaske, pigmenter eller CNT'er øges ydeevnen af disse materialer betydeligt ved ultralydsdispergering, da det forbedrer partikelfordelingen og kontakten med vand.

Under hydreringen - cementens reaktion med vand - vokser CSH-faser nålelignende strukturer. Billederne nedenfor viser mikrostrukturen i cementpasta efter 5 timers hydrering. I den ultralydsbehandlede cementpasta er CSH-faserne næsten 500 nm lange, mens i den usonikerede pasta er CSH-faser omkring 100 nm.

Mikrostruktur af cementpasta efter 5 timers hydreringstid

med ultralydsbehandling	uden ultralydsbehandling
Portland cementpasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus Universitet Weimar

 
Blanding ved ultralydsinduceret kavitation fører til hurtigere vækst af CSH-faser.

 
Hydreringstemperatur

Indflydelse af ultralydbehandling (PUS) på tidstemperaturkurver af cementpastaer

 
Kompressionsstyrke

Indflydelse af Power ultralydbehandling (PUS) på kompressionsstyrken af mørtelprismer

 
Ultralyd pulshastighed

Indflydelse af Power ultralydbehandling (PUS) på ultralydspulshastighed af hydratiserende cementpastaer

Væksten af CSH-faser korrelerer med temperaturen i cementpastaen i hydratiseringsperioden (klik på højre grafik). I den ultralydblandede cementpasta er hydrering starter ca. en time tidligere. Tidligere hydrering korrelerer med tidligere stigning i kompressionsstyrke. Den øgede hydreringshastighed kan også måles ved ultralydspulshastigheden.

Især for præfabrikeret og tørstøbt beton fører dette til betydeligt kortere tid, indtil den støbte beton kan tages fra formen. Undersøgelser foretaget af Bauhaus-universitetet (Tyskland) viste følgende reduktion af indstillingstiderne.

En anden interessant fordel ved ultralydsblanding er indflydelsen på fluiditeten. Som det fremgår af tabellen ovenfor, stiger nedgangen med ca. 30%. Dette giver mulighed for reduceret dosering af superblødgørere.

Procesintegration af ultralydsblandere i cementproduktion

Hielscher tilbyder ultralydsblandere til effektiv dispergering af cement, silica, flyveaske, pigmenter eller CNT'er. Først skal alt tørt materiale blandes med vand for at danne en høj koncentration, men alligevel pumpbar pasta. Hielscher ultralydsblanderen deagglomererer og spreder partiklerne ved hjælp af kavitationsforskydning. Som et resultat er hele overfladen af hver partikel fuldt udsat for vand.

Ultralydsbehandling af cementpasta

I tilfælde af cementpasta starter hydrering efter ultralydsbehandling. Derfor bør Hielscher ultralydsblanderen bruges inline, da cementpastaen ikke kan opbevares i lange perioder. Den skematiske tegning nedenfor illustrerer processen. I det næste trin tilsættes tilslaget, såsom sand eller grus, og blandes med cementpastaen. Da cementpartiklerne allerede er godt spredt på dette tidspunkt, blander cementpastaen sig godt med aggregatet. Betonen er derefter klar til at blive fyldt i præfabrikerede forme eller til transport. En opbrydningstank ved siden af ultralydsblanderen kan bruges til at behandle mere kontinuerligt i tilfælde af ustabil betonefterspørgsel.
Læs mere om ultralydsdeagglomerering af cementpartikler!

Ultralydsdispergering af silica, flyveaske og nanomaterialer

Spredning af silica, flyveaske, pigmenter eller andre nanomaterialer, såsom kulstofnanorør, kræver andre behandlingsintensiteter og energiniveauer. Af denne grund anbefaler vi en separat ultralydsblander til at producere en godt spredt gylle/pasta, der derefter tilsættes til betonblandingen. Klik på grafikken ovenfor for en skematisk tegning af denne proces.

Det ultralydsblandingsudstyr, der er nødvendigt til opskalering, kan bestemmes nøjagtigt baseret på pilotskalatest ved hjælp af UIP1000hdT, som er en 1.000 watt kraftig pilotskala soniker. Tabellen nedenfor viser generelle enhedsanbefalinger afhængigt af batchvolumen eller strømningshastighed for cementpasta, der skal behandles.

Med op til 16 kW ultralydsblandingseffekt pr. enkelt ultralydssonde tilbyder Hielscher den processorkraft, der kræves til applikationer med høj volumen. Denne teknologi er nem at teste og skaleres lineært op.