Ultralydsblanding til højtydende beton

Brugen af mikro- og nanosilica eller nanorør fører til forbedringer i trykstyrken af højtydende beton. Ultralydbehandling er et effektivt middel til blanding, befugtning og dispergering af nanomaterialer i cement eller beton.
 

Mikrosilica er meget udbredt i beton i dag, hvilket fører til højere trykstyrke eller vand- og kemikalieresistent beton. Det kan reducere materialeomkostninger og energiforbrug. Nye nanomaterialer såsom nanosilica eller nanorør fører til yderligere forbedringer i modstandsdygtighed og styrke. Men for at udstille nanomaterialers fulde potentiale kræves der en pålidelig og effektiv dispersionsteknik. Sonde-type sonikere er den mest pålidelige og effektive teknik til at producere nano-dispersion, selv i meget viskøse og pasta-lignende opslæmninger såsom cement og beton.

Dispersion af mikrofin cementfugemasse med ultralydsblandere

Forskerholdet fra Draganović præsenterer forskningsartikel, forfatterne undersøger spredningen af mikrofin cementmørtel ved hjælp af ultralydsteknologi og konventionelle laboratorieopløsninger. Undersøgelsen har til formål at sammenligne ultralydens ydeevne – i undersøgelsen specifikt ultralydatoren UP400St – med traditionelle metoder til fugedispersion.

Forskerne gennemførte en række eksperimenter ved hjælp af forskellige dispersionsteknikker for at evaluere partikelstørrelsesfordelingen (PSD) og zeta-potentialet af de mikrofine cementpartikler. Dispersionsteknikkerne inkluderer ultralydsbehandling ved hjælp af UP400St soniker, højhastighedslaboratorieopløsninger og kombinationen af begge metoder.

Resultaterne viste, at ultralydsdispersion ved hjælp af sonikeren UP400St opnåede signifikant bedre partikelstørrelsesfordeling sammenlignet med konventionelle laboratorieopløsninger. Sonicatoren UP400St reducerer effektivt agglomerering af mikrofine cementpartikler og producerer en mere homogen og stabil fugeophæng. Ultralydsbehandlingen forbedrer fordelingen af mindre partikler, hvilket resulterer i et smallere partikelstørrelsesfordelingsområde.
 

Sammenlignede dispersionsmetoder: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 opløser udstyret med en 90 mm skive og et rotor-statorsystem. Hielscher UP400St ultralydsenhed udstyret med en H22 sonotrode.
(Studie og billeder: ©Draganovic et al., 2020)

 
Derudover forbedrer brugen af ultralyd i kombination med konventionelle laboratorieopløsere spredningseffektiviteten yderligere og opnår en endnu finere partikelstørrelsesfordeling sammenlignet med ultralydsbehandling alene. Når det kombineres, giver sonikering mikroblanding og nanodispersion, mens opløseren bidrager til makroblandingen, hvilket sikrer, at alle partikler ind i ultralydskavitationszonen. Dette giver mulighed for bedre kontrol over partikelstørrelsesfordelingen (PSD) og zeta-potentialet af den mikrofine cementmørtel i batchdrift. Ved brug af en flowcellereaktor passerer partikelsuspensionen automatisk den kavitationelle hot spot-zone, så den ekstra omrøring er overflødig.

Samlet set fremhæver undersøgelsen den overlegne ydeevne af sonikeren UP400St ved dispergering af mikrofin cementfugemasse. Ultralydsbehandlingen, især når den kombineres med konventionelle laboratorieopløsninger, tilbyder en yderst effektiv og effektiv metode til at opnå en ensartet og stabil suspension af mikrofine cementpartikler.

Det er værd at bemærke, at artiklen giver en omfattende sammenligning mellem ultralyd og konventionelle dispersionsmetoder, der fremhæver den overlegne ydeevne af sonikering i fugedispersion.
(jf. Draganović et al., 2020)
 

Ultralydshomogenisatoren UP400St sammenlignes med hensyn til dispersionseffektivitet af cementmørtel med en almindelig laboratorieblander udstyret med en skive og ved hjælp af rotor-stator-teknikken. Undersøgelsen viste, at ultralydsdispersion ikke kun er en effektiv metode, men er endnu bedre end en mixer, der bruger rotor-stator-teknikken.
(undersøgelse og grafik: © Draganović et al., 2020)

Konkret forskning og udvikling

Konkret forskning leder efter materialer og processer til at:

• Reducer materialeomkostninger og energiomkostninger
• opnå høj indledende og endelig modstand
• forbedre densitet og trykstyrke
• forbedre bearbejdelighed, pumpbarhed og efterbehandlingsevne
• Forbedre holdbarheden og reducere permeabiliteten
• reducere krymperevner, støv og delamineringsproblemer
• kemisk resistens, f.eks. sulfatresistens

Blanding af cement og beton

Når det kommer til forbedringer af betonegenskaber, er blandingsteknologi lige så vigtig som betonsammensætning. Blanding er et vigtigt skridt i produktionen af ensartet beton af høj kvalitet. Selvom talrige retningslinjer og forskrifter, f.eks. DIN EN 206, dækker sammensætningen af beton og dens komponenter, overlades den egentlige proces med cementblanding og betonblanding til brugeren.
Det er afgørende, at vand, cement og tilsætningsstoffer fordeles jævnt og fordeles i fin skala, og at agglomerater er tilstrækkeligt spredt. Utilstrækkelig dispergering eller deagglomerering resulterer i ringere betonegenskaber. På grund af det lave vandindhold og den høje dosering af tilsætningsstoffer kræver blanding af selvkomprimerende beton (SCC) og ultrahøjstyrkebeton (UHPC) en længere blandingstid eller en mere effektiv blandingsteknologi.

Nanomaterialer i beton

Under hydreringen af cementen dannes hydratiseringsprodukter i nanoskala, såsom calciumhydrater, i den hærdende beton. Nanopartikler af silica eller nanorør bliver til nanopartikler af cement under størkningen af betonen. Mindre partikler fører til kortere partikelafstand og et tættere og mindre porøst materiale. Dette øger trykstyrken og reducerer permeabiliteten.

En stor ulempe ved nanostørrelse pulver og materialer er dog tendensen til at danne agglomerater under befugtning og blanding. Medmindre de enkelte partikler er godt spredt, reducerer agglomerering den eksponerede partikeloverflade, hvilket fører til ringere betonegenskaber.

Ultralydsblanding af nanomaterialer

Ultralydbehandling er et meget effektivt middel til blanding, dispergering og deagglomerering. Billedet nedenfor viser et typisk resultat af ultralydsdispergering af røget silica i vand.

Med udgangspunkt i (grøn kurve) ved en agglomeratpartikelstørrelse på mere end 200 mikron (D50) blev de fleste af partiklerne reduceret til mindre end 200 nanometer.

Ultralydsblanding i enhver skala

Hielscher tilbyder ultralydsblandingsenheder til brug i forskning og fuldskalabehandling.

Sonikere til laboratorieforskning og udvikling

Hielscher ultralydslaboratoriehomogenisatorer er det perfekte blandingsværktøj til forskning og udvikling i laboratorieskala. Hielscher lab sonikere bruges typisk til ultralydsblanding af små partier. Hielscher ultralydshomogenisatorer tilbyder en nøjagtig parameterkontrol og fremragende reproducerbarhed til forberedelse af opskaleringen. Dette gør det let at blande forskellige formuleringer og bestemme virkningen af ultralydbehandlingsintensitet og varighed af sonikering.

Ultralyd inline blanding i produktion

Det ultralydsblandingsudstyr, der er nødvendigt til opskalering, kan bestemmes nøjagtigt baseret på laboratorietesten. Til behandling af store volumenstrømme af cement eller beton drives højtydende ultralydapparater normalt i kontinuerlig strømningstilstand ved hjælp af gennemstrømningsreaktorer. Dette giver mulighed for meget ensartet blanding og fejlfri behandling af pastaer og gylle – selv med meget høje viskositeter.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater afhængigt af batchvolumen eller strømningshastighed, der skal behandles: