Ultralydsblanding til højtydende beton

Brugen af mikro- og nanosilica eller nanorør medfører forbedringer af trykstyrken i højtydende beton. Sonikering er en effektiv metode til blanding, befugtning og dispergering af nanomaterialer i cement eller beton.
 

Mikrosilica anvendes i vid udstrækning i beton i dag og giver højere trykstyrke eller vand- og kemikaliebestandig beton. Det kan reducere materialeomkostninger og energiforbrug. Nye nanomaterialer, såsom nanosilica eller nanorør, medfører yderligere forbedringer af modstandsdygtighed og styrke. Men for at udnytte nanomaterialernes fulde potentiale kræves en pålidelig og effektiv dispergeringsteknik. Sonikatorer af sondetypen er den mest pålidelige og virkningsfulde teknik til at fremstille nanodispersioner, selv i meget viskøse og pastaagtige suspensioner såsom cement og beton.

Dispergering af mikrofin cementinjektionsmørtel med ultralydsblandere

Draganovićs forskerhold præsenterer en forskningsartikel, hvor forfatterne undersøger dispergeringen af mikrofin cementinjektionsmørtel ved hjælp af ultralydsteknologi og konventionelle laboratoriedissolvere. Undersøgelsen har til formål at sammenligne ultralydens effektivitet – i undersøgelsen specifikt sonikatoren UP400St – med traditionelle metoder til dispergering af injektionsmørtel.

Forskerne gennemførte en række forsøg med forskellige dispergeringsteknikker for at evaluere de mikrofine cementpartiklers partikelstørrelsesfordeling (PSD) og zetapotentiale. Dispergeringsteknikkerne omfatter ultralydsbehandling med sonikatoren UP400St, laboratoriedissolvere med høj hastighed og en kombination af begge metoder.

Resultaterne viste, at ultralydsdispergering med sonikatoren UP400St opnåede en betydeligt bedre partikelstørrelsesfordeling sammenlignet med konventionelle laboratoriedissolvere. Sonikatoren UP400St reducerer effektivt agglomereringen af mikrofine cementpartikler og producerer en mere homogen og stabil injektionsmørtelsuspension. Ultralydsbehandlingen forbedrer fordelingen af mindre partikler, hvilket resulterer i et snævrere interval for partikelstørrelsesfordelingen.
 

Sammenlignede dispergeringsmetoder: Vma-Getzmann Dispermat CV-3-dissolver udstyret med en 90-mm skive og et rotor-stator-system. Ultralydsapparatet UP400St fra Hielscher udstyret med en H22-sonotrode.
(Undersøgelse og billeder: ©Draganovic et al., 2020)

 
Desuden forbedrer brugen af ultralyd i kombination med konventionelle laboratoriedissolvere dispergeringseffektiviteten yderligere og giver en endnu finere partikelstørrelsesfordeling sammenlignet med ultralydsbehandling alene. Når metoderne kombineres, sørger sonikering for mikroblanding og nanodispergering, mens dissolveren bidrager til makroblandingen og sikrer, at alle partikler kommer ind i ultralydens kavitationszone. Dette giver bedre kontrol over den mikrofine cementinjektionsmørtels partikelstørrelsesfordeling (PSD) og zetapotentiale ved batchdrift. Ved brug af en gennemstrømningscellereaktor passerer partikelsuspensionen automatisk gennem zonen med intensiv kavitation, så yderligere omrøring er overflødig.

Samlet set fremhæver undersøgelsen sonikatoren UP400St’s overlegne effektivitet ved dispergering af mikrofin cementinjektionsmørtel. Ultralydsbehandlingen, især i kombination med konventionelle laboratoriedissolvere, er en særdeles virkningsfuld 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 af ultralyd og konventionelle dispergeringsmetoder og fremhæver sonikeringens overlegne effektivitet ved dispergering af injektionsmørtel.
(jf. Draganović et al., 2020)
 

Ultralydshomogenisatoren UP400St sammenlignes med hensyn til effektiviteten ved dispergering af cementinjektionsmørtel med en almindelig laboratorieblander udstyret med en skive og med anvendelse af rotor-stator-teknikken. Undersøgelsen viste, at ultralydsdispergering ikke kun er en effektiv metode, men endda er bedre end en blander, der anvender rotor-stator-teknikken.
(undersøgelse og grafik: © Draganović et al., 2020)

Forskning og udvikling inden for beton

Betonforskningen søger efter materialer og processer, der kan:

• reducere materialeomkostninger og energiomkostninger
• opnå høj begyndelses- og slutstyrke
• forbedre densitet og trykstyrke
• forbedre bearbejdelighed, pumpbarhed og mulighederne for overfladebearbejdning
• forbedre holdbarheden og reducere permeabiliteten
• reducere svindrevner, støvdannelse og delamineringsproblemer
• kemisk bestandighed, f.eks. sulfatbestandighed

Blanding af cement og beton

Når det gælder forbedringer af betonens egenskaber, er blandingsteknologien lige så vigtig som betonens sammensætning. Blanding er et væsentligt trin i produktionen af ensartet beton af høj kvalitet. Selvom talrige retningslinjer og bestemmelser, f.eks. DIN EN 206, omhandler sammensætningen af beton og dens bestanddele, overlades selve processen for cementblanding og betonblanding til brugeren.
Det er afgørende, at vand, cement og tilsætningsstoffer dispergeres og fordeles jævnt helt ned på en fin skala, og at agglomerater dispergeres tilstrækkeligt. Utilstrækkelig dispergering eller deagglomerering resulterer i ringere betonegenskaber. På grund af det lave vandindhold og den høje dosering af tilsætningsstoffer kræver blanding af selvkompakterende beton (SCC) og beton med ultrahøj styrke (UHPC) længere blandingstid eller en mere effektiv blandingsteknologi.
 
Læs, hvordan højintensiv ultralyd forbedrer og fremskynder hydratiseringen og styrkeudviklingen i cementpastaer!
 

Nanomaterialer i beton

Under cementens hydratisering dannes hydratiseringsprodukter i nanoskala, såsom calciumhydrater, i den hærdende beton. Nanopartikler af silica eller nanorør bliver til nanopartikler af cement under betonens størkning. Mindre partikler medfører kortere afstand mellem partiklerne og et tættere og mindre porøst materiale. Dette øger trykstyrken og reducerer permeabiliteten.

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

Ultralydsblanding: Homogen dispergering af nanomaterialer i cementpastaer

Sonikering er en meget effektiv metode til blanding, dispergering og deagglomerering. Billedet nedenfor viser et typisk resultat af ultralydsdispergering af pyrogen silica i vand.
Læs mere om nanoforstærkede cementmørtler med ultralydsdispergering!

Med udgangspunkt i en agglomeratpartikelstørrelse på mere end 200 mikrometer (D50) (grøn kurve) blev de fleste partikler reduceret til mindre end 200 nanometer.

Ultralydsblanding i enhver skala

Hielscher tilbyder ultralydsblandeapparater til brug i forskning og behandling i fuld skala.

Sonikatorer til forskning og udvikling i laboratoriet

Hielschers ultralydshomogenisatorer til laboratorier er det perfekte blandeværktøj til forskning og udvikling i laboratorieskala. Hielschers laboratoriesonikatorer bruges typisk til ultralydsblanding af små batcher. Hielschers ultralydshomogenisatorer tilbyder præcis parameterkontrol og fremragende reproducerbarhed som forberedelse til opskalering. Dette gør det nemt at blande forskellige formuleringer og bestemme virkningen af sonikeringsintensiteten og sonikeringens varighed.

Inline-blanding med ultralyd i produktionen

Det ultralydsblandeudstyr, der er nødvendigt til opskalering, kan bestemmes præcist ud fra laboratorieforsøget. Til behandling af store volumenstrømme af cement eller beton anvendes højtydende ultralydsapparater normalt i kontinuerlig gennemstrømningsdrift med gennemstrømningsreaktorer. Dette muliggør meget ensartet blanding og fejlfri behandling af pastaer og suspensioner – selv ved meget høje viskositeter.

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet afhængigt af det batchvolumen eller den volumenstrøm, der skal behandles: