Ultraschallmischen von Zementleim für Beton

Das Ultraschallmischen von Zementleim bietet große Vorteile für die Herstellung von Betonfertigteilen, die Verarbeitung erdfeuchten Betons und Betonwerke. Zu diesen Vorteilen zählen ein früherer Erstarrungsbeginn und ein früheres Erstarrungsende, eine geringere Fließmitteldosierung, eine schnellere und vollständigere Hydratation sowie eine höhere Druckfestigkeit.

Herkömmliche Betonmischtechnologien, wie das Mischen während des Transports oder Rotationsmischer, bieten keine ausreichende Mischwirkung, um Agglomerate aus Zementpartikeln und anderen zementartigen Materialien wie Flugasche oder Siliciumdioxid zu dispergieren. Während die äußeren Partikel solcher Agglomerate mit Wasser in Kontakt kommen, bleiben die Oberflächen der inneren Partikel trocken. Dies führt zu einer langsamen und unvollständigen Hydratation.

Vorteile der Ultraschallmischtechnologie für Beton

Das Dispergieren mit Ultraschall ist die fortschrittlichste Technologie zur Deagglomeration und Dispergierung von Materialien im Mikro- und Nanometerbereich in Flüssigkeiten. Beim Ultraschallmischen werden kavitationsbedingte Scherkräfte genutzt, die beim Mischen feiner Materialien wirksamer sind als herkömmliche Rotationsmischer und Rotor-Stator-Mischer. Bei Zement, Siliciumdioxid, Flugasche, Pigmenten oder CNTs wird die Leistungsfähigkeit dieser Materialien durch das Dispergieren mit Ultraschall erheblich gesteigert, da es die Partikelverteilung und den Kontakt mit Wasser verbessert.

Während der Hydratation – der Reaktion von Zement mit Wasser – bilden C-S-H-Phasen nadelförmige Strukturen. Die folgenden Bilder zeigen die Mikrostruktur von Zementleim nach 5 Stunden Hydratation. Im ultraschallbehandelten Zementleim sind die C-S-H-Phasen fast 500nm lang, während sie im unbehandelten Zementleim etwa 100nm lang sind.

Mikrostruktur von Zementleim nach 5hrs Hydratationszeit

mit Ultraschallbehandlung	ohne Ultraschallbehandlung
Portlandzementleim (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus-Universität Weimar

 
Das Mischen durch ultraschallinduzierte Kavitation führt zu einem schnelleren Wachstum der C-S-H-Phasen.

 
Hydratationstemperatur

Einfluss der Behandlung mit Leistungsultraschall (PUS) auf die Zeit-Temperatur-Kurven von Zementleimen

 
Druckfestigkeit

Einfluss der Behandlung mit Leistungsultraschall (PUS) auf die Druckfestigkeit von Mörtelprismen

 
Ultraschallimpulsgeschwindigkeit

Einfluss der Behandlung mit Leistungsultraschall (PUS) auf die Ultraschallimpulsgeschwindigkeit von hydratisierenden Zementleimen

Das Wachstum der C-S-H-Phasen korreliert mit der Temperatur im Zementleim während der Hydratationsphase (klicken Sie auf die rechte Grafik). Im mit Ultraschall gemischten Zementleim beginnt die Hydratation etwa eine Stunde früher. Eine frühere Hydratation korreliert mit einem früheren Anstieg der Druckfestigkeit. Die erhöhte Hydratationsgeschwindigkeit lässt sich auch anhand der Ultraschallimpulsgeschwindigkeit messen.

Insbesondere bei Betonfertigteilen und erdfeuchtem Beton verkürzt sich dadurch die Zeit bis zum Entformen des gegossenen Betons erheblich. Studien der Bauhaus-Universität (Deutschland) zeigten die folgende Verkürzung der Erstarrungszeiten.

Ein weiterer interessanter Vorteil des Ultraschallmischens ist der Einfluss auf die Fließfähigkeit. Wie die obige Tabelle zeigt, erhöht sich das Setzmaß um etwa 30%. Dies ermöglicht eine geringere Fließmitteldosierung.

Prozessintegration von Ultraschallmischern in die Zementproduktion

Hielscher bietet Ultraschallmischer zum effektiven Dispergieren von Zement, Siliciumdioxid, Flugasche, Pigmenten oder CNTs. Zunächst sollte jedes trockene Material mit Wasser vorgemischt werden, sodass eine hochkonzentrierte, aber dennoch pumpfähige Paste entsteht. Der Ultraschallmischer von Hielscher deagglomeriert und dispergiert die Partikel durch kavitationsbedingte Scherung. Dadurch kommt die gesamte Oberfläche jedes Partikels vollständig mit Wasser in Kontakt.

Ultraschallbehandlung von Zementleim

Bei Zementleim beginnt die Hydratation nach der Ultraschallbehandlung. Daher sollte der Ultraschallmischer von Hielscher inline eingesetzt werden, da sich der Zementleim nicht über längere Zeiträume lagern lässt. Die folgende schematische Zeichnung veranschaulicht den Prozess. Im nächsten Schritt wird die Gesteinskörnung, beispielsweise Sand oder Kies, zugegeben und mit dem Zementleim vermischt. Da die Zementpartikel zu diesem Zeitpunkt bereits gut dispergiert sind, lässt sich der Zementleim gut mit der Gesteinskörnung vermischen. Der Beton ist anschließend bereit zum Einfüllen in Fertigteilformen oder für den Transport. Ein Pufferbehälter neben dem Ultraschallmischer kann bei schwankendem Betonbedarf einen kontinuierlicheren Betrieb ermöglichen.
Lesen Sie mehr über die Deagglomeration von Zementpartikeln mit Ultraschall!

Dispergieren von Siliciumdioxid, Flugasche und Nanomaterialien mit Ultraschall

Das Dispergieren von Siliciumdioxid, Flugasche, Pigmenten oder anderen Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren erfordert andere Behandlungsintensitäten und Energieniveaus. Aus diesem Grund empfehlen wir einen separaten Ultraschallmischer zur Herstellung einer gut dispergierten Suspension oder Paste, die anschließend der Betonmischung zugegeben wird. Klicken Sie auf die obige Grafik, um eine schematische Zeichnung dieses Prozesses zu sehen.

Die für die Maßstabsvergrößerung erforderliche Ultraschallmischausrüstung lässt sich anhand von Versuchen im Pilotmaßstab mit dem UIP1000hdT genau bestimmen, einem leistungsstarken Ultraschallgerät mit 1.000 Watt für den Pilotmaßstab. Die folgende Tabelle enthält allgemeine Geräteempfehlungen in Abhängigkeit vom Chargenvolumen oder Volumenstrom des zu verarbeitenden Zementleims.

Mit einer Ultraschallmischleistung von bis zu 16kW pro einzelner Sonotrode bietet Hielscher die für Anwendungen mit großen Verarbeitungsvolumina erforderliche Prozessleistung. Diese Technologie ist einfach zu testen und linear skalierbar.