Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-Mischen von Zementpaste für Beton

Die Ultraschall-Mischen von Zement-Paste bietet große Vorteile für die Herstellung von Fertigteilen, Trockenbauteilen und Betonteilen. Die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall resultiert in einer verkürzten Induktionsperiode sowie Aushärtungszeit, niedrigerer Dosierung von Fließmitteln, schnellerer und vollständiger Hydratation sowie höhere Druckfestigkeit.
Traditionelle Betonmischtechnologien, wie z.B. das „On-the-Road-Mischen“ oder Rotor-Mischer bieten keine ausreichende Vermischungsenergie, um die Agglomerate der Zementpartikel und anderen zementöse Materialien, wie z.B. Flugasche oder Silicagleichmäßig zu dispergieren. Während die äußeren Partikel solcher Agglomerate mit Wasser benetzt werden, bleiben Partikel im Inneren des Agglomerats trocken. Dies führt zu einer langsamen und unvollständigen Hydratation.

Vorteile der Ultraschall-Mischtechnik

Das Ultraschall-Dispergieren ist die am weitesten entwickelte Technologie, um mikro- und nano-skalige Materialien in Flüssigkeiten zu dispergieren und desagglomerieren. Ultraschall-Mischer generieren hohe Scherkräfte, welche für die Dispersion und Vermischung von feinen Korngrößen deutlich effektiver sind als herkömmliche Blade- oder Rotor‑Stator-Mischer. Bei Zement, Silica, Flugasche, Pigmenten sowie CNTs wird die Performanz dieser Materialien durch das Ultraschall-Dispergieren deutlich gesteigert, da die Partikelgrößenverteilung und Phasentransfer zwischen Partikel und Wasser verbessert wird.
Während der Hydratation – der Reaktion des Zements mit dem Wasser – bilden die C‑S‑H‑Phasen nadelförmige Strukturen. Die Bilder unten zeigen die Mikrostruktur in Zementleim nach 5-stündiger Hydratation. In beschalltem Zementleim sind die C‑S‑H‑Phasen fast 500nm lang, während die C‑S‑H‑Phasen im unbeschallten Zementleim nur ca. 100nm lang sind.

Hielscher's ultrasonic dispersion technology improves cement precasts.

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Mikrostruktur des Zementleims nach 5-stündiger Hydratation
mit Ultraschall
ohne Ultraschall
Mikrostruktur des Zementleims nach der Ultraschallbehandlung und 5 Std. ErstarrungszeitMikrostruktur des Zementleims nach 5 Std. Erstarrungszeit ohne Ultraschall
Portland Zementleim (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus-Universität Weimar

Das Ultraschallmischen bewirkt ein schnelleres Wachstum der C‑S‑H‑Phasen.

Hydratationstemperatur

Einfluss von Power Ultraschall (PUS) auf die Temperatur-Zeit-Kurve von Zementleim

Druckfestigkeit

Einfluss der Power Ultraschall (PUS) auf die Druckfestigkeit von Mortar Prisms

Ultraschall-Impulsgeschwindigkeit

Einfluss der Power Ultraschall (PUS) auf die Ultraschall-Impulsgeschwindigkeit von Zementleim

C. Rössler (2009)

Das Wachstum der C‑S‑H-Phasen korreliert mit der Temperatur des Zementleims während der Hydratationsphase (Klicken Sie auf die Grafik rechts). Bei dem mittels Ultraschall gemischten Zementleim setzt die Hydratation ca. eine Stunde früher ein. Die frühere Hydratation geht mit einer früher einsetzenden Druckfestigkeit einher (Klicken Sie rechts auf die Grafik!). Die gesteigerte Hydratationgeschwindigkeit kann mittels Ultraschall-Impulsgeschwindigkeit gemessen werden.

Insbesondere bei der Herstellung von Fertigteilen und Gussbetonteilen resultiert die Ultraschalldispergierung in einer deutlich schnelleren Erstarrung, so dass der Gussbeton deutlich frühere aus der Form entnommen werden kann. Studien der Bauhaus-Universität (Deutschland) zeigten folgende verkürzte Aushärtungsdauer.

ReferenzDiff.Power-Ultraschall
Einsetzende Erstarrung5 Std. 15 Min.-29%3 Std. 45 Min.
Finale Erstarrung6 Std. 45 Min.-33%4 Std. 30 Min.
Absetzverhalten122mm (4,8″)+30%158mm (6,2″)

Ein weiterer interessanter Vorteil des Ultraschall-Mischens ist der Effekt auf die Fließfähigkeit. Wie in der obigen Tabelle dargestellt, wird das Absetzverhalten um ca. 30 % verbessert. Dadurch wird es möglich, die Dosierung von Fließmitteln zu reduzieren.

Prozessintegration von Ultraschallmischern

Hielscher bietet Ultraschallmischsysteme für die effektive Dispergierung von Zement, Silica, Flugasche, Pigmenten sowie CNTs. Zuerst sollte das trockene Material mit Wasser vorgemischt werden, um eine hochkonzentrierte Slurry – die noch pumpfähig ist - herzustellen. Ein Hielscher Ultraschallprozessor wird anschließend verwendet, um die Partikel durch ultraschall-generierte Kavitations- Scherung zu desagglomerieren und dispergieren. Dadurch wird die gesamte Oberfläche aller einzelnen Partikel vollständig mit Wasser benetzt.

Ultraschallverarbeitung von Zementleim

Bei Zementleim setzt die Hydratation direkt nach der Beschallung ein. Hielscher Ultraschallsysteme sollten bevorzugt im Inline-Verfahren eingesetzt werden, da Zementleim nicht über längeren Zeitraum gelagert werden kann. Die schematische Zeichnung unten zeigt das Prozessdiagramm. Im nächsten Schritt werden die Aggregate, bspw. Sand oder Kies, hinzugefügt und mit dem Zementleim gemischt. Da die Zementpartikel zu diesem Zeitpunkt bereits gut dispergiert sind, lässt sich der Zement gut mit dem Aggregat vermischen. Der Beton wird dann in Fertigteilformen oder ins Transportfahrzeug abgefüllt. Ein Zulaufbehälter vor der Ultraschallanlage kann dazu verwendet werden, um bei unstetigen Prozessbedingungen eine kontinuierliche Ultraschallverarbeitung zu implementieren.

Ultraschall-Inline-Mischen von Zement für die Betonfertigteil-Produktion

Ultraschall Dispergieren von Silica, Flugasche und Nanomaterialien

Ultraschall-Inline-Mischen von Zement für die Betonfertigteil-ProduktionFür das Dispergieren von Silica, Flugasche, Pigmenten oder anderen Nanomaterialien, z.B. Kohlenstoff-Nanotubes, sind andere Beschallungsintensitäten und Energieeinträge notwendig. Aus diesem Grund empfehlen wir ein separates Ultraschallsystem, um eine homogen dispergierte Slurry/Zementleim herzustellen, welche dann der Betonmischung hinzugefügt wird. Klicken Sie bitte auf die oben stehende Grafik für ein entsprechendes schematisches Prozessdiagramm!

Fertiger Beton Die Ultraschall-Mischanlage, welche für ein Scale-up auf größere Verarbeitungskapazitäten ausgelegt ist, kann mit einer Pilotanlage, z.B. dem UIP1000hd (1.000 Watt), genau getestet werden. Die folgende Tabelle zeigt allgemeine Empfehlungen für die Ultraschall-Verarbeitung von Chargen-Volumina oder Durchflussraten für Zementleim.

Batch-VolumenDurchflussEmpfohlenes Ultraschallgerät
0,1 bis 10L0,2 bis 2L/minUIP1000hd UIP1500hd
10 bis 50L2 bis 10l/minUIP4000
n.a.10 bis 50L/minUIP16000
n.a.größereCluster aus UIP16000

Hielscher bietet Hochleistungs-Ultraschallsysteme mit bis zu 16kW pro Einzelgerät, welche hochvolumige Anwendungen unter Heavy-Duty-Bedingungen problemlos verarbeiten können. Diese Technologie kann einfach getestet und linear skaliert werden.

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Ultraschall-Dispergatoren verbessern Prozess- und Zementqualität.

Ultraschall-Inline-Mischer)UIP1000hdT)

Literatur