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 Rotationsmischer bieten eine unzureichende Mischwirkung, um Agglomerate aus Zementpartikeln und anderen zementhaltigen Stoffen wie Flugasche oder Kieselerde zu dispergieren. Während die äußeren Partikel solcher Agglomerate dem Wasser ausgesetzt sind, bleiben die inneren Partikeloberflächen trocken. Dies führt zu einer langsamen und unvollständigen Hydratation.

Vorteile der Ultraschall-Mischtechnik für Beton

Das Ultraschall-Dispergieren ist die fortschrittlichste Technologie zum Deagglomerieren und Dispergieren von Materialien im Mikround Nanobereich in Flüssigkeiten. Beim Ultraschallmischen werden Kavitationsscherkräfte eingesetzt, die beim Mischen feiner Materialien effektiver sind als bei herkömmlichen Rotationsmischern und Rotor-Stator-Mischern. Bei Zement, Kieselerde, Flugasche, Pigmenten oder CNTs wird die Leistung dieser Materialien durch das Dispergieren mit Ultraschall erheblich gesteigert, da die Partikelverteilung und der Kontakt mit Wasser verbessert werden.
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.
 

Mikrostruktur des Zementleims nach 5-stündiger Hydratation

mit Ultraschall	ohne Ultraschall
Portland Zementleim (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus-Universität Weimar

 
Die Ultraschall-Kavitationsmischung führt zu einem schnelleren Wachstum der C-S-H-Phasen.

 
Hydratationstemperatur

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

 
Druckfestigkeit

 
Ultraschall-Impulsgeschwindigkeit

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

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) ergab die folgende Verkürzung der Einstellzeiten.

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%. Dies ermöglicht eine geringere Dosierung von Fließmitteln.
 

Prozessintegration von Ultraschallmischern in die Zementproduktion

Hielscher bietet Ultraschallmischer für das effektive Dispergieren von Zement, Kieselsäure, Flugasche, Pigmenten oder CNTs. Zunächst sollte jedes trockene Material mit Wasser vorgemischt werden, um eine hohe Konzentration zu erreichen – und dennoch pumpfähige Paste. Der Hielscher-Ultraschallmischer deagglomeriert und dispergiert die Partikel mit Hilfe von Kavitationsscherkräften. Im Ergebnis ist die gesamte Oberfläche jedes Partikels vollständig dem Wasser ausgesetzt.

Ultraschallverarbeitung von Zementleim

Bei Zementleim beginnt die Hydratation nach der Ultraschallbehandlung. Daher sollte der Hielscher-Ultraschallmischer inline eingesetzt werden, da der Zementleim nicht über längere Zeit gelagert werden kann. Die folgende schematische Zeichnung veranschaulicht den Prozess. Im nächsten Schritt wird die Gesteinskörnung, wie Sand oder Kies, zugegeben und mit dem Zementleim vermischt. Da die Zementpartikel in diesem Stadium bereits gut dispergiert sind, vermischt sich der Zementleim gut mit den Zuschlagstoffen. Der Beton ist dann bereit zum Einfüllen in Fertigteilformen oder für den Transport. Eine Auflockerungswanne neben dem Ultraschallmischer kann verwendet werden, um bei unregelmäßigem Betonbedarf eine kontinuierlichere Verarbeitung zu ermöglichen.

Ultraschall Dispergieren von Silica, Flugasche und Nanomaterialien

Das Dispergieren von Kieselsäure, Flugasche, Pigmenten oder anderen Nanomaterialien, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren, erfordert andere Verarbeitungsintensitäten und Energienive. Aus diesem Grund empfehlen wir einen separaten Ultraschallmischer, um eine gut dispergierte Aufschlämmung/Paste zu erzeugen, die dann der Betonmischung zugegeben wird. Bitte klicken Sie auf die Grafik oben, um eine schematische Darstellung dieses Prozesses zu sehen.

Die für das Scale-up benötigte Ultraschallmischanlage kann anhand von Pilotversuchen mit einem UIP1000hd (1.000 Watt), genau getestet werden. Die folgende Tabelle zeigt allgemeine Empfehlungen für die Ultraschall-Verarbeitung von Chargen-Volumina oder Durchflussraten für Zementleim.