Ultraschall-Mischen von Zementpasten für die Betonherstellung

Das Mischen von Zementleim mit Ultraschall bietet große Vorteile für Fertigteil-, Trockenbau- und Betonwerke. Zu diesen Vorteilen gehören kürzere Anfangs- und Endabbindezeiten, eine geringere Fließmitteldosierung, eine schnellere und vollständigere Hydratation sowie eine 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 es die Partikelverteilung und den Kontakt mit Wasser verbessert.

Während der Hydratation - der Reaktion des Zements mit Wasser - wachsen C-S-H-Phasen nadelartige Strukturen. Die Bilder unten zeigen die Mikrostruktur im Zementstein nach 5 Stunden Hydratation. Im ultraschallbehandelten Zementstein sind die C-S-H-Phasen fast 500 nm lang, während die C-S-H-Phasen im nicht ultraschallbehandelten Zementstein etwa 100 nm groß sind.

Mikrostruktur des Zementleims nach 5-stündiger Hydratation

mit Ultraschall	ohne Ultraschall
Portland Zementleim (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 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

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. Eine frühere Hydratation korreliert mit einem früheren Anstieg der Druckfestigkeit. Die erhöhte Hydratationsgeschwindigkeit kann auch durch die Ultraschallimpulsgeschwindigkeit gemessen werden.

Insbesondere bei Fertigteilen und Trockenbeton führt dies zu einer deutlich kürzeren Zeit, bis der gegossene Beton aus der Form genommen werden kann. Untersuchungen der Bauhaus-Universität (Deutschland) ergaben die folgende Verkürzung der Abbindezeiten.

Ein weiterer interessanter Vorteil des Ultraschallmischens ist der Einfluss auf die Fließfähigkeit. Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, steigt das Fließmaß 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 hochkonzentrierte und dennoch pumpfähige Paste zu erhalten. Der Hielscher-Ultraschallmischer deagglomeriert und dispergiert die Partikel mit Hilfe von Kavitationsscherkräften. Dadurch 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.
Lesen Sie mehr über die Deagglomeration von Zementpartikeln mit Ultraschall!

Dispergieren von Kieselsäure, Flugasche und Nanomaterialien mit Ultraschall

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 obige Grafik, um eine schematische Darstellung dieses Prozesses zu sehen.

Die für das Scale-up benötigte Ultraschallmischausrüstung kann anhand von Versuchen im Pilotmaßstab mit dem UIP1000hdT, einem 1.000 Watt starken Ultraschallgerät im Pilotmaßstab, genau bestimmt werden. Die nachstehende Tabelle enthält allgemeine Geräteempfehlungen in Abhängigkeit vom Chargenvolumen oder der Durchflussrate des zu verarbeitenden Zementleims.

Mit einer Ultraschall-Mischleistung von bis zu 16 kW pro Ultraschallsonde bietet Hielscher die erforderliche Verarbeitungsleistung für großvolumige Anwendungen. Diese Technologie ist einfach zu testen und linear skalierbar.