Ultraschall-Mischen für Hochleistungsbeton

Die Verwendung von Mikro- und Nanosilika oder Nanoröhren führt zu einer Verbesserung der Druckfestigkeit von Hochleistungsbeton. Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Mittel zum Mischen, Benetzen und Dispergieren von Nanomaterialien in Zement oder Beton.
 

Industrielles ZementwerkMikrokieselsäure ist heute in Beton weit verbreitet und führt zu einer höheren Druckfestigkeit oder zu wasser- und chemikalienbeständigen Betonen. Dadurch können Materialkosten und Energieverbrauch gesenkt werden. Neue Nanomaterialien wie Nanokieselsäure oder Nanoröhren führen zu weiteren Verbesserungen der Widerstandsfähigkeit und Festigkeit. Um jedoch das volle Potenzial von Nanomaterialien auszuschöpfen, ist eine zuverlässige und effiziente Dispersionstechnik erforderlich. Sondenschallgeräte sind die zuverlässigste und effizienteste Technik zur Herstellung von Nanodispersionen, selbst in hochviskosen und pastösen Aufschlämmungen wie Zement und Beton.

Dispergierung von mikrofeinem Zementmörtel mit Ultraschallmischern

Das Forschungsteam von Draganović präsentiert einen Forschungsartikel, in dem die Autoren die Dispersion von mikrofeinem Zementmörtel mit Hilfe von Ultraschalltechnologie und konventionellen Labordissolvern untersuchen. Die Studie zielt darauf ab, die Leistung von Ultraschall zu vergleichen – in der Studie speziell der Sonicator UP400St – mit herkömmlichen Methoden der Mörteldispersion.

Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten mit verschiedenen Dispersionstechniken durch, um die Partikelgrößenverteilung (PSD) und das Zetapotenzial der mikrofeinen Zementpartikel zu bewerten. Zu den Dispersionstechniken gehören die Ultraschallbehandlung mit dem UP400St-Sonicator, Hochgeschwindigkeits-Labordissolver und die Kombination beider Methoden.

Ultraschalldispergierer MultiSonoReactor mit 16.000 Watt Dispergierleistung zum Einmischen von Nanopartikeln in Zementleim.

MultiSonoReactor MSR-4: Ultraschall-Inline-Dispergierung für die industrielle Inline-Herstellung von Hochleistungszement und -beton.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Ultraschalldispergierung mit dem Sonicator UP400St im Vergleich zu herkömmlichen Labordissolvern eine deutlich bessere Partikelgrößenverteilung erzielte. Der Sonicator UP400St reduziert effektiv die Agglomeration von mikrofeinen Zementpartikeln und erzeugt eine homogenere und stabilere Zementsuspension. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Verteilung kleinerer Partikel, was zu einem engeren Bereich der Partikelgrößenverteilung führt.
 

Feinstzementmörtel wird am effizientesten und zuverlässigsten mit dem Hielscher Sonicator UP400S dispergiert. In der Vergleichsstudie übertraf der Sondenschalldämpfer den Rotor-Stator-Dispergierer und den Tellerdissolver deutlich.

Vergleich der Dispersionsmethoden: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 Dissolver mit einer 90-mm-Scheibe und einem Rotor-Stator-System. Hielscher-Ultraschallgerät UP400St ausgestattet mit einer H22-Sonotrode.
(Studie und Bilder: ©Draganovic et al., 2020)

 
Darüber hinaus wird durch den Einsatz von Ultraschall in Kombination mit herkömmlichen Labordissolvern die Dispersionseffizienz weiter verbessert und eine noch feinere Partikelgrößenverteilung als bei der Ultraschallbehandlung allein erzielt. In der Kombination sorgt die Beschallung für die Mikromischung und die Nanodispergierung, während der Dissolver zur Makromischung beiträgt und dafür sorgt, dass alle Partikel in die Ultraschallkavitationszone gelangen. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Partikelgrößenverteilung (PSD) und das Zetapotenzial des mikrofeinen Zementmörtels im Chargenbetrieb. Bei Verwendung eines Durchflusszellenreaktors passiert die Partikelsuspension automatisch die Kavitations-Hot-Spot-Zone, so dass das zusätzliche Rühren überflüssig ist.

Insgesamt unterstreicht die Studie die überlegene Leistung des Sonicators UP400St bei der Dispergierung von mikrofeinem Zementmörtel. Die Ultraschallbehandlung bietet, insbesondere in Kombination mit herkömmlichen Labordissolvern, eine hochwirksame und effiziente Methode, um eine gleichmäßige und stabile Suspension mikrofeiner Zementpartikel zu erreichen.

Es ist erwähnenswert, dass der Artikel einen umfassenden Vergleich zwischen Ultraschall- und herkömmlichen Dispersionsverfahren enthält, der die überlegene Leistung der Beschallung bei der Mörteldispersion hervorhebt.
(vgl. Draganović et al., 2020)
 

Die Ultraschallhomogenisierung lieferte die besten Ergebnisse für die Dispersion von Portlandzementgicht im Vergleich zu einem Labormischer mit einer Scheibe und einem Rotor-Stator-Mischer.

Der Ultraschall-Homogenisator UP400St wird die Dispersionseffizienz von Zementmörtel mit einem gewöhnlichen Labormischer, der mit einer Scheibe ausgestattet ist, und mit der Rotor-Stator-Technik verglichen. Die Studie zeigte, dass die Ultraschalldispergierung nicht nur eine effektive Methode ist, sondern sogar besser als ein Mischer mit Rotor-Stator-Technik.
(Studie und Grafik: © Draganović et al., 2020)

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Das Video zeigt das Ultraschallmischen und Dispergieren von Graphit in 250 ml Epoxidharz (Toolcraft L) mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zum Dispergieren von Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Nanodrähten oder Füllstoffen im Labor oder in der Großserienproduktion her. Typische Anwendungen sind das Dispergieren von Nano- und Mikromaterialien während des Funktionalisierungsprozesses oder das Dispergieren in Harzen oder Polymeren.

Mischen von Epoxidharz mit Graphit-Füllstoff mit dem Ultraschallhomogenisator UP400St (400 Watt)

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Forschung und Entwicklung im Bereich Beton

Die Betonforschung sucht nach Materialien und Verfahren, um:

  • die Material- und Energiekosten zu senken
  • einen hohen Anfangs- und Endwiderstand zu erzielen
  • Verbesserung der Dichte und Druckfestigkeit
  • Verbesserung der Verarbeitbarkeit, Pumpfähigkeit und Oberflächengüte
  • Verbesserung der Haltbarkeit und Verringerung der Durchlässigkeit
  • Verringerung von Schrumpfungsrissen, Staubbildung und Delaminierungsproblemen
  • chemische Beständigkeit, z. B. Sulfatbeständigkeit

Zement und Betonmischung

Eine unzureichende Mischung führt zu minderwertigen Betoneigenschaften.Wenn es um die Verbesserung der Betoneigenschaften geht, ist die Mischtechnologie ebenso wichtig wie die Betonzusammensetzung. Das Mischen ist ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung von gleichmäßigem, hochwertigem Beton. Obwohl zahlreiche Richtlinien und Vorschriften, z. B. DIN EN 206, die Zusammensetzung von Beton und seinen Bestandteilen behandeln, bleibt der eigentliche Prozess des Zementmischens und Betonmischens dem Anwender überlassen.
Entscheidend ist, dass Wasser, Zement und Zusatzmittel gleichmäßig und fein verteilt sind und dass Agglomerate ausreichend dispergiert werden. Unzureichende Dispergierung oder Desagglomeration führt zu minderwertigen Betoneigenschaften. Aufgrund des geringen Wassergehalts und der hohen Dosierung von Zusatzmitteln erfordert das Mischen von selbstverdichtendem Beton (SCC) und ultrahochfestem Beton (UHPC) eine längere Mischzeit oder eine effektivere Mischtechnologie.

Nanomaterialien in Beton

Während der Hydratation des Zements bilden sich im aushärtenden Beton nanoskalige Hydratationsprodukte, wie z. B. Calciumhydrate. Nanopartikel aus Kieselsäure oder Nanoröhren verwandeln sich beim Erstarren des Betons in Nanopartikel aus Zement. Kleinere Partikel führen zu kürzeren Partikelabständen und zu einem dichteren und weniger porösen Material. Dies erhöht die Druckfestigkeit und verringert die Durchlässigkeit.

Ein großer Nachteil von Pulvern und Materialien in Nanogröße ist jedoch die Tendenz zur Bildung von Agglomeraten beim Benetzen und Mischen. Wenn die einzelnen Partikel nicht gut dispergiert sind, führt die Agglomeration zu einer Verringerung der freiliegenden Partikeloberfläche und damit zu schlechteren Betoneigenschaften.

Ultraschallgerät für die Deagglomeration von Nanopartikeln und die zuverlässige und gleichmäßige Dispersion von Nanomaterialien in Zement und Beton

Der Ultraschallprozessor UIP16000 ist ein Hochleistungshomogenisierer für die Dispersion von Zement und Beton

Klicken Sie hier, um mehr über die Vorteile des Ultraschallmischens von Zementpasten für Fertigteil-, Trockenbau- und Betonwerke zu erfahren.

Ultraschallmischen von Nanomaterialien

Die Ultraschallbehandlung ist ein sehr wirksames Mittel zum Mischen, Dispergieren und Deagglomerieren. Das Bild unten zeigt ein typisches Ergebnis der Ultraschalldispergierung von pyrogener Kieselsäure in Wasser.

Ultraschallmischen von Fume Sulica (Mikrokieselsäure)

Ausgehend (grüne Kurve) von einer Agglomeratpartikelgröße von mehr als 200 Mikron (D50) wurden die meisten Partikel auf weniger als 200 Nanometer reduziert.

Mischen mit Ultraschall in jedem Maßstab

Hielscher bietet Ultraschall-Mischgeräte für den Einsatz in der Forschung und in der großtechnischen Verarbeitung.

Sonicators für Laborforschung und Entwicklung

Hielscher-Ultraschall-Laborhomogenisatoren sind das perfekte Mischwerkzeug für Forschung und Entwicklung im Labormaßstab. Hielscher Laborhomogenisatoren werden typischerweise für das Ultraschallmischen von kleinen Chargen eingesetzt. Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren bieten eine genaue Parameterkontrolle und eine hervorragende Reproduzierbarkeit für die Vorbereitung des Scale-Ups. Dies macht es einfach, verschiedene Formulierungen zu mischen und die Auswirkungen der Ultraschallintensität und der Dauer der Beschallung zu bestimmen.

Inline-Ultraschallmischen in der Produktion

Fertiger Beton Die für den Scale-up benötigte Ultraschallmischanlage kann anhand des Labortests genau bestimmt werden. Für die Verarbeitung großer Volumenströme von Zement oder Beton werden Hochleistungs-Ultraschallgeräte meist im Durchflussverfahren mit Durchflussreaktoren betrieben. Dies ermöglicht eine sehr gleichmäßige Durchmischung und die einwandfreie Verarbeitung von Pasten und Schlämmen. – auch bei sehr hohen Viskositäten.

Dispergieren von Nano-Kieselsäure mit Ultraschall: Der Hielscher Ultraschall-Homogenisator UP400St dispergiert Silica-Nanopartikel schnell und effizient zu einer gleichmäßigen Nano-Dispersion.

Ultraschalldispergierung von Nano-Silica mit dem Ultraschallgerät UP400St

Video-Miniaturansicht

Die nachstehende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte in Abhängigkeit von der zu verarbeitenden Chargenmenge bzw. dem Durchsatz:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Bitte benutzen Sie das untenstehende Formular, um zusätzliche Informationen über Ultraschallmischer, zementbezogene Anwendungen, technische Daten und Preise anzufordern. Wir freuen uns darauf, Ihren Zementmischprozess mit Ihnen zu besprechen und Ihnen einen Ultraschall-High-Shear-Mischer anzubieten, der Ihren Anforderungen entspricht!









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Literatur / Literaturhinweise


Inline-Mischen von Zement mit einem Sonicator

Ultraschall-Mischen - FlussdiagrammHielscher-Ultraschallmischer werden in der Regel in-line installiert. Das Material wird in den Ultraschall-Reaktorbehälter gepumpt. Dort wird es einer intensiven Ultraschallkavitation ausgesetzt. Bei der Inline-Beschallung gibt es keine Umgehungseffekte, da alle Partikel die Mischkammer auf einem definierten Weg durchlaufen. Daher verschiebt die Ultraschallbehandlung in der Regel die Kurve der Partikelgrößenverteilung, anstatt sie zu verbreitern.

Robust und einfach zu reinigen

Ultraschall-Durchflusszreaktoren aus rostfreiem Stahl für die Beschallung von Flüssigkeiten.Ein Ultraschall-Mischreaktor besteht aus der Durchflusszelle und den Sonotroden. Es werden keine Lager benötigt. Durchflusszellenreaktoren (aus rostfreiem Stahl) haben eine einfache Geometrie und können leicht zerlegt und gereinigt werden. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder versteckte Ecken.

Andere Anwendungen von Ultraschall für Zement und Beton

Der Einsatz von Hielscher-Ultraschallgeräten bei der Herstellung von Zementen und Betonen beschränkt sich nicht auf das Mischen und Dispergieren von Zementvormischungen oder Betonen. Ultraschall ist ein sehr effektives Mittel zur Entgasung von Flüssigkeiten und Schlämmen. Dadurch wird die Anzahl und das Volumen der im Beton eingeschlossenen Gasblasen nach dem Aushärten reduziert.
Ultraschall-Siebmaschinen verbessern den Durchsatz und die Qualität der Pulversiebung für kleine Partikel. Hielscher bietet ultraschallgerührte Siebe für Labor- und Industrieanwendungen.

Konkrete Hintergrundinformationen

Beton besteht aus Zement, z. B. Portlandzement und anderen zementhaltigen Materialien wie Flugasche und Hüttenzement, Zuschlagstoffen (Kies, Kalkstein, Granit, Sand), Wasser und chemischen Zusatzmitteln. Typische Zusatzmittel sind Beschleuniger oder Verzögerer, Weichmacher, Pigmente, Silikastaub oder hochreaktives Metakaolin (HRM). Mikrokieselsäure ist ein typisches Zusatzmittel in Beton. Sein Nachteil sind die relativ hohen Kosten und die Verunreinigung, die die Gesundheit der Anwender und Arbeiter beeinträchtigt.

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