Ultraschall-Mischen für Hochleistungsbeton

Der Einsatz von Mikro- und Nanosilica führt zu einer Verbesserung der Druckfestigkeit von Hochleistungsbeton. Ultraschall stellt eine effektive Methode für das Mischen, Durchfeuchten und Dispergieren von Nanomaterialien in Zement und Beton dar.

Die Verwendung von Mikrosilica ist bei der Betonherstellung heutzutage weit verbreitet, da sie in einer höheren Druckfestigkeit oder in gegenüber wasserfesten und chemischen Stoffen beständigen Beton resultiert. Dadurch können Materialkosten und Energieverbrauch reduziert werden. Mittels neuer Nanomaterialien wie Nanosilica oder Nanotubes können weitere Verbesserungen der Widerstandsfähigkeit und Festigkeit erreicht werden.

Beton – Hintergrundinformationen

Beton setzt sich aus Zement, z. B. Portland-Zement und anderen zementartigen Materialien, wie z. B. Flugasche und Schlackenzement, Aggregaten (Kies, Kalkstein, Granit, Sand) Wasser und chemischen Beimengungen zusammen. Gängige Beimengungen enthalten Abbindebeschleuniger oder -verzögerer, Verflüssiger, Pigmente, Silicastaub (Silicafume) oder High Reactivity Metakaolin (HRM). Mikrosilica ist eine typische Beimengung in Beton. Sein Nachteil besteht in den relativ hohen Kosten und in der Kontamination, die sich schädlich auf die Gesundheit des Anwenders auswirkt.

Beton – Forschung & Entwicklung

Die Beton-Forschung sucht nach Materialien und Prozessen, mit denen

• Material- und Energiekosten gesenkt werden
• eine höhere Anfangs- und Endwiderstandfähigkeit erreicht werden
• Dichte und Druckfestigkeit erhöht werden
• die Verarbeitbarkeit, Pumpfähigkeit und Finishability erhöht werden
• die Haltbarkeit erhöht und die Durchlässigkeit verringert werden
• Schrumpfrisse, Staub- und Delaminierungsprobleme vermieden werden
• chemische Beständigkeit, z. B. Sulfatresistenz, erreicht wird

Mischen von Zement und Beton

Wenn es zu Verbesserungen der Betoneigenschaften kommt, so ist die Mischtechnologie ebenso wichtig wie die Betonzusammensetzung. Das Mischen ist ein essentiell wichtiger Schritt bei der Produktion von gleichmäßigem, qualitativ hochwertigem Beton. Obwohl zahlreiche Richtlinien und Normen, z. B. DIN EN 206, die Zusammensetzung von Beton und seinen Komponenten abdecken, so ist der Prozess des Zementmischens und des Betonmischens dem Verbraucher überlassen. Es ist maßgeblich von Bedeutung, dass Wasser, Zement und Beimengungen gleichmäßig dispergiert und bis auf ein feines Größenverhältnis hin verteilt sind und dass Agglomerate ausreichend dispergiert werden. Werden die Stoffe nur unzureichend dispergiert oder deagglomeriert, so entsteht Beton mit minderwertigen Eigenschaften. Aufgrund des niedrigen Wassergehaltes und der hohen Konzentration der Beimengung erfordert das Mischen von selbstverdichtendem Beton (self-compacting concrete = SCC) und ultrahochfestem Beton (ultra high strength concrete = UHPC) längere Mischzeiten oder eine effektivere Mischtechnologie.

Nanomaterialien in Beton

Während der Zementhydratation wirken nanoskalige Hydrationsmittel, wie z. B. Calciumhydrate auf den härtenden Zement. Silica-Nanopartikel oder Nanotubes verwandeln sich während des Erstarrens des Zementes in Zement-Nanopartikel. Kleinere Partikel führen zu geringeren Partikelabständen und einem dichteren und weniger porösen Material. Dadurch steigt die Druckfestigkeit und die Durchlässigkeit wird verringert.

Ein größerer Nachteil der nanoskaligen Pulver und Materialien ist allerdings die Neigung, beim Durchfeuchten und Mischen Agglomerate zu bilden. Wenn die einzelnen Partikel jedoch nicht gut dispergiert sind, verringern die Agglomerate die Partikeloberfläche, wodurch Beton mit minderwertigen Eigenschaften entsteht.

Mischen von Nanomaterialien mit Ultraschall

Das Beschallen mit Ultraschall ist eine sehr effektive Methode, um zu mischen, zu dispergieren und zu deagglomerieren. Das Bild unten zeigt ein typisches Resultat, das erreicht wird, wenn Silicastaub mit Ultraschall in Wasser dispergiert wird.

Zu Beginn (grüne Kurve) weisen die Partikel eine Größe von mehr als 200 µm (D50) auf; die meisten Partikel werden auf weniger als 200 Nanometer verkleinert.

Mischen with Ultraschall in any Größenordnung

Hielscher bietet Ultraschall-Mischgeräte für den Einsatz in der Forschung an. & Entwicklung ebenso wie für die Produktion im großen Maßstab.

Forschung & Entwicklung im Labor

Hielscher Labor-Ultraschallgeräte are the perfect Misch-Werkzeug for research. & Entwicklung im Labor. The Laborgeräte are not for the Ultraschall-Mischen in kleinen Chargen genutzt. Hielscher Ultraschallgeräte ermöglichen eine genaue Kontrolle über die Parameter und eine hervorragende Wiederholbarkeit bei der Erstellung einer „Scale-Ups“. Dadurch wird es einfach, verschiedene Formulierungen zu mischen und die Auswirkungen der Beschallungsintensität und der Beschallungsdauer zu bestimmen.

Mischen with Ultraschall in the production

Die Ausrüstung, die für die Ultraschall-Messung notwendig ist, kann exakt linear zu den Laborversuchen erfolgen. „up-gescalt“ are. Die untenstehende Tabelle zeigt allgemeine gültige Geräteempfehlungen, die auf dem jeweils beschallten Batchvolumen bzw. auf der Durchflussrate basieren.

Inline-Mischen

Hielscher Ultraschall-Mischer are for gewöhnlich in Inline-Verfahren installiert. Das Material ist im Ultraschallreaktor gepumpt, wo es die hochintensive Ultraschallkavitation ausgesetzt ist. The Inline-Beschallung verhindert ein Vorbeifließen, so dass alle Partikel die Mischkammer auf einem vorgegebenen Weg passieren. Deshalb wird die Partikelgrößenverteilungs-Kurve durch die Beschreibungen mit Ultraschall vielmehr verschoben, als dass die Partikelgröße erreicht wird.

Robust und pflegeleicht

Ein Reaktor für das Ultraschall-Medium ist eine Durchflusszelle und eine Sonotrode. Es werden keine Lager benötigt. Durchflussreaktoren (Edelstahl) weisen eine einfache Geometrie auf und können problemlos zerlegt and gereinigt are. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder versteckten Winkel, die nur erreichbar sind.

Andere Ultraschallanwendungen für Zement und Beton

The Einsatz of Hielscher Ultraschallgeräte beschränkt sich nicht auf das Mischen und Dispergieren von Zementvormischungen oder Beton. Ultraschall stellt auch eine äußerst effektive Methode zur Verfügung. Flüssigkeiten und Schlämme zu entgasen. Dadurch werden der Gehalt und das Volumen des Gasbläschens reduziert, die nach den Aushärten im Beton eingeschlossen sind.

Ultraschall Siebgeräte erhöhen den Durchsatz und die Qualität des Pulvers, indem sie die kleinen Partikel durchgesiebt werden. Hielscher bietet ultraschallangeregte Siebe for Labor- and Industrieanwendungen.