Ultraschallmischen für Hochleistungsbeton
Der Einsatz von Mikro- und Nanosilica oder Nanoröhren verbessert die Druckfestigkeit von Hochleistungsbeton. Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Verfahren zum Mischen, Benetzen und Dispergieren von Nanomaterialien in Zement oder Beton.
Mikrosilica wird heute vielfach in Beton eingesetzt und führt zu einer höheren Druckfestigkeit oder zu wasser- und chemikalienbeständigen Betonen. Dadurch lassen sich Materialkosten und Energieverbrauch senken. Neue Nanomaterialien wie Nanosilica oder Nanoröhren verbessern die Beständigkeit und Festigkeit weiter. Um das volle Potenzial von Nanomaterialien auszuschöpfen, ist jedoch eine zuverlässige und effiziente Dispergiertechnik erforderlich. Ultraschallgeräte mit Sonotrode bieten die zuverlässigste und wirksamste Technik zur Herstellung von Nanodispersionen, selbst in hochviskosen und pastösen Suspensionen wie Zement und Beton.
Dispergieren von Feinstzementsuspensionen mit Ultraschallmischern
In ihrem Forschungsartikel untersucht das Forschungsteam um Draganović die Dispergierung von Feinstzementsuspensionen mithilfe von Ultraschalltechnologie und herkömmlichen Labordissolvern. Ziel der Studie ist es, die Leistungsfähigkeit von Ultraschall – in dieser Studie speziell des Ultraschallgeräts UP400St – mit herkömmlichen Methoden zur Dispergierung von Zementsuspensionen zu vergleichen.
Die Forschenden führten eine Reihe von Experimenten mit verschiedenen Dispergiertechniken durch, um die Partikelgrößenverteilung (PSD) und das Zetapotenzial der Feinstzementpartikel zu bewerten. Die Dispergiertechniken umfassen die Ultraschallbehandlung mit dem Ultraschallgerät UP400St, Hochgeschwindigkeits-Labordissolver und die Kombination beider Methoden.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultraschall-Inline-Dispergierung für die industrielle Inline-Produktion von Hochleistungszement und -beton.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Ultraschalldispergierung mit dem Ultraschallgerät UP400St eine deutlich bessere Partikelgrößenverteilung als herkömmliche Labordissolver erzielte. Das Ultraschallgerät UP400St reduziert wirksam die Agglomeration von Feinstzementpartikeln und erzeugt eine homogenere und stabilere Zementsuspension. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Verteilung kleinerer Partikel und führt dadurch zu einer engeren Partikelgrößenverteilung.
Verglichene Dispergiermethoden: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 Dissolver, ausgestattet 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 verbessert die Kombination von Ultraschall und herkömmlichen Labordissolvern die Dispergiereffizienz weiter und erzielt eine noch feinere Partikelgrößenverteilung als die alleinige Ultraschallbehandlung. Bei der Kombination sorgt die Beschallung für die Mikromischung und Nanodispergierung, während der Dissolver zur Makromischung beiträgt und sicherstellt, dass alle Partikel in die Ultraschallkavitationszone gelangen. Dies ermöglicht im Chargenbetrieb eine bessere Kontrolle der Partikelgrößenverteilung (PSD) und des Zetapotenzials der Feinstzementsuspension. Beim Einsatz eines Durchflusszellenreaktors durchläuft die Partikelsuspension automatisch die Zone intensivster Kavitation, sodass zusätzliches Rühren überflüssig ist.
Insgesamt hebt die Studie die überlegene Leistungsfähigkeit des Ultraschallgeräts UP400St bei der Dispergierung von Feinstzementsuspensionen hervor. Die Ultraschallbehandlung bietet insbesondere in Kombination mit herkömmlichen Labordissolvern eine hochwirksame und effiziente Methode zur Herstellung einer gleichmäßigen und stabilen Suspension von Feinstzementpartikeln.
Hervorzuheben ist, dass der Artikel einen umfassenden Vergleich zwischen Ultraschall und herkömmlichen Dispergiermethoden bietet und dabei die überlegene Leistungsfähigkeit der Beschallung bei der Dispergierung von Zementsuspensionen aufzeigt.
(vgl. Draganović et al., 2020)
Der Ultraschallhomogenisator UP400St wird hinsichtlich der Dispergiereffizienz bei Zementsuspensionen mit einem herkömmlichen Labormischer mit Scheibe sowie mit der Rotor-Stator-Technik verglichen. Die Studie zeigte, dass die Ultraschalldispergierung nicht nur eine wirksame Methode ist, sondern sogar bessere Ergebnisse als ein Mischer mit Rotor-Stator-Technik liefert.
(Studie und Grafik: © Draganović et al., 2020)
Betonforschung und -entwicklung
Die Betonforschung sucht nach Materialien und Verfahren, um:
- Material- und Energiekosten zu senken
- eine hohe Anfangs- und Endfestigkeit zu erzielen
- Dichte und Druckfestigkeit zu verbessern
- Verarbeitbarkeit, Pumpbarkeit und Oberflächenbearbeitbarkeit zu verbessern
- die Dauerhaftigkeit zu verbessern und die Durchlässigkeit zu verringern
- Schwindrisse, Absanden und Probleme durch Schichtablösungen zu reduzieren
- chemische Beständigkeit, z. B. Sulfatbeständigkeit
Mischen von Zement und Beton
Bei der Verbesserung der Betoneigenschaften ist die Mischtechnik 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 regeln, bleibt der eigentliche Prozess des Zement- und Betonmischens dem Anwender überlassen.
Entscheidend ist, dass Wasser, Zement und Zusatzmittel gleichmäßig bis in den Feinbereich dispergiert und verteilt werden und dass Agglomerate ausreichend dispergiert werden. Unzureichende Dispergierung oder Deagglomeration führt zu schlechteren Betoneigenschaften. Aufgrund des niedrigen Wassergehalts und der hohen Zusatzmitteldosierung erfordert das Mischen von selbstverdichtendem Beton (SCC) und ultrahochfestem Beton (UHPC) eine längere Mischzeit oder eine wirksamere Mischtechnik.
Erfahren Sie, wie Leistungsultraschall die Hydratation und Festigkeitsentwicklung von Zementleimen verbessert und beschleunigt!
Nanomaterialien in Beton
Während der Hydratation des Zements bilden sich im erhärtenden Beton nanoskalige Hydratationsprodukte wie Calciumhydrate. Silica-Nanopartikel oder Nanoröhren werden während der Verfestigung des Betons zu Zementnanopartikeln. Kleinere Partikel führen zu geringeren Partikelabständen und einem dichteren, weniger porösen Material. Dies erhöht die Druckfestigkeit und verringert die Durchlässigkeit.
Ein wesentlicher Nachteil nanoskaliger Pulver und Materialien ist jedoch ihre Neigung, beim Benetzen und Mischen Agglomerate zu bilden. Werden die einzelnen Partikel nicht gut dispergiert, verringert die Agglomeration die zugängliche Partikeloberfläche, was zu schlechteren Betoneigenschaften führt.
Der Ultraschallprozessor UIP16000 ist ein Hochleistungshomogenisator zur Dispergierung von Zement und Beton
Ultraschallmischen: Homogene Dispergierung von Nanomaterialien in Zementleimen
Die Ultraschallbehandlung ist ein sehr wirksames Verfahren zum Mischen, Dispergieren und zur Deagglomeration. Die folgende Abbildung zeigt ein typisches Ergebnis der Ultraschalldispergierung von pyrogener Kieselsäure in Wasser.
Lesen Sie mehr über nanoverstärkte Zementmörtel durch Ultraschalldispergierung!
Ausgehend von einer Agglomeratpartikelgröße von mehr als 200 Mikrometern (D50) in der grünen Kurve wurde die Größe der meisten Partikel auf weniger als 200 Nanometer reduziert.
Ultraschallmischen in jedem Maßstab
Hielscher bietet Ultraschallmischgeräte für den Einsatz in der Forschung und für die Verarbeitung im industriellen Maßstab.
Ultraschallgeräte für Forschung und Entwicklung im Labor
Die Ultraschall-Laborhomogenisatoren von Hielscher sind das ideale Mischwerkzeug für Forschung und Entwicklung im Labormaßstab. Die Labor-Ultraschallgeräte von Hielscher werden typischerweise zum Ultraschallmischen kleiner Chargen eingesetzt. Die Ultraschallhomogenisatoren von Hielscher bieten eine präzise Parameterkontrolle und hervorragende Reproduzierbarkeit zur Vorbereitung der Maßstabsvergrößerung. Dadurch lassen sich verschiedene Rezepturen einfach mischen und der Einfluss der Ultraschallintensität und der Beschallungsdauer bestimmen.
Ultraschall-Inline-Mischen in der Produktion
Die für die Maßstabsvergrößerung benötigte Ultraschallmischausrüstung lässt sich anhand des Laborversuchs genau bestimmen. Zur Verarbeitung großer Volumenströme von Zement oder Beton werden Hochleistungs-Ultraschallgeräte üblicherweise im kontinuierlichen Durchflussbetrieb mit Durchflussreaktoren eingesetzt. Dies ermöglicht eine äußerst gleichmäßige Mischung und die einwandfreie Verarbeitung von Pasten und Suspensionen – selbst bei sehr hohen Viskositäten.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte in Abhängigkeit vom zu verarbeitenden Chargenvolumen oder Volumenstrom:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 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 150L | 3 bis 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | größer | Verbund aus UIP16000 |
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Literatur / Quellen
- Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.
- Peters, Simone (2017): The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions. Doctoral Thesis Bauhaus-Universität Weimar, 2017.
- N.-M. Barkoula, C. Ioannou, D.G. Aggelis, T.E. Matikas (2016): Optimization of nano-silica’s addition in cement mortars and assessment of the failure process using acoustic emission monitoring. Construction and Building Materials, Volume 125, 2016. 546-552.
- Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2; 2016.
- Amani, Mahmood; Retnanto, Albertus; Aljuhani, Salem; Al-Jubouri, Mohammed; Shehada, Salem; Yrac, Rommel (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. Conference: International Petroleum Technology Conference 2015.
Inline-Mischen von Zement mit einem Ultraschallgerät
Die Ultraschallmischer von Hielscher werden typischerweise inline installiert. Das Material wird in den Ultraschallreaktorbehälter gepumpt. Dort wird es intensiver Ultraschallkavitation ausgesetzt. Die Inline-Beschallung verhindert ein Umgehen der Behandlungszone, da alle Partikel die Mischkammer auf einem definierten Weg durchlaufen. Daher verschiebt die Ultraschallbehandlung typischerweise die Partikelgrößenverteilungskurve, anstatt sie zu verbreitern.
Robust und leicht zu reinigen
Ein Ultraschallmischreaktor besteht aus der Durchflusszelle und den Sonotroden. Lager werden nicht benötigt. Durchflusszellenreaktoren aus Edelstahl haben einfache Geometrien und lassen sich leicht zerlegen und reinigen. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder verborgenen Ecken.
Weitere Ultraschallanwendungen für Zement und Beton
Der Einsatz der Ultraschallgeräte von Hielscher bei der Herstellung von Zementen und Betonen beschränkt sich nicht auf das Mischen und Dispergieren von Zementvormischungen oder Betonen. Ultraschall ist ein sehr wirksames Verfahren zur Entgasung von Flüssigkeiten und Suspensionen. Dadurch werden Anzahl und Volumen der nach dem Erhärten im Beton eingeschlossenen Gasblasen reduziert.
Ultraschall-Siebschüttler verbessern den Durchsatz und die Qualität beim Sieben von Pulvern mit kleinen Partikeln. Hielscher bietet durch Ultraschall angeregte Siebe für Labor- und Industrieanwendungen.
Hintergrundinformationen zu Beton
Beton besteht aus Zement, z. B. Portlandzement, und anderen zementartigen Materialien wie Flugasche und Hüttenzement, Gesteinskörnung (Kies, Kalkstein, Granit, Sand), Wasser und chemischen Zusatzmitteln. Typische Zusatzmittel und Zusatzstoffe sind Beschleuniger oder Verzögerer, Betonverflüssiger, Pigmente, Silicastaub oder hochreaktives Metakaolin (HRM). Mikrosilica ist ein typischer Betonzusatzstoff. Nachteile sind die relativ hohen Kosten und die Belastung durch Verunreinigungen, die die Gesundheit von Bedienpersonal und Beschäftigten beeinträchtigt.