Ανάμειξη με υπερήχους για σκυρόδεμα υψηλών επιδόσεων
Η χρήση μικροπυριτίας και νανοπυριτίας ή νανοσωλήνων οδηγεί σε βελτιώσεις της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέματος υψηλών επιδόσεων. Η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί αποτελεσματικό μέσο για την ανάμειξη, τη διαβροχή και τη διασπορά νανοϋλικών σε τσιμέντο ή σκυρόδεμα.
Η μικροπυριτία χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως στο σκυρόδεμα, οδηγώντας σε υψηλότερη θλιπτική αντοχή ή σε σκυροδέματα ανθεκτικά στο νερό και στις χημικές ουσίες. Αυτό μπορεί να μειώσει το κόστος των υλικών και την κατανάλωση ενέργειας. Νέα νανοϋλικά, όπως η νανοπυριτία ή οι νανοσωλήνες, οδηγούν σε περαιτέρω βελτιώσεις της ανθεκτικότητας και της αντοχής. Ωστόσο, για να αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητες των νανοϋλικών, απαιτείται μια αξιόπιστη και αποδοτική τεχνική διασποράς. Οι συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα αποτελούν την πλέον αξιόπιστη και αποτελεσματική τεχνική για την παραγωγή νανοδιασπορών, ακόμη και σε πολτούς υψηλού ιξώδους και παστώδους σύστασης, όπως το τσιμέντο και το σκυρόδεμα.
Διασπορά ενέματος υπέρλεπτου τσιμέντου με αναμεικτήρες υπερήχων
Η ερευνητική ομάδα του Draganović παρουσιάζει ένα ερευνητικό άρθρο, στο οποίο οι συγγραφείς διερευνούν τη διασπορά ενέματος υπέρλεπτου τσιμέντου με τη χρήση τεχνολογίας υπερήχων και συμβατικών εργαστηριακών διασπορέων. Η μελέτη αποσκοπεί στη σύγκριση της απόδοσης των υπερήχων – συγκεκριμένα, στη μελέτη, της συσκευής υπερήχων UP400St – με τις παραδοσιακές μεθόδους διασποράς ενεμάτων.
Οι ερευνητές διεξήγαγαν μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές διασποράς για να αξιολογήσουν την κατανομή μεγέθους σωματιδίων (PSD) και το δυναμικό ζήτα των σωματιδίων υπέρλεπτου τσιμέντου. Οι τεχνικές διασποράς περιλαμβάνουν την κατεργασία με υπερήχους με τη συσκευή UP400St, εργαστηριακούς διασπορείς υψηλών στροφών και τον συνδυασμό των δύο μεθόδων.
MultiSonoReactor MSR-4: Διασπορά με υπερήχους εντός γραμμής για τη βιομηχανική παραγωγή τσιμέντου και σκυροδέματος υψηλών επιδόσεων εντός γραμμής.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η διασπορά με υπερήχους με τη συσκευή UP400St πέτυχε σημαντικά καλύτερη κατανομή μεγέθους σωματιδίων σε σύγκριση με τους συμβατικούς εργαστηριακούς διασπορείς. Η συσκευή υπερήχων UP400St μειώνει αποτελεσματικά τη συσσωμάτωση των σωματιδίων υπέρλεπτου τσιμέντου και παράγει ένα πιο ομοιογενές και σταθερό αιώρημα ενέματος. Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει την κατανομή των μικρότερων σωματιδίων, με αποτέλεσμα ένα στενότερο εύρος κατανομής μεγέθους σωματιδίων.
Μέθοδοι διασποράς που συγκρίθηκαν: διασπορέας Vma-Getzmann Dispermat CV-3 εξοπλισμένος με δίσκο 90-mm και σύστημα ρότορα-στάτορα. Συσκευή υπερήχων Hielscher UP400St εξοπλισμένη με ηχοτρόδιο H22.
(Μελέτη και εικόνες: ©Draganovic et al., 2020)
Επιπλέον, η χρήση υπερήχων σε συνδυασμό με συμβατικούς εργαστηριακούς διασπορείς βελτιώνει περαιτέρω την αποδοτικότητα της διασποράς, επιτυγχάνοντας ακόμη λεπτότερη κατανομή μεγέθους σωματιδίων σε σύγκριση με την κατεργασία μόνο με υπερήχους. Όταν οι μέθοδοι συνδυάζονται, η κατεργασία με υπερήχους παρέχει τη μικροανάμειξη και τη νανοδιασπορά, ενώ ο διασπορέας συμβάλλει στη μακροανάμειξη, εξασφαλίζοντας ότι όλα τα σωματίδια εισέρχονται στη ζώνη σπηλαίωσης των υπερήχων. Αυτό επιτρέπει καλύτερο έλεγχο της κατανομής μεγέθους σωματιδίων (PSD) και του δυναμικού ζήτα του ενέματος υπέρλεπτου τσιμέντου κατά τη λειτουργία κατά παρτίδες. Όταν χρησιμοποιείται αντιδραστήρας με κυψελίδα ροής, το αιώρημα των σωματιδίων διέρχεται αυτόματα από τη ζώνη έντονης σπηλαίωσης, οπότε η πρόσθετη ανάδευση είναι περιττή.
Συνολικά, η μελέτη αναδεικνύει την ανώτερη απόδοση της συσκευής υπερήχων UP400St στη διασπορά ενέματος υπέρλεπτου τσιμέντου. Η κατεργασία με υπερήχους, ιδίως όταν συνδυάζεται με συμβατικούς εργαστηριακούς διασπορείς, προσφέρει μια ιδιαίτερα αποτελεσματική και αποδοτική μέθοδο για την επίτευξη ενός ομοιόμορφου και σταθερού αιωρήματος σωματιδίων υπέρλεπτου τσιμέντου.
Αξίζει να σημειωθεί ότι το άρθρο παρέχει μια ολοκληρωμένη σύγκριση μεταξύ των υπερήχων και των συμβατικών μεθόδων διασποράς, αναδεικνύοντας την ανώτερη απόδοση της κατεργασίας με υπερήχους στη διασπορά ενεμάτων.
(πρβλ. Draganović et al., 2020)
Ο ομογενοποιητής υπερήχων UP400St συγκρίνεται ως προς την απόδοση διασποράς του τσιμεντενέματος με έναν συνηθισμένο εργαστηριακό αναμικτήρα εξοπλισμένο με δίσκο και με τη χρήση της τεχνικής ρότορα-στάτορα. Η μελέτη έδειξε ότι η διασπορά με υπερήχους δεν είναι μόνο μια αποτελεσματική μέθοδος, αλλά είναι ακόμη καλύτερη από έναν αναμικτήρα που χρησιμοποιεί την τεχνική ρότορα-στάτορα.
(μελέτη και γράφημα: © Draganović et al., 2020)
Έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα του σκυροδέματος
Η έρευνα στον τομέα του σκυροδέματος αναζητά υλικά και διεργασίες για:
- τη μείωση του κόστους υλικών και του ενεργειακού κόστους
- την επίτευξη υψηλής αρχικής και τελικής αντοχής
- τη βελτίωση της πυκνότητας και της θλιπτικής αντοχής
- τη βελτίωση της εργασιμότητας, της αντλησιμότητας και της δυνατότητας τελικής επιφανειακής διαμόρφωσης
- τη βελτίωση της ανθεκτικότητας και τη μείωση της διαπερατότητας
- τη μείωση των ρωγμών συρρίκνωσης, της δημιουργίας επιφανειακής σκόνης και των προβλημάτων αποκόλλησης στρώσεων
- τη χημική αντοχή, π.χ. την αντοχή στα θειικά
Ανάμιξη τσιμέντου και σκυροδέματος
Όσον αφορά τη βελτίωση των ιδιοτήτων του σκυροδέματος, η τεχνολογία ανάμιξης είναι εξίσου σημαντική με τη σύνθεση του σκυροδέματος. Η ανάμιξη αποτελεί απαραίτητο στάδιο για την παραγωγή ομοιόμορφου σκυροδέματος υψηλής ποιότητας. Παρόλο που πολυάριθμες κατευθυντήριες οδηγίες και κανονισμοί, π.χ. το DIN EN 206, καλύπτουν τη σύνθεση του σκυροδέματος και τα συστατικά του, η ίδια η διαδικασία ανάμιξης του τσιμέντου και του σκυροδέματος επαφίεται στον χρήστη.
Είναι καθοριστικό το νερό, το τσιμέντο και τα πρόσμικτα να διασπείρονται και να κατανέμονται ομοιόμορφα έως και σε λεπτή κλίμακα και τα συσσωματώματα να διασπείρονται επαρκώς. Η ανεπαρκής διασπορά ή αποσυσσωμάτωση οδηγεί σε υποδεέστερες ιδιότητες του σκυροδέματος. Λόγω της χαμηλής περιεκτικότητας σε νερό και της υψηλής δοσολογίας προσμίκτων, η ανάμιξη αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος (SCC) και σκυροδέματος υπερυψηλής αντοχής (UHPC) απαιτεί μεγαλύτερο χρόνο ανάμιξης ή αποτελεσματικότερη τεχνολογία ανάμιξης.
Μάθετε πώς οι υπέρηχοι ισχύος βελτιώνουν και επιταχύνουν την ενυδάτωση και την ανάπτυξη αντοχής των τσιμεντοπολτών!
Νανοϋλικά στο σκυρόδεμα
Κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου, σχηματίζονται στο σκυρόδεμα που σκληραίνει προϊόντα ενυδάτωσης νανοκλίμακας, όπως ένυδρες ενώσεις ασβεστίου. Τα νανοσωματίδια διοξειδίου του πυριτίου ή οι νανοσωλήνες μετατρέπονται σε νανοσωματίδια τσιμέντου κατά τη στερεοποίηση του σκυροδέματος. Τα μικρότερα σωματίδια οδηγούν σε μικρότερες αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων και σε ένα πυκνότερο και λιγότερο πορώδες υλικό. Αυτό αυξάνει τη θλιπτική αντοχή και μειώνει τη διαπερατότητα.
Ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα των σκονών και των υλικών νανομεγέθους είναι η τάση σχηματισμού συσσωματωμάτων κατά τη διαβροχή και την ανάμιξη. Εάν τα μεμονωμένα σωματίδια δεν διασπείρονται καλά, η συσσωμάτωση μειώνει την εκτεθειμένη επιφάνεια των σωματιδίων, οδηγώντας σε υποδεέστερες ιδιότητες του σκυροδέματος.
Ο επεξεργαστής υπερήχων UIP16000 είναι ένας ομογενοποιητής υψηλών επιδόσεων για τη διασπορά τσιμέντου και σκυροδέματος
Ανάμιξη με υπερήχους: Ομοιογενής διασπορά νανοϋλικών σε τσιμεντοπολτούς
Η κατεργασία με υπερήχους είναι ένα πολύ αποτελεσματικό μέσο για την ανάμιξη, τη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα τυπικό αποτέλεσμα διασποράς πυρογενούς διοξειδίου του πυριτίου σε νερό με υπερήχους.
Διαβάστε περισσότερα για τα νανοενισχυμένα τσιμεντοκονιάματα με χρήση διασποράς με υπερήχους!
Με αρχικό μέγεθος σωματιδίων των συσσωματωμάτων μεγαλύτερο από 200 μικρόμετρα (D50) (πράσινη καμπύλη), το μέγεθος των περισσότερων σωματιδίων μειώθηκε σε λιγότερο από 200 νανόμετρα.
Ανάμιξη με υπερήχους σε κάθε κλίμακα
Η Hielscher προσφέρει συσκευές ανάμιξης με υπερήχους για χρήση στην έρευνα και στην επεξεργασία σε πλήρη κλίμακα.
Συσκευές κατεργασίας με υπερήχους για εργαστηριακή έρευνα και ανάπτυξη
Οι εργαστηριακοί ομογενοποιητές υπερήχων της Hielscher είναι το ιδανικό εργαλείο ανάμιξης για έρευνα και ανάπτυξη σε εργαστηριακή κλίμακα. Οι εργαστηριακές συσκευές κατεργασίας με υπερήχους της Hielscher χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανάμιξη μικρών παρτίδων με υπερήχους. Οι ομογενοποιητές υπερήχων της Hielscher προσφέρουν ακριβή έλεγχο των παραμέτρων και εξαιρετική αναπαραγωγιμότητα για την προετοιμασία της αύξησης της κλίμακας παραγωγής. Αυτό διευκολύνει την ανάμιξη διαφορετικών συνθέσεων και τον προσδιορισμό της επίδρασης της έντασης και της διάρκειας της κατεργασίας με υπερήχους.
Ανάμιξη με υπερήχους εντός γραμμής στην παραγωγή
Ο εξοπλισμός ανάμειξης με υπερήχους που απαιτείται για την αύξηση της κλίμακας παραγωγής μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια βάσει της εργαστηριακής δοκιμής. Για την επεξεργασία ρευμάτων τσιμέντου ή σκυροδέματος μεγάλου όγκου, οι συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων λειτουργούν συνήθως σε συνεχή ροή με χρήση αντιδραστήρων διέλευσης. Αυτό επιτρέπει εξαιρετικά ομοιόμορφη ανάμειξη και άψογη επεξεργασία παστών και πολφών – ακόμη και με πολύ υψηλό ιξώδες.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας, ανάλογα με τον όγκο της παρτίδας ή την παροχή προς επεξεργασία:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 έως 150L | 3 έως 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.
Ανάμειξη τσιμέντου εντός γραμμής με συσκευή υπερήχων
Οι αναμείκτες υπερήχων Hielscher εγκαθίστανται συνήθως εντός γραμμής. Το υλικό αντλείται στο δοχείο του αντιδραστήρα υπερήχων. Εκεί εκτίθεται σε έντονη σπηλαίωση υπερήχων. Η κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής εξαλείφει την παράκαμψη, καθώς όλα τα σωματίδια διέρχονται από τον θάλαμο ανάμειξης ακολουθώντας μια καθορισμένη διαδρομή. Επομένως, η κατεργασία με υπερήχους συνήθως μετατοπίζει την καμπύλη κατανομής μεγέθους σωματιδίων αντί να τη διευρύνει.
Ανθεκτικός και εύκολος στον καθαρισμό
Ένας αντιδραστήρας ανάμειξης με υπερήχους αποτελείται από την κυψελίδα ροής και τα ηχοτρόδια. Δεν απαιτούνται έδρανα. Οι αντιδραστήρες κυψελίδας ροής (από ανοξείδωτο χάλυβα) έχουν απλές γεωμετρίες και μπορούν εύκολα να αποσυναρμολογηθούν και να καθαριστούν. Δεν υπάρχουν μικρά στόμια ή κρυφές γωνίες.
Άλλες εφαρμογές των υπερήχων για το τσιμέντο και το σκυρόδεμα
Η χρήση των συσκευών υπερήχων Hielscher στην παρασκευή τσιμέντων και σκυροδεμάτων δεν περιορίζεται στην ανάμειξη και τη διασπορά προμειγμάτων τσιμέντου ή σκυροδεμάτων. Οι υπέρηχοι αποτελούν ένα πολύ αποτελεσματικό μέσο για την απαέρωση υγρών και πολφών. Αυτό μειώνει τον αριθμό και τον όγκο των φυσαλίδων αερίου που παραμένουν εγκλωβισμένες στο σκυρόδεμα μετά τη σκλήρυνση.
Οι δονητές κοσκίνων υπερήχων βελτιώνουν τη δυναμικότητα και την ποιότητα της κοσκίνισης σκονών με μικρά σωματίδια. Η Hielscher προσφέρει κόσκινα που διεγείρονται με υπερήχους για εργαστηριακές και βιομηχανικές εφαρμογές.
Βασικές πληροφορίες για το σκυρόδεμα
Το σκυρόδεμα αποτελείται από τσιμέντο, π.χ. τσιμέντο Portland, και άλλα τσιμεντοειδή υλικά, όπως ιπτάμενη τέφρα και σκωριοτσιμέντο, αδρανή (χαλίκι, ασβεστόλιθο, γρανίτη, άμμο), νερό και χημικά πρόσμικτα. Τα συνήθη πρόσμικτα περιλαμβάνουν επιταχυντές ή επιβραδυντές, πλαστικοποιητές, χρωστικές, πυριτική παιπάλη ή μετακαολίνη υψηλής δραστικότητας (HRM). Η μικροπυριτία είναι ένα σύνηθες πρόσμικτο στο σκυρόδεμα. Μειονέκτημά της είναι το σχετικά υψηλό κόστος της και η ρύπανση που επηρεάζει την υγεία των χειριστών και των εργαζομένων.