Desaglomeración de partículas de cemento mediante ultrasonidos de potencia
Los sonicadores de sonda se utilizan con frecuencia para la desaglomeración de partículas de cemento. Este método elimina la necesidad de medios de molienda, simplifica el proceso al hacer innecesarias la filtración y la limpieza intensiva, y proporciona una reducción eficaz del tamaño de las partículas. Además, la sonicación reduce la dependencia de dispersantes y utiliza equipos más compactos y eficientes energéticamente, lo que la convierte en una solución muy ventajosa para la dispersión y desaglomeración de partículas de cemento.
Ventajas de la desaglomeración ultrasónica de partículas de cemento
El cemento es uno de los materiales más esenciales en la construcción, ampliamente utilizado por sus propiedades aglutinantes. Sin embargo, para conseguir un rendimiento óptimo es necesario que la distribución de las partículas sea uniforme, ya que las partículas aglomeradas pueden afectar negativamente al rendimiento del cemento. La desaglomeración por ultrasonidos se ha revelado como una potente técnica para afrontar este reto.
Sonicadores industriales para la desaglomeración de partículas de cemento de alto rendimiento.
- Dispersión mejorada de partículas: La desaglomeración ultrasónica dispersa eficazmente las partículas de cemento, garantizando una distribución uniforme del tamaño de las partículas. Esta uniformidad es crucial para lograr una resistencia y durabilidad constantes en los materiales cementosos.
- Hidratación mejorada: El aumento de la superficie de las partículas desaglomeradas mejora el proceso de hidratación, lo que conduce a una mejor adherencia y a una mayor resistencia del producto final. Una mejor hidratación también reduce el riesgo de reacciones incompletas y puntos débiles en la matriz de cemento.
- Mayor trabajabilidad: Las partículas de cemento bien dispersas dan como resultado una mezcla más manejable, facilitando su mezcla, vertido y acabado. Esta mejor trabajabilidad puede acelerar los tiempos de construcción y reducir los costes de mano de obra.
- Propiedades mecánicas mejoradas: La desaglomeración ultrasónica contribuye al desarrollo de una microestructura más densa y homogénea en los materiales a base de cemento. Esto se traduce en una mejora de las propiedades mecánicas, como la resistencia a la compresión y a la tracción.
- Reducción del uso de aditivos: Al conseguir una mejor dispersión mediante la desaglomeración por ultrasonidos, se puede minimizar la necesidad de dispersantes químicos y otros aditivos. Esto no sólo reduce los costes, sino que también disminuye el impacto medioambiental de la producción de cemento.
- Rentabilidad: Independientemente de la inversión inicial en un ultrasonido industrial, los beneficios a largo plazo de la mejora de la calidad del producto, la reducción del uso de aditivos y la mejora del rendimiento lo convierten en una solución rentable para la industria cementera.
| Aspecto comparativo | Molienda de bolas para partículas de cemento | Desaglomeración ultrasónica de partículas de cemento |
|---|---|---|
| Método | Utiliza bolas de acero o sílice como medios de molienda | Utiliza ondas ultrasónicas de alta intensidad para crear cavitación acústica y fuerzas de cizallamiento sonomecánicas. |
| Sustitución de bolas | Sustitución frecuente de las bolas de acero o sílice | Sin medios de molienda, lo que elimina los costes de sustitución |
| Filtración posterior al proceso | Necesario para filtrar los medios de molienda | No es necesario, simplifica el proceso |
| Requisitos de limpieza | Limpieza laboriosa y lenta de los medios de molienda y la cámara | Limpieza mínima, las sondas ultrasónicas son más fáciles de mantener |
| Eficacia en la gama de partículas finas | Ineficiente para partículas en el 0 – Alcance de 100 µm, requiere mucho tiempo | Altamente eficaz para tamaños de partículas finas, incluido el 0 – Gama de 100 µm |
| Requisito de dispersante | Se necesita una gran cantidad de dispersante | Menor necesidad de dispersantes gracias a las potentes fuerzas de cavitación y cizallamiento |
| Características del equipo | Grande, voluminoso, poco eficiente energéticamente, requiere mucho mantenimiento y limpieza | Compacto, eficiente energéticamente, menos mantenimiento, más fácil de manejar y seguro de utilizar |
Estudio de caso: Dispersión de lechada de cemento microfino con mezcladores ultrasónicos
El equipo de investigación dirigido por Draganović presenta una investigación exhaustiva sobre la dispersión de lechada de cemento microfino mediante tecnología de ultrasonidos en comparación con los disolventes de laboratorio convencionales. El estudio se centra específicamente en el rendimiento del sonicador UP400St en relación con los métodos tradicionales de dispersión de lechadas.
Los investigadores realizaron una serie de experimentos empleando diversas técnicas de dispersión para evaluar la distribución del tamaño de las partículas (PSD) y el potencial zeta de las partículas microfinas de cemento. Las técnicas evaluadas incluyen el tratamiento por ultrasonidos con el sonicador UP400St, disolventes de laboratorio de alta velocidad y una combinación de ambos métodos.
Los resultados revelan que la dispersión por ultrasonidos utilizando el sonicador UP400St mejora significativamente la distribución del tamaño de las partículas en comparación con los disolventes de laboratorio convencionales. El sonicador UP400St mitiga eficazmente la aglomeración de partículas microfinas de cemento, produciendo una suspensión de lechada más homogénea y estable. El tratamiento por ultrasonidos mejora la distribución de las partículas más pequeñas, dando como resultado un rango de distribución granulométrica más estrecho.
El homogeneizador ultrasónico UP400St se compara en cuanto a eficacia de dispersión de lechada de cemento con un mezclador de laboratorio ordinario equipado con un disco, y utilizando la técnica de rotor-estator. El estudio demostró que la dispersión ultrasónica no sólo es un método eficaz, sino que es incluso mejor que un mezclador que utiliza la técnica de rotor-estator.
(estudio y gráfico: © Draganović et al., 2020)
Además, la combinación de ultrasonidos con disolventes convencionales de laboratorio mejora la eficacia de la dispersión, consiguiendo una distribución granulométrica aún más fina que el tratamiento con ultrasonidos por sí solo. Esta combinación permite mejorar el control de la PSD y el potencial zeta de la lechada de cemento microfino en operaciones por lotes. En los sistemas de flujo continuo, la suspensión de partículas pasa automáticamente a través de la zona del punto caliente de cavitación, haciendo innecesaria la agitación adicional.
El estudio subraya el rendimiento superior del sonicador UP400St en la dispersión de lechada de cemento microfino. El tratamiento por ultrasonidos, especialmente cuando se combina con disolventes de laboratorio convencionales, ofrece un método eficaz y eficiente para conseguir una suspensión uniforme y estable de partículas de cemento microfino.
Esta investigación ofrece una comparación detallada entre los métodos de dispersión por ultrasonidos y convencionales, destacando la eficacia superior de la sonicación en la dispersión de lechadas.
(cf. Draganović et al., 2020)
Métodos de dispersión comparados: Dispersor Vma-Getzmann Dispermat CV-3 equipado con un disco de 90 mm, un sistema rotor-estator (R/S) y Sonicador Hielscher UP400St equipado con un sonotrodo H22.
(Estudio e imágenes: ©Draganovic et al., 2020)
Sonómetro UP400St para la dispersión de lechada de cemento microfino
(Estudio e imagen: ©Draganovic et al., 2020)
Aplicaciones de los sonicadores en la industria cementera
La utilización de los efectos ventajosos de los ultrasonidos de alta potencia en la desaglomeración de partículas de cemento y lechada abre numerosos campos de aplicación en la industria cementera, permitiendo mejorar las características del material y la calidad del producto final.
- Molienda húmeda de partículas de cemento: La sonicación por sonda es un método muy eficaz y eficiente desde el punto de vista energético para moler partículas de cemento. Más información sobre la molienda húmeda de cemento por ultrasonidos.
- Producción de hormigón de alto rendimiento: Los sonicadores de sonda se utilizan para producir hormigón de alto rendimiento garantizando la dispersión uniforme de partículas finas de cemento y materiales cementantes suplementarios como cenizas volantes y humo de sílice. El resultado es un hormigón con propiedades mecánicas y durabilidad superiores.
- Desarrollo de nanocompuestos: En investigación y desarrollo, los sonicadores tipo sonda facilitan la incorporación de nanopartículas a las matrices de cemento, creando nanocompuestos con propiedades mejoradas, como mayor resistencia, tenacidad y resistencia a la degradación medioambiental.
- Optimización del rendimiento de los aditivos: La desaglomeración ultrasónica ayuda a optimizar el rendimiento de los aditivos químicos, como los superplastificantes y los agentes aireantes, garantizando su distribución uniforme en la matriz de cemento. Esto mejora la trabajabilidad y el rendimiento del producto final.
Sonicators de alto rendimiento para la dispersión y desaglomeración de partículas de cemento
La desaglomeración por ultrasonidos mediante sonicadores tipo sonda ofrece importantes ventajas para la industria cementera. Al mejorar la dispersión de partículas, la hidratación y la trabajabilidad, estos dispositivos contribuyen a la producción de materiales cementosos de alta calidad. El control preciso, la escalabilidad y la versatilidad de los sonicadores tipo sonda los convierten en herramientas valiosas tanto para la investigación como para las aplicaciones industriales, impulsando la innovación y la eficiencia en la producción de cemento.
Hielscher Ultrasonic suministra sonicadores de alto rendimiento a cualquier nivel de potencia para el procesamiento de partículas de cemento y lechada de cemento, desde lotes más pequeños para Investigación y Desarrollo hasta altos rendimientos para la desaglomeración industrial de cemento a escala de producción.
- elevada eficiencia
- Tecnología punta
- fiabilidad & robustez
- control de procesos preciso y ajustable
- lote & en línea
- para cualquier volumen
- software inteligente
- funciones inteligentes (por ejemplo, programable, protocolización de datos, control remoto)
- Manejo sencillo y seguro
- Bajo mantenimiento
- CIP (limpieza in situ)
Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany
Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Literatura / Referencias
- 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.
Información interesante
¿Qué es el cemento?
El cemento es una sustancia fina y pulverulenta que actúa como aglutinante en la construcción. Cuando se mezcla con agua, experimenta una reacción química llamada hidratación, endureciéndose y convirtiéndose en un material sólido. Se compone principalmente de piedra caliza, arcilla, conchas y sílice, y es un ingrediente clave del hormigón, el mortero y otros materiales de construcción. La capacidad del cemento para endurecerse y aglutinar otros materiales lo hace esencial para la construcción de edificios, carreteras, puentes y otras infraestructuras. El tipo de cemento más común es el cemento Portland, muy utilizado por su resistencia y versatilidad.
¿Por qué es importante la desaglomeración de las partículas de cemento?
La desaglomeración de las partículas de cemento es importante porque garantiza una distribución uniforme del tamaño de las partículas, lo que mejora el rendimiento y la calidad de los materiales a base de cemento. Una desaglomeración adecuada mejora la eficacia de la hidratación, lo que se traduce en un hormigón más resistente y duradero. También mejora la manejabilidad de las mezclas de cemento, facilitando su mezcla, vertido y acabado. Además, las partículas bien dispersas reducen la necesidad de aditivos químicos, disminuyen los costes de producción y minimizan el impacto medioambiental. En general, una desaglomeración eficaz es crucial para conseguir unas propiedades mecánicas óptimas y una durabilidad a largo plazo en los proyectos de construcción.
¿Cómo se desaglomeran las partículas de cemento?
Las partículas de cemento se desaglomeran utilizando diversos métodos, siendo la desaglomeración por ultrasonidos una de las técnicas más eficaces. En este proceso, una sonda sumergida en la lechada de cemento emite ondas ultrasónicas de alta frecuencia. Estas ondas crean intensas burbujas de cavitación que se colapsan con gran energía, produciendo potentes fuerzas de cizallamiento y ondas de choque. Estas fuerzas rompen las partículas de cemento aglomeradas, asegurando una dispersión uniforme. Otros métodos incluyen la mezcla mecánica, la molienda y el uso de agentes dispersantes, pero la desaglomeración ultrasónica es la preferida por su eficacia y capacidad para lograr una distribución fina y uniforme de las partículas.
¿Qué papel desempeña el agua en la elaboración del cemento?
El agua desempeña un papel fundamental en el procesamiento del cemento. Hidrata varios minerales del clínker, lo que proporciona la fluidez necesaria a la pasta de cemento. Sin embargo, la gestión del contenido de agua es un equilibrio delicado. Un exceso de agua puede provocar problemas como el sangrado (cuando el agua se separa de la mezcla) y la reducción de la resistencia a la compresión. A la inversa, una cantidad insuficiente de agua puede disminuir la trabajabilidad, dificultando el manejo de la mezcla de cemento y dando lugar a productos más débiles.
¿Cómo funcionan los sondas sónicas?
Los sonicadores de sonda son una clase específica de dispositivos ultrasónicos diseñados para dispersar y desaglomerar partículas en diversas suspensiones, incluido el cemento. Estos dispositivos utilizan una sonda o bocina que emite ondas ultrasónicas directamente en el medio, creando burbujas de cavitación que implosionan con alta energía, lo que conduce a la desaglomeración de partículas.
Los sonicadores de sonda funcionan generando ondas ultrasónicas que suelen oscilar entre 20 y 30 kHz. La sonda, también llamada sonotrodo, es una varilla fabricada con materiales como el titanio que se sumerge en la lechada de cemento. Cuando se activa, la sonda vibra a frecuencias ultrasónicas, produciendo una intensa cavitación acústica. Esta cavitación implica la formación y el colapso violento de burbujas microscópicas en la lechada, lo que genera potentes fuerzas de cizallamiento y ondas de choque. Estas fuerzas rompen las partículas aglomeradas y favorecen una dispersión uniforme.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.