Mezclado ultrasónico de pasta de cemento para hormigón

El mezclado ultrasónico de la pasta de cemento ofrece grandes ventajas para el moldeo de prefabricados, la fabricación de hormigón de consistencia seca y las plantas de hormigón. Estas ventajas incluyen tiempos de fraguado inicial y final más cortos, una menor dosificación de superplastificante, una hidratación más rápida y completa, así como una mayor resistencia a la compresión.

Las tecnologías tradicionales de mezclado de hormigón, como el mezclado durante el transporte o las mezcladoras rotativas, no proporcionan una acción de mezclado suficiente para dispersar los aglomerados de partículas de cemento y otros materiales cementantes, como las cenizas volantes o la sílice. Mientras que las partículas exteriores de estos aglomerados están expuestas al agua, las superficies de las partículas interiores permanecen secas. Esto da lugar a una hidratación lenta e incompleta.

Ventajas de la tecnología de mezclado ultrasónico para el hormigón

La dispersión ultrasónica es la tecnología más avanzada para desaglomerar y dispersar materiales de tamaño micrométrico y nanométrico en líquidos. El mezclado ultrasónico utiliza fuerzas de cizallamiento generadas por la cavitación que son más eficaces para mezclar materiales de tamaño fino que las mezcladoras rotativas convencionales y las mezcladoras de rotor–estátor. En el caso del cemento, la sílice, las cenizas volantes, los pigmentos o los CNTs, la dispersión ultrasónica aumenta significativamente el rendimiento de estos materiales, ya que mejora la distribución de las partículas y su contacto con el agua.

Durante la hidratación –la reacción del cemento con el agua–, las fases C‑S‑H desarrollan estructuras aciculares. Las imágenes siguientes muestran la microestructura de la pasta de cemento después de 5 horas de hidratación. En la pasta de cemento sonicada, las fases C‑S‑H alcanzan una longitud de casi 500 nm, mientras que en la pasta sin sonicar las fases C‑S‑H miden alrededor de 100 nm.

Microestructura de la pasta de cemento después de 5hrs de hidratación

con procesamiento ultrasónico	sin procesamiento ultrasónico
Pasta de cemento Portland (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus University Weimar

 
El mezclado mediante cavitación inducida por ultrasonidos da lugar a un crecimiento más rápido de las fases C‑S‑H.

 
Temperatura de hidratación

Influencia de la sonicación de potencia (PUS) en las curvas de temperatura en función del tiempo de las pastas de cemento

 
Resistencia a la compresión

Influencia de la sonicación de potencia (PUS) en la resistencia a la compresión de probetas prismáticas de mortero

 
Velocidad del pulso ultrasónico

Influencia de la sonicación de potencia (PUS) en la velocidad del pulso ultrasónico de las pastas de cemento en proceso de hidratación

El crecimiento de las fases C‑S‑H se correlaciona con la temperatura de la pasta de cemento durante el periodo de hidratación (haga clic en el gráfico de la derecha). En la pasta de cemento mezclada mediante ultrasonidos, la hidratación comienza aproximadamente una hora antes. Una hidratación más temprana se correlaciona con un aumento más temprano de la resistencia a la compresión. El aumento de la velocidad de hidratación también puede medirse mediante la velocidad del pulso ultrasónico.

Especialmente en el caso del hormigón prefabricado y del hormigón de consistencia seca, esto reduce significativamente el tiempo necesario para poder desmoldar el hormigón. Los estudios realizados por la Universidad Bauhaus (Alemania) mostraron la siguiente reducción de los tiempos de fraguado.

Otra ventaja interesante del mezclado ultrasónico es su influencia en la fluidez. Como se muestra en la tabla anterior, el asentamiento aumenta aproximadamente un 30%. Esto permite reducir la dosificación de superplastificantes.

Integración de mezcladores ultrasónicos en el proceso de producción de cemento

Hielscher ofrece mezcladores ultrasónicos para la dispersión eficaz de cemento, sílice, cenizas volantes, pigmentos o CNTs. Primero, cualquier material seco debe premezclarse con agua para formar una pasta de alta concentración que, aun así, pueda bombearse. El mezclador ultrasónico de Hielscher desaglomera y dispersa las partículas mediante el cizallamiento generado por la cavitación. Como resultado, toda la superficie de cada partícula queda completamente expuesta al agua.

Procesamiento ultrasónico de pasta de cemento

En el caso de la pasta de cemento, la hidratación comienza después del procesamiento ultrasónico. Por tanto, el mezclador ultrasónico de Hielscher debe utilizarse en línea, ya que la pasta de cemento no puede almacenarse durante periodos prolongados. El esquema siguiente ilustra el proceso. En el paso siguiente, se añade el árido, como arena o grava, y se mezcla con la pasta de cemento. Como las partículas de cemento ya están bien dispersas en esa fase, la pasta de cemento se mezcla bien con el árido. El hormigón queda entonces listo para verterse en moldes de prefabricados o para su transporte. Puede utilizarse un tanque break-up junto al mezclador ultrasónico para que el procesamiento sea más continuo cuando la demanda de hormigón sea irregular.
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Dispersión ultrasónica de sílice, cenizas volantes y nanomateriales

La dispersión de sílice, cenizas volantes, pigmentos u otros nanomateriales, como los nanotubos de carbono, requiere otras intensidades de procesamiento y otros niveles de energía. Por este motivo, recomendamos utilizar un mezclador ultrasónico independiente para producir una suspensión o pasta bien dispersa que posteriormente se añade a la mezcla de hormigón. Haga clic en el gráfico anterior para ver un esquema de este proceso.

El equipo de mezclado ultrasónico necesario para el escalado puede determinarse con exactitud mediante ensayos a escala piloto con el UIP1000hdT, un potente sonicador de 1.000 vatios para escala piloto. La tabla siguiente muestra recomendaciones generales de equipos en función del volumen del lote o del caudal de pasta de cemento que se vaya a procesar.

Con hasta 16 kW de potencia de mezclado ultrasónico por sonda ultrasónica, Hielscher ofrece la potencia de procesamiento necesaria para aplicaciones de gran volumen. Esta tecnología es fácil de probar y permite un escalado lineal.