Mezcla ultrasónica para hormigón de alto rendimiento
El uso de microsílice y nanosílice o nanotubos mejora la resistencia a la compresión del hormigón de alto rendimiento. La ultrasonicación es un medio eficaz para mezclar, humectar y dispersar nanomateriales en cemento u hormigón.
La microsílice se utiliza ampliamente en el hormigón en la actualidad, ya que permite obtener una mayor resistencia a la compresión u hormigones resistentes al agua y a los productos químicos. Esto puede reducir los costes de los materiales y el consumo de energía. Los nuevos nanomateriales, como la nanosílice o los nanotubos, permiten mejorar aún más la resistencia. Sin embargo, para aprovechar todo el potencial de los nanomateriales, se requiere una técnica de dispersión fiable y eficiente. Los sonicadores de sonda constituyen la técnica más fiable y eficaz para producir nanodispersiones, incluso en suspensiones muy viscosas y de consistencia pastosa, como el cemento y el hormigón.
Dispersión de lechadas de cemento microfino con mezcladores ultrasónicos
En el artículo de investigación presentado por el equipo de Draganović, los autores investigan la dispersión de lechadas de cemento microfino mediante tecnología ultrasónica y dispersores convencionales de laboratorio. El estudio tiene como objetivo comparar el rendimiento de los ultrasonidos –en concreto, del sonicador UP400St utilizado en el estudio– con los métodos tradicionales de dispersión de lechadas.
Los investigadores realizaron una serie de experimentos con distintas técnicas de dispersión para evaluar la distribución del tamaño de partícula (PSD) y el potencial zeta de las partículas de cemento microfino. Las técnicas de dispersión incluyen el tratamiento ultrasónico con el sonicador UP400St, los dispersores de laboratorio de alta velocidad y la combinación de ambos métodos.
MultiSonoReactor MSR-4: dispersión ultrasónica en línea para la producción industrial en línea de cemento y hormigón de alto rendimiento.
Los resultados mostraron que la dispersión ultrasónica con el sonicador UP400St logró una distribución del tamaño de partícula significativamente mejor que la obtenida con dispersores convencionales de laboratorio. El sonicador UP400St reduce eficazmente la aglomeración de las partículas de cemento microfino y produce una lechada en suspensión más homogénea y estable. El tratamiento ultrasónico mejora la distribución de las partículas más pequeñas, lo que da lugar a un intervalo más estrecho de distribución del tamaño de partícula.
Métodos de dispersión comparados: dispersor Vma-Getzmann Dispermat CV-3 equipado con un disco de 90-mm y un sistema de rotor-estator. Equipo ultrasónico Hielscher UP400St equipado con un sonotrodo H22.
(Estudio e imágenes: ©Draganovic et al., 2020)
Además, el uso de ultrasonidos en combinación con dispersores convencionales de laboratorio mejora aún más la eficiencia de dispersión y consigue una distribución del tamaño de partícula aún más fina que el tratamiento ultrasónico por sí solo. Cuando se combinan, la sonicación proporciona la micromezcla y la nanodispersión, mientras que el dispersor contribuye a la macromezcla y garantiza que todas las partículas entren en la zona de cavitación ultrasónica. Esto permite controlar mejor la distribución del tamaño de partícula (PSD) y el potencial zeta de la lechada de cemento microfino en el procesamiento por lotes. Cuando se utiliza un reactor de celda de flujo, la suspensión de partículas pasa automáticamente por la zona de máxima actividad cavitacional, por lo que la agitación adicional resulta innecesaria.
En conjunto, el estudio destaca el rendimiento superior del sonicador UP400St en la dispersión de lechadas de cemento microfino. El tratamiento ultrasónico, especialmente cuando se combina con dispersores convencionales de laboratorio, ofrece un método muy eficaz y eficiente para obtener una suspensión uniforme y estable de partículas de cemento microfino.
Cabe señalar que el artículo ofrece una comparación exhaustiva entre los ultrasonidos y los métodos de dispersión convencionales, y destaca el rendimiento superior de la sonicación en la dispersión de lechadas.
(cf. Draganović et al., 2020)
El homogeneizador ultrasónico UP400St se compara, en cuanto a la eficiencia de dispersión de lechadas de cemento, con un mezclador de laboratorio convencional equipado con un disco y con la técnica de rotor-estator. El estudio demostró que la dispersión ultrasónica no solo es un método eficaz, sino que incluso supera a un mezclador que utiliza la técnica de rotor-estator.
(Estudio y gráfico: © Draganović et al., 2020)
Investigación y desarrollo del hormigón
La investigación sobre el hormigón busca materiales y procesos que permitan:
- reducir los costes de los materiales y de la energía
- obtener una elevada resistencia inicial y final
- mejorar la densidad y la resistencia a la compresión
- mejorar la trabajabilidad, la bombeabilidad y la facilidad de acabado
- mejorar la durabilidad y reducir la permeabilidad
- reducir las fisuras por retracción, la formación de polvo y los problemas de delaminación
- resistencia química, por ejemplo, resistencia a los sulfatos
Mezcla de cemento y hormigón
Para mejorar las propiedades del hormigón, la tecnología de mezcla es tan importante como su composición. La mezcla es una etapa esencial en la producción de hormigón uniforme y de alta calidad. Aunque numerosas directrices y normas, como DIN EN 206, regulan la composición del hormigón y sus componentes, el proceso propiamente dicho de mezcla del cemento y del hormigón queda a criterio del usuario.
Es fundamental que el agua, el cemento y los aditivos se dispersen y distribuyan uniformemente hasta una escala fina, y que los aglomerados se dispersen suficientemente. Una dispersión o desaglomeración insuficiente da lugar a propiedades inferiores del hormigón. Debido al bajo contenido de agua y a la elevada dosificación de aditivos, la mezcla del hormigón autocompactante (SCC) y del hormigón de ultraalta resistencia (UHPC) requiere un tiempo de mezcla más prolongado o una tecnología de mezcla más eficaz.
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Nanomateriales en el hormigón
Durante la hidratación del cemento, se forman productos de hidratación a escala nanométrica, como los hidratos de calcio, en el hormigón que está endureciendo. Las nanopartículas de sílice o los nanotubos se convierten en nanopartículas de cemento durante la solidificación del hormigón. Las partículas más pequeñas reducen la distancia entre partículas y dan lugar a un material más denso y menos poroso. Esto aumenta la resistencia a la compresión y reduce la permeabilidad.
Sin embargo, una desventaja importante de los polvos y materiales de tamaño nanométrico es su tendencia a formar aglomerados durante la humectación y la mezcla. Si las partículas individuales no están bien dispersas, la aglomeración reduce la superficie expuesta de las partículas, lo que da lugar a propiedades inferiores del hormigón.
El procesador ultrasónico UIP16000 es un homogeneizador de alto rendimiento para la dispersión de cemento y hormigón
Mezcla ultrasónica: dispersión homogénea de nanomateriales en pastas de cemento
La ultrasonicación es un medio muy eficaz para la mezcla, la dispersión y la desaglomeración. La imagen siguiente muestra un resultado típico de la dispersión ultrasónica de sílice pirogénica en agua.
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Partiendo de un tamaño de partícula de los aglomerados superior a 200 micras (D50) (curva verde), la mayoría de las partículas se redujeron a menos de 200 nanómetros.
Mezcla ultrasónica a cualquier escala
Hielscher ofrece equipos de mezcla ultrasónica para la investigación y el procesamiento a escala industrial.
Sonicadores para investigación y desarrollo en laboratorio
Los homogeneizadores ultrasónicos de laboratorio Hielscher son la herramienta de mezcla ideal para la investigación y el desarrollo a escala de laboratorio. Los sonicadores de laboratorio Hielscher se utilizan habitualmente para la mezcla ultrasónica de pequeños lotes. Los homogeneizadores ultrasónicos Hielscher ofrecen un control preciso de los parámetros y una excelente reproducibilidad para preparar el escalado. Esto facilita la mezcla de distintas formulaciones y la determinación del efecto de la intensidad de la ultrasonicación y de la duración de la sonicación.
Mezcla ultrasónica en línea en la producción
El equipo de mezcla ultrasónica necesario para el escalado puede determinarse con exactitud a partir del ensayo de laboratorio. Para procesar corrientes de gran volumen de cemento u hormigón, los ultrasonicadores de alto rendimiento suelen funcionar en modo de flujo continuo mediante reactores de flujo. Esto permite una mezcla muy uniforme y un procesamiento sin problemas de pastas y suspensiones –incluso con viscosidades muy elevadas–.
La tabla siguiente ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores en función del volumen del lote o del caudal que se vaya a procesar:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 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 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Bibliografía / 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.
Mezcla de cemento en línea mediante un sonicador
Los mezcladores ultrasónicos Hielscher suelen instalarse en línea. El material se bombea al recipiente del reactor ultrasónico. Allí se expone a una intensa cavitación ultrasónica. La sonicación en línea elimina el paso de material sin tratamiento, ya que todas las partículas atraviesan la cámara de mezcla siguiendo una trayectoria definida. Por tanto, la ultrasonicación suele desplazar la curva de distribución del tamaño de partícula en lugar de ensancharla.
Robusto y fácil de limpiar
Un reactor de mezcla ultrasónica consta de la celda de flujo y los sonotrodos. No se necesitan rodamientos. Los reactores de celda de flujo (de acero inoxidable) tienen geometrías sencillas y pueden desmontarse y limpiarse fácilmente. No hay orificios pequeños ni rincones ocultos.
Otras aplicaciones de los ultrasonidos para el cemento y el hormigón
El uso de equipos ultrasónicos Hielscher en la preparación de cementos y hormigones no se limita a la mezcla y dispersión de premezclas de cemento u hormigones. Los ultrasonidos son un medio muy eficaz para la desgasificación de líquidos y suspensiones. Esto reduce el número y el volumen de las burbujas de gas atrapadas en el hormigón tras el endurecimiento.
Las tamizadoras ultrasónicas mejoran la capacidad de procesamiento y la calidad del tamizado de polvos de partículas pequeñas. Hielscher ofrece tamices con agitación ultrasónica para aplicaciones de laboratorio e industriales.
Información general sobre el hormigón
El hormigón está compuesto por cemento, por ejemplo, cemento Portland, y otros materiales cementantes, como cenizas volantes y cemento de escoria, áridos (grava, caliza, granito, arena), agua y aditivos químicos. Entre los aditivos habituales se encuentran los acelerantes o retardantes, los plastificantes, los pigmentos, el humo de sílice y el metacaolín de alta reactividad (HRM). La microsílice es un aditivo habitual en el hormigón. Sus desventajas son su coste relativamente elevado y la contaminación que afecta a la salud de los operarios y trabajadores.