Mezclado por ultrasonidos para hormigón de alto rendimiento

El uso de micro y nanosílice o nanotubos permite mejorar la resistencia a la compresión del hormigón de alto rendimiento. La ultrasonicación es un medio eficaz para mezclar, humedecer y dispersar nanomateriales en cemento u hormigón.
 

Planta industrial de cementoLa micro sílice se utiliza hoy en día ampliamente en el hormigón, lo 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 material y el consumo de energía. Los nuevos nanomateriales, como la nano sílice o los nanotubos, permiten mejorar aún más la resistencia y la solidez. Pero para exhibir todo el potencial de los nanomateriales se necesita una técnica de dispersión fiable y eficaz. Los sonicadores de sonda son la técnica más fiable y eficaz para producir nanodispersión, incluso en lodos muy viscosos y pastosos como el cemento y el hormigón.

Dispersión de lechada de cemento microfino con mezcladores ultrasónicos

El equipo de investigación de Draganović presente artículo de investigación, los autores investigan la dispersión de lechada de cemento microfino utilizando la tecnología de ultrasonidos y disolventes de laboratorio convencionales. El estudio tiene como objetivo comparar el rendimiento de los ultrasonidos – en el estudio específicamente el sonicador UP400St – con los métodos tradicionales de dispersión de lechada.

Los investigadores realizaron una serie de experimentos utilizando distintas técnicas de dispersión para evaluar la distribución del tamaño de las partículas (PSD) y el potencial zeta de las partículas de cemento microfino. Las técnicas de dispersión incluyen el tratamiento con ultrasonidos utilizando el sonicador UP400St, disolventes de laboratorio de alta velocidad y la combinación de ambos métodos.

Dispersor ultrasónico MultiSonoReactor con capacidad de dispersión de 16.000 vatios para mezclar nanopartículas en pasta de cemento.

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 por ultrasonidos con el sonicador UP400St conseguía una distribución del tamaño de las partículas significativamente mejor que con los disolventes convencionales de laboratorio. El sonicador UP400St reduce eficazmente la aglomeración de partículas microfinas de cemento y produce una suspensión de lechada más homogénea y estable. El tratamiento por ultrasonidos mejora la distribución de las partículas más pequeñas, lo que da como resultado un rango de distribución granulométrica más estrecho.
 

La lechada de cemento ultrafina se dispersa de forma más eficaz y fiable con el sonicador UP400S de Hielscher. En el estudio comparativo, el sonicador tipo sonda superó claramente al dispersor rotor-estator y al disolvedor de disco.

Métodos de dispersión comparados: Dispersor Vma-Getzmann Dispermat CV-3 equipado con un disco de 90 mm y un sistema rotor-estator. Ecógrafo Hielscher UP400St equipado con un sonotrodo H22.
(Estudio e imágenes: ©Draganovic et al., 2020)

 
Además, el uso de ultrasonidos en combinación con disolventes convencionales de laboratorio mejora aún más la eficacia de la dispersión, logrando una distribución del tamaño de las partículas aún más fina en comparación con el tratamiento por ultrasonidos por sí solo. Cuando se combina, la sonicación proporciona la micro-mezcla y la nano-dispersión, mientras que el disolvente contribuye a la macro-mezcla asegurando que todas las partículas entren en la zona de cavitación ultrasónica. Esto permite un mejor control de la distribución del tamaño de las partículas (PSD) y del potencial zeta de la lechada de cemento microfino en operación por lotes. Cuando se utiliza un reactor de celda de flujo, la suspensión de partículas pasa automáticamente a la zona del punto caliente de cavitación, por lo que la agitación adicional es superflua.

En general, el estudio destaca 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 muy eficaz y eficiente para conseguir una suspensión uniforme y estable de partículas de cemento microfino.

Cabe destacar que el artículo ofrece una comparación exhaustiva entre los métodos de dispersión por ultrasonidos y los convencionales, destacando el rendimiento superior de la sonicación en la dispersión de lechadas.
(cf. Draganović et al., 2020)
 

La homogeneización ultrasónica dio los mejores resultados para la dispersión de la gota de cemento Portland en comparación con un mezclador de laboratorio equipado con un disco, y un mezclador rotor-estator.

El homogeneizador ultrasónico UP400St se compara la eficacia de la dispersión de lechada de cemento con una mezcladora de laboratorio ordinaria equipada con un disco y utilizando la técnica del rotor-estator. El estudio demostró que la dispersión ultrasónica no sólo es un método eficaz, sino que es incluso mejor que una mezcladora que utilice la técnica de rotor-estator.
(estudio y gráfico: © Draganović et al., 2020)

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El vídeo muestra la mezcla y dispersión por ultrasonidos de grafeno en 250 ml de resina epoxi (Toolcraft L), utilizando un homogeneizador por ultrasonidos (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para dispersar grafito, grafeno, nanotubos de carbono, nanocables o cargas en el laboratorio o en procesos de producción de gran volumen. Las aplicaciones típicas son la dispersión de nanomateriales y micromateriales durante el proceso de funcionalización o la dispersión en resinas o polímeros.

Mezclar resina epoxi con relleno de grafito utilizando el homogeneizador ultrasónico UP400St (400 vatios)

Vídeo en miniatura

 

Investigación y desarrollo del hormigón

La investigación del hormigón busca materiales y procesos para:

  • reducir los costes de material y energía
  • obtener una resistencia inicial y final elevadas
  • mejorar la densidad y la resistencia a la compresión
  • mejorar la trabajabilidad, la bombeabilidad y el acabado
  • mejorar la durabilidad y reducir la permeabilidad
  • reducir las grietas de contracción, el polvo y los problemas de delaminación
  • resistencia química, por ejemplo a los sulfatos

Mezclado de cemento y hormigón

Una mezcla insuficiente da lugar a unas propiedades inferiores del hormigón.Cuando se trata de mejorar las propiedades del hormigón, la tecnología de mezclado es tan importante como su composición. La mezcla es un paso esencial en la producción de hormigón uniforme y de alta calidad. Aunque existen numerosas directrices y normativas, como la DIN EN 206, sobre la composición del hormigón y sus componentes, el proceso real de mezcla del cemento y el hormigón se deja en manos del usuario.
Es decisivo que el agua, el cemento y los aditivos se dispersen uniformemente y se distribuyan hasta una escala fina y que los aglomerados se dispersen suficientemente. Una dispersión o desaglomeración insuficientes dan lugar a unas propiedades inferiores del hormigón. Debido al bajo contenido de agua y a la elevada dosificación de aditivos, la mezcla del hormigón autocompactante (HAC) y del hormigón de ultra alta resistencia (HACU) requiere un tiempo de mezcla más largo o una tecnología de mezcla más eficaz.

Nanomateriales en el hormigón

Durante la hidratación del cemento se forman productos de hidratación a nanoescala, como hidratos de calcio, en el hormigón endurecido. Las nanopartículas de sílice o nanotubos se convierten en nanopartículas de cemento durante la solidificación del hormigón. Las partículas más pequeñas dan lugar a una menor distancia entre partículas y 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 la tendencia a formar aglomerados durante la humectación y el mezclado. A menos que las partículas individuales estén bien dispersas, la aglomeración reduce la superficie expuesta de las partículas, lo que da lugar a unas propiedades inferiores del hormigón.

Ultrasonidos para la desaglomeración de nanopartículas y la dispersión fiable y uniforme de nanomateriales en cemento y hormigón

El procesador ultrasónico UIP16000 es un homogeneizador de alto rendimiento para la dispersión de cemento y hormigón

Haga clic aquí para obtener más información sobre las ventajas de la mezcla por ultrasonidos de pastas de cemento para plantas de prefabricados, prefabricados en seco y hormigón.

Mezcla ultrasónica de nanomateriales

La ultrasonicación es un medio muy eficaz para la mezcla, dispersión y desaglomeración. La imagen siguiente muestra un resultado típico de la dispersión ultrasónica de sílice pirógena en agua.

Mezcla por ultrasonidos de humo de sílice (micro sílice)

A partir (curva verde) de un tamaño de partícula aglomerada de más de 200 micras (D50), la mayoría de las partículas se redujeron a menos de 200 nanómetros.

Mezclado por ultrasonidos a cualquier escala

Hielscher ofrece dispositivos de mezcla por ultrasonidos para su uso en investigación y procesamiento a gran escala.

Sonómetros para investigación y desarrollo en laboratorio

Los homogeneizadores ultrasónicos de laboratorio Hielscher son la herramienta de mezcla perfecta para la investigación y el desarrollo a escala de laboratorio. Los sonicadores de laboratorio Hielscher se utilizan normalmente para la mezcla por ultrasonidos de lotes pequeños. Los homogeneizadores ultrasónicos Hielscher ofrecen un control preciso de los parámetros y una excelente reproducibilidad para la preparación del escalado. Esto facilita la mezcla de diferentes formulaciones y la determinación del impacto de la intensidad y la duración de la sonicación por ultrasonidos.

Mezclado en línea por ultrasonidos en la producción

Hormigón listo para usarEl equipo de mezcla por ultrasonidos necesario para el escalado puede determinarse con exactitud a partir de la prueba de laboratorio. Para procesar flujos de cemento u hormigón de gran volumen, los ultrasonidos de alto rendimiento suelen funcionar en modo de flujo continuo utilizando reactores de flujo continuo. Esto permite una mezcla muy uniforme y el procesamiento perfecto de pastas y lodos. – incluso con viscosidades muy elevadas.

Dispersión ultrasónica de nano-sílice: El homogeneizador ultrasónico UP400St de Hielscher dispersa nanopartículas de sílice de forma rápida y eficiente en una nano-dispersión uniforme.

Dispersión ultrasónica de nanosílice con el ultrasonicador UP400St

Vídeo en miniatura

La tabla siguiente le ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonidos en función del volumen del lote o del caudal que se vaya a procesar:

Volumen del loteTasa de flujoDispositivos recomendados
1 a 500 mL10 a 200 mL/min.UP100H
10 a 2000 mL20 a 400 mL/min.UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L0,2 a 4 L/minUIP2000hdT
10 a 100 L2 a 10 L/minUIP4000hdT
15 a 150LDe 3 a 15 l/minUIP6000hdT
n.a.10 a 100 L/minUIP16000
n.a.mayorGrupo de UIP16000

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Literatura / Referencias


Mezcla en línea de cemento con un sonicador

Mezclado por ultrasonidos - diagrama de flujoLos mezcladores ultrasónicos de 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 by-pass, ya que todas las partículas pasan por la cámara de mezcla siguiendo una trayectoria definida. Por lo tanto, la ultrasonicación suele desplazar la curva de distribución del tamaño de las partículas en lugar de ampliarla.

Robusto y fácil de limpiar

Reactor flujo ultrasónico de acero inoxidable para la sonicación de líquidos.Un reactor de mezcla por ultrasonidos se compone de la célula de flujo y los sonotrodos. No se necesitan cojinetes. Los reactores de célula de flujo (acero inoxidable) tienen geometrías sencillas y pueden desmontarse y limpiarse fácilmente. No hay orificios pequeños ni esquinas ocultas.

Otras aplicaciones de los ultrasonidos para cemento y hormigón

El uso de dispositivos 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 lechadas. Esto reduce el número y el volumen de las burbujas de gas atrapadas en el hormigón tras el endurecimiento.
Tamizadoras ultrasónicas mejoran el rendimiento y la calidad del tamizado de polvo para partículas pequeñas. Hielscher ofrece tamices agitados por ultrasonidos para aplicaciones industriales y de laboratorio.

Información general sobre el hormigón

El hormigón se compone de cemento, por ejemplo cemento Portland y otros materiales cementantes, como cenizas volantes y cemento de escoria, áridos (grava, piedra caliza, granito, arena), agua y aditivos químicos. Los aditivos típicos incluyen aceleradores o retardadores, plastificantes, pigmentos, humo de sílice o metacaolín de alta reactividad (HRM). La micro sílice es un aditivo típico del hormigón. Su desventaja es su coste relativamente elevado y la contaminación que afecta a la salud de operarios y trabajadores.

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