Betoniin käytettävän sementtipastan ultraäänisekoitus

Sementtipastan ultraäänisekoitus tarjoaa suuria etuja betonielementtien muottivaluun, kuivavaluun ja betonitehtaille. Näitä etuja ovat lyhyemmät sitoutumisen alkamis- ja päättymisajat, pienempi tehonotkistimen annostus, nopeampi ja täydellisempi hydrataatio sekä suurempi puristuslujuus.

Perinteisten betonin sekoitustekniikoiden, kuten kuljetuksen aikaisen sekoituksen tai pyörivien sekoittimien, sekoitusteho ei riitä hajottamaan ja dispergoimaan sementtihiukkasten ja muiden sementtipohjaisten materiaalien, kuten lentotuhkan tai piidioksidin, agglomeraatteja. Vaikka tällaisten agglomeraattien uloimmat hiukkaset pääsevät kosketuksiin veden kanssa, sisempien hiukkasten pinnat pysyvät kuivina. Tämä johtaa hitaaseen ja epätäydelliseen hydrataatioon.

Ultraäänisekoitustekniikan edut betonille

Ultraäänidispergointi on edistynein tekniikka mikro- ja nanokokoisten materiaalien agglomeraattien hajottamiseen ja materiaalien dispergointiin nesteisiin. Ultraäänisekoituksessa käytetään kavitaation aiheuttamia leikkausvoimia, jotka sekoittavat hienojakoisia materiaaleja tehokkaammin kuin perinteiset pyörivät sekoittimet ja roottori–staattorisekoittimet. Ultraäänidispergointi parantaa merkittävästi sementin, piidioksidin, lentotuhkan, pigmenttien tai hiilinanoputkien (CNT) suorituskykyä, sillä se parantaa hiukkasten jakautumista ja kosketusta veden kanssa.

Hydrataation – sementin ja veden välisen reaktion – aikana C‑S‑H‑faasit kasvattavat neulamaisia rakenteita. Alla olevissa kuvissa esitetään sementtipastan mikrorakenne 5 tunnin hydrataation jälkeen. Ultraäänikäsitellyssä sementtipastassa C‑S‑H‑faasien pituus on lähes 500 nm, kun taas ultraäänikäsittelemättömässä pastassa C‑S‑H‑faasien pituus on noin 100 nm.

Sementtipastan mikrorakenne 5 tunnin hydrataatioajan jälkeen

ultraäänikäsittelyn kanssa	ilman ultraäänikäsittelyä
Portlandsementtipasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus-yliopisto Weimar

 
Ultraäänen aiheuttamaan kavitaatioon perustuva sekoitus nopeuttaa C‑S‑H‑faasien kasvua.

 
Hydrataatiolämpötila

Tehoultraäänikäsittelyn (PUS) vaikutus sementtipastojen aika–lämpötilakäyriin

 
Puristuslujuus

Tehoultraäänikäsittelyn (PUS) vaikutus laastiprismojen puristuslujuuteen

 
Ultraäänipulssin nopeus

Tehoultraäänikäsittelyn (PUS) vaikutus ultraäänipulssin nopeuteen hydratoituvissa sementtipastoissa

C‑S‑H‑faasien kasvu korreloi sementtipastan lämpötilan kanssa hydrataation aikana (napsauta oikealla olevaa kuvaajaa). Ultraäänellä sekoitetussa sementtipastassa hydrataatio alkaa noin tuntia aikaisemmin. Aikaisempi hydrataatio korreloi puristuslujuuden aikaisemman kasvun kanssa. Hydrataation nopeutuminen voidaan mitata myös ultraäänipulssin nopeuden avulla.

Erityisesti betonielementtien ja kuivavalubetonin valmistuksessa tämä lyhentää merkittävästi aikaa, jonka kuluttua valettu betoni voidaan poistaa muotista. Bauhaus-yliopiston (Saksa) tutkimuksissa havaittiin seuraavat sitoutumisaikojen lyhenemiset.

Toinen mielenkiintoinen ultraäänisekoituksen etu on sen vaikutus juoksevuuteen. Kuten yllä olevasta taulukosta käy ilmi, painuma kasvaa noin 30 %. Tämä mahdollistaa tehonotkistimien annostuksen pienentämisen.

Ultraäänisekoittimien integrointi sementin tuotantoprosessiin

Hielscher tarjoaa ultraäänisekoittimia sementin, piidioksidin, lentotuhkan, pigmenttien tai hiilinanoputkien (CNTs) tehokkaaseen dispergointiin. Kaikki kuivat materiaalit tulisi ensin esisekoittaa veteen, jotta saadaan väkevä mutta silti pumpattava pasta. Ultraäänisekoitin (Hielscher) hajottaa hiukkasten agglomeraatit ja dispergoi hiukkaset kavitaation aiheuttamien leikkausvoimien avulla. Tämän seurauksena jokaisen hiukkasen koko pinta pääsee täysin kosketuksiin veden kanssa.

Sementtipastan ultraäänikäsittely

Sementtipastan hydrataatio alkaa ultraäänikäsittelyn jälkeen. Siksi ultraäänisekoitinta (Hielscher) tulisi käyttää prosessilinjassa, sillä sementtipastaa ei voida varastoida pitkiä aikoja. Alla oleva kaaviokuva havainnollistaa prosessia. Seuraavassa vaiheessa lisätään kiviaines, kuten hiekka tai sora, ja sekoitetaan se sementtipastaan. Koska sementtihiukkaset ovat tässä vaiheessa jo hyvin dispergoituneet, sementtipasta sekoittuu hyvin kiviainekseen. Betoni on tämän jälkeen valmis valettavaksi elementtimuotteihin tai kuljetettavaksi. Ultraäänisekoittimen vieressä olevaa break-up-säiliötä voidaan käyttää käsittelyn jatkuvuuden parantamiseen silloin, kun betonin kysyntä vaihtelee.
Lue lisää sementtihiukkasten agglomeraattien hajottamisesta ultraäänellä!

Piidioksidin, lentotuhkan ja nanomateriaalien ultraäänidispergointi

Piidioksidin, lentotuhkan, pigmenttien tai muiden nanomateriaalien, kuten hiilinanoputkien, dispergointi vaatii erilaisia käsittelyintensiteettejä ja energiatasoja. Tästä syystä suosittelemme erillistä ultraäänisekoitinta hyvin dispergoidun lietteen tai pastan valmistamiseen, joka lisätään sitten betoniseokseen. Napsauta yllä olevaa kuvaa nähdäksesi tämän prosessin kaaviokuvan.

Mittakaavan suurentamiseen tarvittava ultraäänisekoituslaitteisto voidaan määrittää tarkasti pilottimittakaavan kokeilla käyttäen laitetta UIP1000hdT, joka on tehokas 1 000 watin pilottimittakaavan ultraäänilaite. Alla olevassa taulukossa esitetään yleisiä laitesuosituksia käsiteltävän sementtipastan erätilavuuden tai tilavuusvirran mukaan.

Hielscher tarjoaa suuren volyymin sovellusten vaatiman käsittelytehon jopa 16 kW:n ultraäänisekoitusteholla yhtä ultraäänianturia kohti. Tätä tekniikkaa on helppo testata, ja sen mittakaavaa voidaan suurentaa lineaarisesti.