Ultraäänisekoitus korkealaatuisen erikoisbetonin valmistuksessa
Mikro- ja nanopiidioksidin tai nanoputkien käyttö parantaa korkealaatuisen erikoisbetonin puristuslujuutta. Ultraäänikäsittely on tehokas keino nanomateriaalien sekoittamiseen, kostuttamiseen ja dispergointiin sementissä tai betonissa.
Mikropiidioksidia käytetään nykyään laajalti betonissa, mikä parantaa puristuslujuutta tai tuottaa vettä ja kemikaaleja kestäviä betoneja. Tämä voi vähentää materiaalikustannuksia ja energiankulutusta. Uudet nanomateriaalit, kuten nanopiidioksidi tai nanoputket, parantavat kestävyyttä ja lujuutta entisestään. Nanomateriaalien täyden potentiaalin hyödyntäminen edellyttää kuitenkin luotettavaa ja tehokasta dispergointitekniikkaa. Anturityyppiset ultraäänilaitteet ovat luotettavin ja tehokkain tekniikka nanodispersioiden tuottamiseen myös erittäin viskooseissa ja tahnamaisissa lietteissä, kuten sementissä ja betonissa.
Mikrohienon sementti-injektointilaastin dispergointi ultraäänisekoittimilla
Draganović ja hänen tutkimusryhmänsä esittelevät tutkimusartikkelin, jossa kirjoittajat tutkivat mikrohienon sementti-injektointilaastin dispergointia ultraäänitekniikalla ja tavanomaisilla laboratoriodissolvereilla. Tutkimuksen tavoitteena on verrata ultraäänen – tässä tutkimuksessa erityisesti ultraäänilaitteen UP400St – suorituskykyä perinteisiin injektointilaastin dispergointimenetelmiin.
Tutkijat tekivät sarjan kokeita eri dispergointitekniikoilla arvioidakseen mikrohienojen sementtihiukkasten hiukkaskokojakaumaa (PSD) ja zetapotentiaalia. Dispergointitekniikoihin kuuluvat ultraäänikäsittely ultraäänilaitteella UP400St, suurinopeuksiset laboratoriodissolverit sekä näiden kahden menetelmän yhdistelmä.
MultiSonoReactor MSR-4: jatkuvatoiminen ultraäänidispergointi korkealaatuisen erikoissementin ja erikoisbetonin teolliseen jatkuvatoimiseen tuotantoon.
Tulokset osoittivat, että ultraäänidispergoinnilla ultraäänilaitteella UP400St saavutettiin huomattavasti parempi hiukkaskokojakauma kuin tavanomaisilla laboratoriodissolvereilla. Ultraäänilaite UP400St vähentää tehokkaasti mikrohienojen sementtihiukkasten agglomeroitumista ja tuottaa homogeenisemman ja stabiilimman injektointilaastisuspension. Ultraäänikäsittely parantaa pienempien hiukkasten jakautumista, jolloin hiukkaskokojakauman vaihteluväli kapenee.
Vertailussa käytetyt dispergointimenetelmät: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 -dissolveri, jossa on 90-mm:n kiekko ja roottori-staattorijärjestelmä. Hielscher UP400St -ultraäänilaite on varustettu H22-sonotrodilla.
(Tutkimus ja kuvat: ©Draganovic et al., 2020)
Lisäksi ultraäänen käyttö yhdessä tavanomaisten laboratoriodissolverien kanssa parantaa dispergoinnin tehokkuutta entisestään ja tuottaa vielä hienomman hiukkaskokojakauman kuin pelkkä ultraäänikäsittely. Menetelmiä yhdistettäessä ultraäänikäsittely tuottaa mikrosekoituksen ja nanodispersion, kun taas dissolveri edistää makrosekoitusta ja varmistaa, että kaikki hiukkaset päätyvät ultraäänikavitaation vyöhykkeelle. Tämä mahdollistaa mikrohienon sementti-injektointilaastin hiukkaskokojakauman (PSD) ja zetapotentiaalin paremman hallinnan eräkäsittelyssä. Virtauskennoreaktoria käytettäessä hiukkassuspensio kulkee automaattisesti voimakkaan kavitaation vyöhykkeen läpi, jolloin lisäsekoitus on tarpeetonta.
Kaiken kaikkiaan tutkimus korostaa ultraäänilaitteen UP400St ylivoimaista suorituskykyä mikrohienon sementti-injektointilaastin dispergoinnissa. Ultraäänikäsittely tarjoaa erityisesti tavanomaisiin laboratoriodissolvereihin yhdistettynä erittäin vaikuttavan ja tehokkaan menetelmän tasaisen ja stabiilin mikrohienojen sementtihiukkasten suspension tuottamiseen.
On syytä huomata, että artikkeli sisältää kattavan vertailun ultraäänen ja tavanomaisten dispergointimenetelmien välillä ja korostaa ultraäänikäsittelyn ylivoimaista suorituskykyä injektointilaastin dispergoinnissa.
(vrt. Draganović et al., 2020)
Ultraäänihomogenisaattoria UP400St verrataan sementti-injektointilaastin dispergointitehokkuuden osalta tavalliseen kiekolla varustettuun laboratoriosekoittimeen ja roottori-staattoritekniikkaan. Tutkimus osoitti, että ultraäänidispergointi on tehokas menetelmä ja jopa parempi kuin roottori-staattoritekniikkaa käyttävä sekoitin.
(tutkimus ja kaavio: © Draganović et al., 2020)
Betonin tutkimus ja kehitys
Betonitutkimuksessa etsitään materiaaleja ja prosesseja, joilla voidaan:
- vähentää materiaali- ja energiakustannuksia
- saavuttaa korkea alku- ja loppulujuus
- parantaa tiheyttä ja puristuslujuutta
- parantaa työstettävyyttä, pumpattavuutta ja viimeisteltävyyttä
- parantaa kestävyyttä ja vähentää läpäisevyyttä
- vähentää kutistumishalkeamia, pölyämistä ja kerrosten irtoamisongelmia
- kemiallinen kestävyys, esim. sulfaatinkestävyys
Sementin ja betonin sekoittaminen
Betonin ominaisuuksien parantamisessa sekoitustekniikka on yhtä tärkeää kuin betonin koostumus. Sekoittaminen on olennainen vaihe tasalaatuisen ja korkealaatuisen betonin valmistuksessa. Vaikka lukuisat ohjeet ja määräykset, kuten DIN EN 206, käsittelevät betonin ja sen ainesosien koostumusta, varsinainen sementin ja betonin sekoitusprosessi jää käyttäjän vastuulle.
Ratkaisevaa on, että vesi, sementti ja lisäaineet dispergoituvat ja jakautuvat tasaisesti hienojakoiselle tasolle asti ja että agglomeraatit dispergoituvat riittävästi. Riittämätön dispergointi tai deagglomerointi heikentää betonin ominaisuuksia. Pienen vesipitoisuuden ja suuren lisäaineannostuksen vuoksi itsetiivistyvän betonin (SCC) ja ultrakorkean lujuuden betonin (UHPC) sekoittaminen edellyttää pidempää sekoitusaikaa tai tehokkaampaa sekoitustekniikkaa.
Tutustu siihen, miten tehoultraääni parantaa ja nopeuttaa sementtipastojen hydrataatiota ja lujuuden kehittymistä!
Nanomateriaalit betonissa
Sementin hydrataation aikana kovettuvaan betoniin muodostuu nanokokoisia hydrataatiotuotteita, kuten kalsiumhydraatteja. Piidioksidin nanohiukkaset tai nanoputket muuttuvat sementin nanohiukkasiksi betonin jähmettymisen aikana. Pienemmät hiukkaset lyhentävät hiukkasten välisiä etäisyyksiä ja tuottavat tiiviimmän ja vähemmän huokoisen materiaalin. Tämä lisää puristuslujuutta ja vähentää läpäisevyyttä.
Nanokokoisten jauheiden ja materiaalien merkittävä haittapuoli on kuitenkin taipumus muodostaa agglomeraatteja kostutuksen ja sekoituksen aikana. Ellei yksittäisiä hiukkasia dispergoida hyvin, agglomeroituminen vähentää hiukkasten altistuvaa pinta-alaa ja heikentää betonin ominaisuuksia.
Ultraääniprosessori UIP16000 on tehokas homogenisaattori sementin ja betonin dispergointiin
Ultraäänisekoitus: nanomateriaalien homogeeninen dispergointi sementtipastoissa
Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas keino sekoittamiseen, dispergointiin ja deagglomerointiin. Alla oleva kuva esittää tyypillisen tuloksen pyrogeenisen piidioksidin ultraäänidispergoinnista veteen.
Lue lisää nanovahvistetuista sementtilaasteista, joiden valmistuksessa käytetään ultraäänidispergointia!
Lähtötilanteessa (vihreä käyrä) agglomeraattien hiukkaskoko oli yli 200 mikrometriä (D50), ja suurimman osan hiukkasista koko pienennettiin alle 200 nanometriin.
Ultraäänisekoitus kaikissa mittakaavoissa
Hielscher tarjoaa ultraäänisekoituslaitteita tutkimukseen ja täyden mittakaavan käsittelyyn.
Ultraäänilaitteet laboratorion tutkimus- ja kehitystyöhön
Hielscherin laboratorion ultraäänihomogenisaattorit ovat täydellinen sekoitustyökalu laboratoriomittakaavan tutkimus- ja kehitystyöhön. Hielscherin laboratorio-ultraäänilaitteita käytetään tyypillisesti pienten erien ultraäänisekoitukseen. Hielscherin ultraäänihomogenisaattorit tarjoavat tarkan parametrien hallinnan ja erinomaisen toistettavuuden mittakaavan suurentamisen valmistelua varten. Tämä helpottaa eri koostumusten sekoittamista sekä ultraäänikäsittelyn voimakkuuden ja keston vaikutusten määrittämistä.
Jatkuvatoiminen ultraäänisekoitus tuotannossa
Mittakaavan suurentamiseen tarvittava ultraäänisekoituslaitteisto voidaan määrittää tarkasti laboratoriokokeen perusteella. Suurten sementti- tai betonitilavuusvirtojen käsittelyssä tehokkaita ultraäänilaitteita käytetään yleensä jatkuvatoimisesti läpivirtausreaktoreilla. Tämä mahdollistaa erittäin tasaisen sekoituksen ja pastojen ja lietteiden virheettömän käsittelyn – myös erittäin suurilla viskositeeteilla.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista käsiteltävän erän tilavuuden tai tilavuusvirran mukaan:
| Erän tilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| 15–150 L | 3–15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä: UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus / Lähteet
- 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.
Sementin jatkuvatoiminen sekoittaminen ultraäänilaitteella
Hielscherin ultraäänisekoittimet asennetaan tyypillisesti tuotantolinjaan. Materiaali pumpataan ultraäänireaktorin säiliöön. Siellä se altistuu voimakkaalle ultraäänikavitaatiolle. Jatkuvatoiminen ultraäänikäsittely estää ohivirtauksen, sillä kaikki hiukkaset kulkevat sekoituskammion läpi määrättyä reittiä pitkin. Siksi ultraäänikäsittely tyypillisesti siirtää hiukkaskokojakaumakäyrää sen leventämisen sijaan.
Kestävä ja helppo puhdistaa
Ultraäänisekoitusreaktori koostuu virtauskennosta ja sonotrodeista. Laakereita ei tarvita. Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen virtauskennoreaktorien geometria on yksinkertainen, ja ne voidaan helposti purkaa ja puhdistaa. Niissä ei ole pieniä aukkoja tai piilossa olevia nurkkia.
Ultraäänen muut sovellukset sementille ja betonille
Hielscherin ultraäänilaitteiden käyttö sementtien ja betonien valmistuksessa ei rajoitu sementin esiseosten tai betonien sekoittamiseen ja dispergointiin. Ultraääni on erittäin tehokas keino kaasunpoistoon nesteistä ja lietteistä. Tämä vähentää kovettuneeseen betoniin jääneiden kaasukuplien määrää ja tilavuutta.
Ultraääniseulontatäryttimet parantavat pienihiukkasisten jauheiden seulonnan kapasiteettia ja laatua. Hielscher tarjoaa ultraäänellä tärytettyjä seuloja laboratorio- ja teollisuussovelluksiin.
Taustatietoa betonista
Betoni koostuu sementistä, esimerkiksi portlandsementistä, ja muista sementtimäisistä sideaineista, kuten lentotuhkasta ja kuonasementistä, kiviaineksesta (sora, kalkkikivi, graniitti, hiekka), vedestä ja kemiallisista lisäaineista. Tyypillisiä lisäaineita ovat kiihdyttimet tai hidastimet, notkistimet, pigmentit, silika tai erittäin reaktiivinen metakaoliini (HRM). Mikropiidioksidi on betonin tyypillinen lisäaine. Sen haittapuolia ovat suhteellisen korkeat kustannukset ja likaantuminen, joka vaikuttaa laitteiden käyttäjien ja työntekijöiden terveyteen.