Ultraäänisekoitus korkean suorituskyvyn betonille
Mikro- ja nanopiidioksidin tai nanoputkien käyttö parantaa korkean suorituskyvyn betonin puristuslujuutta. Ultrasonication on tehokas keino nanomateriaalien sekoittamiseen, kostuttamiseen ja dispergointiin sementtiin tai betoniin.
Mikropiidioksidia käytetään nykyään laajalti betonissa, mikä johtaa suurempaan puristuslujuuteen tai vettä ja kemikaaleja kestäviin betoneihin. Tämä voi vähentää materiaalikustannuksia ja energiankulutusta. Uudet nanomateriaalit, kuten nanopiidioksidi tai nanoputket, parantavat vastustuskykyä ja lujuutta entisestään. Nanomateriaalien täyden potentiaalin hyödyntäminen edellyttää kuitenkin luotettavaa ja tehokasta dispersiotekniikkaa. Koetintyyppiset sonikaattorit ovat luotettavin ja tehokkain tekniikka nanodispersion tuottamiseksi, jopa erittäin viskooseissa ja tahnamaisissa lieteissä, kuten sementissä ja betonissa.
Mikrohieno sementtilaastidispersio ultraäänisekoittimilla
Draganovićin tutkimusryhmä esittelee tutkimusartikkelin, jossa kirjoittajat tutkivat mikrohienosementtilaastin leviämistä ultraäänitekniikalla ja tavanomaisilla laboratorioliuottimilla. Tutkimuksen tavoitteena on verrata ultraäänen suorituskykyä – tutkimuksessa erityisesti sonikaattori UP400St – perinteisillä laastin levitysmenetelmillä.
Tutkijat suorittivat sarjan kokeita käyttäen erilaisia dispersiotekniikoita mikrohienojen sementtihiukkasten hiukkaskokojakauman (PSD) ja zeta-potentiaalin arvioimiseksi. Dispersiotekniikoihin kuuluvat ultraäänikäsittely UP400St-sonikaattorilla, nopeat laboratorioliuottimet ja molempien menetelmien yhdistelmä.
Tulokset osoittivat, että ultraäänidispersio käyttämällä sonikaattoria UP400St saavutti huomattavasti paremman hiukkaskokojakauman verrattuna tavanomaisiin laboratorioliuottimiin. Sonikaattori UP400St vähentää tehokkaasti mikrohienojen sementtihiukkasten kasautumista ja tuottaa homogeenisemman ja vakaamman laastisuspension. Ultraäänikäsittely parantaa pienempien hiukkasten jakautumista, mikä johtaa kapeampaan hiukkaskokojakaumaan.

Verrattu dispersiomenetelmät: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 -liuotin, joka on varustettu 90 mm: n levyllä ja roottori-staattorijärjestelmällä. Hielscher UP400St ultraäänilaite varustettu H22-sonotrodilla.
(Tutkimus ja kuvat: ©Draganovic et al., 2020)
Lisäksi ultraäänen käyttö yhdessä tavanomaisten laboratorioliuottimien kanssa parantaa edelleen dispersiotehokkuutta, jolloin saavutetaan vielä hienompi hiukkaskokojakauma verrattuna pelkästään ultraäänikäsittelyyn. Yhdistettynä sonikaatio tarjoaa mikrosekoituksen ja nanodispersion, kun taas liuotin edistää makrosekoitusta varmistaen, että kaikki hiukkaset ultraäänikavitaatiovyöhykkeelle. Tämä mahdollistaa mikrohienosementtilaastin hiukkaskokojakauman (PSD) ja zetapotentiaalin paremman hallinnan eräkäytössä. Virtauskennoreaktoria käytettäessä hiukkassuspensio kulkee automaattisesti kavitaatiopistevyöhykkeen läpi siten, että lisäsekoitus on tarpeeton.
Kaiken kaikkiaan tutkimuksessa korostetaan sonikaattorin UP400St erinomaista suorituskykyä mikrohienon sementtilaastin hajottamisessa. Ultraäänikäsittely, erityisesti yhdistettynä tavanomaisiin laboratorioliuottimiin, tarjoaa erittäin tehokkaan ja tehokkaan menetelmän mikrohienojen sementtihiukkasten yhtenäisen ja stabiilin suspension saavuttamiseksi.
On syytä huomata, että artikkelissa on kattava vertailu ultraäänen ja tavanomaisten dispersiomenetelmien välillä, mikä korostaa sonikoinnin erinomaista suorituskykyä laastin dispersiossa.
(vrt. Draganović et al., 2020)

Ultraäänihomogenisaattori UP400St verrataan sementtilaastin dispersiotehokkuutta tavalliseen levyllä varustettuun laboratoriosekoittimeen ja roottori-staattoritekniikkaan. Tutkimus osoitti, että ultraäänidispersio ei ole vain tehokas menetelmä, vaan se on jopa parempi kuin roottori-staattoritekniikkaa käyttävä sekoitin.
(tutkimus ja grafiikka: © Draganović et al., 2020)
Konkreettinen tutkimus ja kehitys
Konkreettinen tutkimus etsii materiaaleja ja prosesseja:
- vähentää materiaali- ja energiakustannuksia
- saada korkea alku- ja loppuvastus
- parantaa tiheyttä ja puristuslujuutta
- parantaa työstettävyyttä, pumpattavuutta ja viimeistelyä
- parantaa kestävyyttä ja vähentää läpäisevyyttä
- vähentää kutistumishalkeamia, pölyämistä ja delaminaatio-ongelmia
- kemiallinen kestävyys, esim. sulfaattiresistenssi
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, kattavat betonin ja sen komponenttien koostumuksen, varsinainen sementin ja betonin sekoitusprosessi on jätetty käyttäjän tehtäväksi.
Ratkaisevaa on, että vesi, sementti ja lisäaineet hajaantuvat tasaisesti ja hienojakoisesti ja että agglomeraatit ovat riittävän dispergoituneita. Riittämätön dispergointi tai deagglomeraatio johtaa huonompiin betoniominaisuuksiin. Alhaisen vesipitoisuuden ja lisäaineiden suuren annoksen vuoksi itsetiivistyvän betonin (SCC) ja erittäin lujan betonin (UHPC) sekoittaminen vaatii pidemmän sekoitusajan tai tehokkaamman sekoitustekniikan.
Nanomateriaalit betonissa
Sementin nanomittakaavan hydratoinnin aikana kovettuvaan betoniin muodostuu hydratoitumistuotteita, kuten kalsiumhydraatteja. Piidioksidin tai nanoputkien nanohiukkaset muuttuvat sementin nanohiukkasiksi betonin jähmettymisen aikana. Pienemmät hiukkaset johtavat lyhyempään hiukkasetäisyyteen ja tiheämpään ja vähemmän huokoiseen materiaaliin. Tämä lisää puristuslujuutta ja vähentää läpäisevyyttä.
Nanokokoisen jauheen ja materiaalien suuri haittapuoli on kuitenkin taipumus muodostaa agglomeraatteja kostutuksen ja sekoittamisen aikana. Elleivät yksittäiset hiukkaset ole hyvin dispergoituneet, taajama pienentää paljaan hiukkasen pintaa, mikä johtaa huonompiin betoniominaisuuksiin.
Nanomateriaalien ultraäänisekoitus
Ultrasonication on erittäin tehokas keino sekoittamiseen, hajottamiseen ja deagglomeraatioon. Alla olevassa kuvassa on tyypillinen tulos savupiidioksidin ultraäänidispergoinnista veteen.
Alkaen (vihreä käyrä) yli 200 mikronin agglomeraattihiukkaskoosta (D50) suurin osa hiukkasista pelkistyi alle 200 nanometriin.
Ultraääni sekoittaminen missä tahansa mittakaavassa
Hielscher tarjoaa ultraäänisekoituslaitteita käytettäväksi tutkimuksessa ja täysimittaisessa käsittelyssä.
Sonikaattorit laboratoriotutkimukseen ja kehittämiseen
Hielscherin ultraäänilaboratoriohomogenisaattorit ovat täydellinen sekoitustyökalu tutkimukseen ja kehitykseen laboratoriomittakaavassa. Hielscher-laboratorion sonikaattoreita käytetään tyypillisesti pienten erien ultraäänisekoittamiseen. Hielscherin ultraäänihomogenisaattorit tarjoavat tarkan parametrien hallinnan ja erinomaisen toistettavuuden asteikon valmisteluun. Tämä helpottaa eri formulaatioiden sekoittamista ja määrittää ultrasonication-intensiteetin ja sonikoinnin keston vaikutuksen.
Ultraääni inline sekoittaminen tuotannossa
Skaalaamiseen tarvittavat ultraäänisekoituslaitteet voidaan määrittää tarkasti laboratoriotestin perusteella. Suurten sementti- tai betonivirtojen käsittelemiseksi korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita käytetään yleensä jatkuvassa virtaustilassa käyttämällä läpivirtausreaktoreita. Tämä mahdollistaa erittäin tasaisen sekoittamisen ja tahnojen ja lietteen virheettömän käsittelyn – jopa erittäin korkeilla viskositeeteilla.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista riippuen käsiteltävän erän tilavuudesta tai virtausnopeudesta:
Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
---|---|---|
1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
15-150L | 3 - 15L / min | UIP6000hdT |
n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus / Viitteet
- 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 sisäinen sekoittaminen sonikaattorilla
Hielscherin ultraäänisekoittimet asennetaan tyypillisesti linjaan. Materiaali pumpataan ultraäänireaktoriastiaan. Siellä se altistuu voimakkaalle ultraäänikavitaatiolle. Inline-sonikaatio eliminoi ohituksen, kun kaikki hiukkaset kulkevat sekoituskammion läpi määritellyn polun jälkeen. Siksi ultrasonication siirtää tyypillisesti hiukkaskoon jakautumiskäyrää sen sijaan, että laajentaisi sitä.
Kestävä ja helppo puhdistaa
Ultraäänisekoitusreaktori koostuu virtaussolusta ja sonotrodeista. Laakereita ei tarvita. Virtauskennoreaktoreilla (ruostumaton teräs) on yksinkertainen geometria ja ne voidaan helposti purkaa ja puhdistaa. Pieniä aukkoja tai piilotettuja kulmia ei ole.
Muut sementin ja betonin ultraäänisovellukset
Hielscherin ultraäänilaitteiden käyttö sementtien ja betonien valmistuksessa ei rajoitu sementin esiseosten tai betonien sekoittamiseen ja dispergointiin. Ultraääni on erittäin tehokas keino nesteiden ja lietteiden kaasunpoistoon. Tämä vähentää betoniin kovettumisen jälkeen juuttuneiden kaasukuplien määrää ja tilavuutta.
Ultraääniseulan ravistimet parantaa pienten hiukkasten jauheseulonnan läpäisykykyä ja laatua. Hielscher tarjoaa ultraäänellä kiihtyneitä seuloja laboratorio- ja teollisuussovelluksiin.
Konkreettista taustatietoa
Betoni koostuu sementistä, esimerkiksi portland-sementistä ja muista sementtimateriaaleista, kuten lentotuhkasta ja kuonasementistä, kiviaineksesta (sora, kalkkikivi, graniitti, hiekka), vedestä ja kemiallisista lisäaineista. Tyypillisiä lisäaineita ovat kiihdyttimet tai hidastimet, pehmittimet, pigmentit, piidioksidihöyry tai korkean reaktiivisuuden metakaoliini (HRM). Mikropiidioksidi on tyypillinen sekoitus betoniin. Sen haittana on sen suhteellisen korkeat kustannukset ja saastuminen, joka vaikuttaa käyttäjien ja työntekijöiden terveyteen.