Mélange par ultrasons de pâte de ciment pour le béton

Le mélange par ultrasons de pâte de ciment offre des avantages considérables pour le moulage d’éléments préfabriqués, la fabrication de béton à démoulage immédiat et les centrales à béton. Ces avantages comprennent des temps de début et de fin de prise plus courts, un dosage réduit de superplastifiant, une hydratation plus rapide et plus complète, ainsi qu’une résistance à la compression accrue.

Les technologies traditionnelles de mélange du béton, telles que le « mélange pendant le transport routier » ou les malaxeurs rotatifs, ne fournissent pas une action de mélange suffisante pour disperser les agglomérats de particules de ciment et d’autres matériaux cimentaires, tels que les cendres volantes ou la silice. Alors que les particules extérieures de ces agglomérats sont exposées à l’eau, les surfaces des particules intérieures restent sèches. Il en résulte une hydratation lente et incomplète.

Avantages de la technologie de mélange par ultrasons pour le béton

La dispersion par ultrasons est la technologie la plus avancée pour désagglomérer et disperser des matériaux de taille micrométrique et nanométrique dans des liquides. Le mélange par ultrasons utilise des forces de cisaillement dues à la cavitation, plus efficaces pour mélanger des matériaux fins que les malaxeurs rotatifs et les mélangeurs rotor-stator classiques. Pour le ciment, la silice, les cendres volantes, les pigments ou les CNT, la dispersion par ultrasons améliore considérablement les performances de ces matériaux, car elle améliore la répartition des particules et leur contact avec l’eau.

Pendant l’hydratation – la réaction du ciment avec l’eau – les phases C‑S‑H développent des structures en forme d’aiguilles. Les images ci-dessous montrent la microstructure de la pâte de ciment après 5 heures d’hydratation. Dans la pâte de ciment soniquée, les phases C‑S‑H mesurent près de 500nm de long, tandis que dans la pâte non soniquée, elles mesurent environ 100nm.

Microstructure de la pâte de ciment après un temps d’hydratation de 5hrs

avec traitement par ultrasons	sans traitement par ultrasons
Pâte de ciment Portland (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Université Bauhaus de Weimar

 
Le mélange par cavitation induite par les ultrasons entraîne une croissance plus rapide des phases C‑S‑H.

 
Température d’hydratation

Influence de la sonication de puissance (PUS) sur les courbes temps-température des pâtes de ciment

 
Résistance à la compression

Influence de la sonication de puissance (PUS) sur la résistance à la compression des éprouvettes prismatiques de mortier

 
Vitesse de propagation des impulsions ultrasonores

Influence de la sonication de puissance (PUS) sur la vitesse de propagation des impulsions ultrasonores dans les pâtes de ciment en cours d’hydratation

La croissance des phases C‑S‑H est corrélée à la température dans la pâte de ciment pendant la période d’hydratation (cliquez sur le graphique à droite). Dans la pâte de ciment mélangée par ultrasons, l’ hydratation commence environ une heure plus tôt. Une hydratation plus précoce est corrélée à une augmentation plus précoce de la résistance à la compression. L’accélération de l’hydratation peut également être mesurée par la vitesse de propagation des impulsions ultrasonores.

En particulier pour le béton préfabriqué et le béton à démoulage immédiat, cela réduit considérablement le délai avant que le béton moulé puisse être démoulé. Des études de l’Université Bauhaus (Allemagne) ont montré les réductions suivantes des temps de prise.

Un autre avantage intéressant du mélange par ultrasons est son influence sur la fluidité. Comme le montre le tableau ci-dessus, l’affaissement augmente d’environ 30%. Cela permet de réduire le dosage des superplastifiants.

Intégration des mélangeurs à ultrasons dans le procédé de production du ciment

Hielscher propose des mélangeurs à ultrasons pour la dispersion efficace du ciment, de la silice, des cendres volantes, des pigments ou des CNT. Tout matériau sec doit d’abord être prémélangé avec de l’eau pour former une pâte fortement concentrée mais néanmoins pompable. Le mélangeur à ultrasons Hielscher désagglomère et disperse les particules grâce au cisaillement dû à la cavitation. Ainsi, toute la surface de chaque particule est entièrement exposée à l’eau.

Traitement de la pâte de ciment par ultrasons

Dans le cas de la pâte de ciment, l’hydratation commence après le traitement par ultrasons. Le mélangeur à ultrasons Hielscher doit donc être utilisé en ligne, car la pâte de ciment ne peut pas être stockée pendant de longues périodes. Le schéma ci-dessous illustre le procédé. À l’étape suivante, les granulats, tels que le sable ou le gravier, sont ajoutés et mélangés à la pâte de ciment. Comme les particules de ciment sont déjà bien dispersées à ce stade, la pâte de ciment se mélange bien aux granulats. Le béton est alors prêt à être coulé dans des moules de préfabrication ou à être transporté. Une cuve « break-up » à côté du mélangeur à ultrasons peut être utilisée pour assurer un traitement plus continu lorsque la demande de béton est irrégulière.
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Dispersion par ultrasons de la silice, des cendres volantes et des nanomatériaux

La dispersion de silice, de cendres volantes, de pigments ou d’autres nanomatériaux, tels que les nanotubes de carbone, nécessite des intensités de traitement et des niveaux d’énergie différents. C’est pourquoi nous recommandons un mélangeur à ultrasons séparé pour produire une suspension ou une pâte bien dispersée, qui est ensuite ajoutée au mélange de béton. Veuillez cliquer sur le graphique ci-dessus pour consulter un schéma de ce procédé.

L’équipement de mélange par ultrasons nécessaire au changement d’échelle peut être déterminé précisément à partir d’essais à l’échelle pilote réalisés avec le UIP1000hdT, un puissant sonicateur à l’échelle pilote de 1 000 watts. Le tableau ci-dessous présente des recommandations générales d’appareils en fonction du volume par lot ou du débit de pâte de ciment à traiter.

Avec une puissance de mélange par ultrasons allant jusqu’à 16kW par sonde ultrasonore, Hielscher offre la puissance de traitement nécessaire aux applications à grand volume. Cette technologie est facile à tester et son changement d’échelle est linéaire.