Mélange Ultrasonique de la Pâte de Ciment

Le mélange ultrasonique de la pâte de ciment offre de grands avantages pour les usines de moulage de préfabriqués, de préfabrication à sec et de béton. Ces avantages comprennent des temps de prise initiaux et finaux plus courts, un dosage plus faible de superplastifiant, une hydratation plus rapide et plus complète, ainsi qu'une résistance à la compression plus élevée.

Les technologies traditionnelles de mélange du béton, telles que “mélange routier” ou les malaxeurs rotatifs, n'assurent 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 intérieures des particules restent sèches. Il en résulte une hydratation lente et incomplète.

Avantages de la technologie de mélange par ultrasons pour le béton

La dispersion ultrasonique est la technologie la plus avancée pour désagglomérer et disperser les matériaux de taille micronique et nanométrique dans les liquides. Le mélange ultrasonique utilise des forces de cisaillement cavitationnelles qui sont plus efficaces pour mélanger les matériaux de taille fine que les mélangeurs rotatifs conventionnels et les mélangeurs à rotor-stator. Pour le ciment, la silice, les cendres volantes, les pigments ou les NTC, la performance de ces matériaux est considérablement accrue par la dispersion ultrasonique, car elle améliore la distribution des particules et le contact avec l'eau.

Au cours de 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 traitée aux ultrasons, les phases C-S-H mesurent près de 500 nm de long, tandis que dans la pâte non traitée, les phases C-S-H mesurent environ 100 nm.

Microstructure de la pâte de ciment après 5 heures d'hydratation

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 ultrasons conduit à une croissance plus rapide des phases C-S-H.

 
Température d'hydratation

Influence de l'ultrasonication de puissance (PUS) sur les courbes temps-température des pâtes à base de ciment

 
Résistance à la compression

Influence de l'ultrasonication de puissance (PUS) sur la résistance à la compression des prismes de mortier

 
Vitesse d'impulsion des ultrasons

Influence de l'ultrasonication de puissance (PUS) sur la vitesse d'impulsion ultrasonique des pâtes de ciment en cours d'hydratation

La croissance des phases C-S-H est corrélée à la température de la pâte de ciment pendant la période d'hydratation (cliquer sur le graphique de droite). Dans la pâte de ciment mélangée aux ultrasons, les phases C-S-H se développent en fonction de la température de la pâte. l'hydratation commence environ une heure plus tôt. Une hydratation plus précoce est corrélée à une augmentation plus rapide de la résistance à la compression. L'augmentation de la vitesse d'hydratation peut également être mesurée par la vitesse d'impulsion des ultrasons.

En particulier pour le béton préfabriqué et le béton sec, cela permet de réduire considérablement le temps nécessaire au démoulage du béton. Des études menées par l'université du Bauhaus (Allemagne) ont montré la réduction suivante 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 la production de ciment

Hielscher propose des mélangeurs à ultrasons pour la dispersion efficace du ciment, de la silice, des cendres volantes, des pigments ou des NTC. Tout matériau sec doit d'abord être prémélangé avec de l'eau pour former une pâte à haute concentration mais pompable. Le mélangeur ultrasonique Hielscher désagglomère et disperse les particules en utilisant le cisaillement par cavitation. Ainsi, toute la surface de chaque particule est entièrement exposée à l'eau.

Traitement ultrasonique de la pâte de ciment

Dans le cas de la pâte de ciment, l'hydratation commence après le traitement par ultrasons. Par conséquent, le mélangeur à ultrasons Hielscher doit être utilisé en ligne, car la pâte de ciment ne peut pas être stockée pendant de longues périodes. Le schéma ci-dessous illustre le processus. Dans l'étape suivante, les agrégats, 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 à l'agrégat. Le béton est alors prêt à être versé dans des moules de préfabrication ou à être transporté. Un réservoir de rupture situé à côté du mélangeur à ultrasons peut être utilisé pour un traitement plus continu en cas de demande de béton instable.
En savoir plus sur la désagglomération par ultrasons des particules de ciment !

Disperser par ultrasons la silice, les cendres volantes et les nanomatériaux

La dispersion de la silice, des cendres volantes, des pigments ou d'autres nanomatériaux, tels que les nanotubes de carbone, nécessite d'autres intensités de traitement et d'autres niveaux d'énergie. C'est pourquoi nous recommandons l'utilisation d'un mélangeur à ultrasons séparé pour produire une boue/pâte bien dispersée qui sera ensuite ajoutée au mélange de béton. Cliquez sur le graphique ci-dessus pour obtenir un schéma de ce processus.

L'équipement de mélange par ultrasons nécessaire à la mise à l'échelle peut être déterminé avec précision sur la base d'essais à l'échelle pilote réalisés avec l'UIP1000hdT, un sonicateur puissant de 1 000 watts à l'échelle pilote. Le tableau ci-dessous présente les recommandations générales relatives à l'appareil en fonction du volume du lot ou du débit de la pâte de ciment à traiter.

Avec une puissance de mélange ultrasonique pouvant atteindre 16 kW par sonde ultrasonique, Hielscher offre la puissance de traitement nécessaire pour les applications à haut volume. Cette technologie est facile à tester et s'étend de façon linéaire.