Mélange par ultrasons pour le béton haute performance
L’utilisation de microsilice, de nanosilice ou de nanotubes améliore la résistance à la compression du béton haute performance. La sonication est un moyen efficace de mélanger, de mouiller et de disperser les nanomatériaux dans le ciment ou le béton.
La microsilice est aujourd’hui largement utilisée dans le béton, permettant d’obtenir une résistance à la compression plus élevée ou des bétons résistants à l’eau et aux produits chimiques. Cela peut réduire les coûts des matériaux et la consommation d’énergie. De nouveaux nanomatériaux, comme la nanosilice ou les nanotubes, améliorent encore la résistance mécanique et la résistance aux agressions. Toutefois, pour exploiter pleinement le potentiel des nanomatériaux, une technique de dispersion fiable et efficace est nécessaire. Les sonicateurs à sonde constituent la technique la plus fiable et la plus efficace pour produire une nanodispersion, même dans des suspensions très visqueuses et pâteuses comme le ciment et le béton.
Dispersion de coulis de ciment microfin avec des mélangeurs à ultrasons
Dans l’article de recherche présenté par l’équipe de Draganović, les auteurs étudient la dispersion de coulis de ciment microfin à l’aide de la technologie des ultrasons et de disperseurs de laboratoire conventionnels. L’étude vise à comparer les performances des ultrasons – en particulier celles du sonicateur UP400St utilisé dans l’étude – à celles des méthodes traditionnelles de dispersion des coulis.
Les chercheurs ont mené une série d’expériences avec différentes techniques de dispersion afin d’évaluer la distribution granulométrique (PSD) et le potentiel zêta des particules de ciment microfin. Les techniques de dispersion comprennent le traitement par ultrasons avec le sonicateur UP400St, les disperseurs de laboratoire à grande vitesse et la combinaison des deux méthodes.
MultiSonoReactor MSR-4 : dispersion par ultrasons en ligne pour la production industrielle en ligne de ciment et de béton haute performance.
Les résultats ont montré que la dispersion par ultrasons avec le sonicateur UP400St permettait d’obtenir une distribution granulométrique nettement meilleure que celle obtenue avec les disperseurs de laboratoire conventionnels. Le sonicateur UP400St réduit efficacement l’agglomération des particules de ciment microfin et produit une suspension de coulis plus homogène et plus stable. Le traitement par ultrasons améliore la répartition des particules les plus petites, ce qui se traduit par une plage de distribution granulométrique plus étroite.
Méthodes de dispersion comparées : disperseur Vma-Getzmann Dispermat CV-3 équipé d’un disque de 90-mm et d’un système rotor-stator. Appareil à ultrasons Hielscher UP400St équipé d’une sonotrode H22.
(Étude et images : ©Draganovic et al., 2020)
De plus, l’utilisation des ultrasons en combinaison avec des disperseurs de laboratoire conventionnels améliore encore l’efficacité de la dispersion, permettant d’obtenir une distribution granulométrique encore plus fine qu’avec le traitement par ultrasons seul. Lorsque les deux méthodes sont combinées, la sonication assure le micromélange et la nanodispersion, tandis que le disperseur contribue au macromélange en veillant à ce que toutes les particules pénètrent dans la zone de cavitation ultrasonore. Cela permet de mieux contrôler la distribution granulométrique (PSD) et le potentiel zêta du coulis de ciment microfin lors du traitement par lots. Lorsqu’un réacteur à cellule à circulation est utilisé, la suspension de particules traverse automatiquement la zone de cavitation intense, rendant toute agitation supplémentaire superflue.
Dans l’ensemble, l’étude met en évidence les performances supérieures du sonicateur UP400St pour disperser le coulis de ciment microfin. Le traitement par ultrasons, en particulier lorsqu’il est combiné à des disperseurs de laboratoire conventionnels, offre une méthode très efficace et efficiente pour obtenir une suspension uniforme et stable de particules de ciment microfin.
Il convient de noter que l’article fournit une comparaison complète entre les ultrasons et les méthodes de dispersion conventionnelles, mettant en évidence les performances supérieures de la sonication pour la dispersion des coulis.
(cf. Draganović et al., 2020)
L’homogénéisateur à ultrasons UP400St est comparé, sur le plan de l’efficacité de dispersion du coulis de ciment, à un mélangeur de laboratoire ordinaire équipé d’un disque et à la technique rotor-stator. L’étude a montré que la dispersion par ultrasons est une méthode efficace et qu’elle donne même de meilleurs résultats qu’un mélangeur utilisant la technique rotor-stator.
(Étude et graphique : © Draganović et al., 2020)
Recherche et développement sur le béton
La recherche sur le béton vise à trouver des matériaux et des procédés permettant de :
- réduire les coûts des matériaux et les coûts énergétiques
- obtenir une résistance initiale et finale élevée
- améliorer la densité et la résistance à la compression
- améliorer l’ouvrabilité, la pompabilité et l’aptitude à la finition
- améliorer la durabilité et réduire la perméabilité
- réduire les problèmes de fissuration due au retrait, de farinage et de délamination
- assurer la résistance chimique, par exemple la résistance aux sulfates
Mélange du ciment et du béton
Pour améliorer les propriétés du béton, la technologie de mélange est aussi importante que la composition du béton. Le mélange est une étape essentielle de la production d’un béton homogène et de haute qualité. Bien que de nombreuses directives et réglementations, comme la norme DIN EN 206, portent sur la composition du béton et de ses constituants, le procédé de mélange du ciment et du béton lui-même est laissé à l’utilisateur.
Il est déterminant que l’eau, le ciment et les adjuvants soient dispersés et répartis uniformément jusqu’à une échelle fine, et que les agglomérats soient suffisamment dispersés. Une dispersion ou une désagglomération insuffisante dégrade les propriétés du béton. En raison de la faible teneur en eau et du dosage élevé en adjuvants, le mélange du béton autoplaçant (SCC) et du béton à ultra-haute résistance (UHPC) nécessite un temps de mélange plus long ou une technologie de mélange plus efficace.
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Nanomatériaux dans le béton
Pendant l’hydratation du ciment, des produits d’hydratation nanométriques, comme les hydrates de calcium, se forment dans le béton en cours de durcissement. Les nanoparticules de silice ou les nanotubes se transforment en nanoparticules de ciment pendant la solidification du béton. Des particules plus petites réduisent la distance entre les particules et donnent un matériau plus dense et moins poreux. Cela augmente la résistance à la compression et réduit la perméabilité.
Un inconvénient majeur des poudres et des matériaux nanométriques est toutefois leur tendance à former des agglomérats pendant le mouillage et le mélange. Si les particules individuelles ne sont pas bien dispersées, l’agglomération réduit la surface exposée des particules, ce qui dégrade les propriétés du béton.
Le processeur à ultrasons UIP16000 est un homogénéisateur haute performance pour la dispersion du ciment et du béton
Mélange par ultrasons : dispersion homogène des nanomatériaux dans les pâtes de ciment
La sonication est un moyen très efficace de mélanger, de disperser et de désagglomérer. L’image ci-dessous montre un résultat typique de la dispersion par ultrasons de silice pyrogénée dans l’eau.
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À partir d’une taille initiale des agglomérats supérieure à 200 microns (D50), représentée par la courbe verte, la taille de la plupart des particules a été réduite à moins de 200 nanomètres.
Mélange par ultrasons à toutes les échelles
Hielscher propose des appareils de mélange par ultrasons pour la recherche et le traitement à l’échelle industrielle.
Sonicateurs pour la recherche et le développement en laboratoire
Les homogénéisateurs à ultrasons de laboratoire Hielscher sont l’outil de mélange idéal pour la recherche et le développement à l’échelle du laboratoire. Les sonicateurs de laboratoire Hielscher sont généralement utilisés pour le mélange par ultrasons de petits lots. Les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher offrent un contrôle précis des paramètres et une excellente reproductibilité pour préparer le changement d’échelle. Il est ainsi facile de mélanger différentes formulations et de déterminer l’incidence de l’intensité et de la durée de la sonication.
Mélange par ultrasons en ligne en production
L’équipement de mélange par ultrasons nécessaire au changement d’échelle peut être déterminé précisément à partir de l’essai en laboratoire. Pour traiter des flux de ciment ou de béton de grand volume, les sonicateurs haute performance fonctionnent généralement en mode continu à l’aide de réacteurs à circulation. Cela permet un mélange très homogène et un traitement sans défaut des pâtes et des suspensions – même à des viscosités très élevées.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs en fonction du volume du lot ou du débit à traiter :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
| sans objet | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| sans objet | plus élevé | ensemble de UIP16000 |
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Bibliographie / Références
- 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.
Mélange du ciment en ligne avec un sonicateur
Les mélangeurs à ultrasons Hielscher sont généralement installés en ligne. Le matériau est pompé dans la cuve du réacteur à ultrasons. Il y est exposé à une cavitation ultrasonore intense. La sonication en ligne élimine les passages sans traitement, car toutes les particules traversent la chambre de mélange en suivant un trajet défini. Ainsi, la sonication déplace généralement la courbe de distribution granulométrique plutôt que de l’élargir.
Robuste et facile à nettoyer
Un réacteur de mélange par ultrasons se compose de la cellule à circulation et des sonotrodes. Aucun palier n’est nécessaire. Les réacteurs à cellule à circulation en acier inoxydable ont une géométrie simple et peuvent être facilement démontés et nettoyés. Ils ne comportent ni petits orifices ni recoins cachés.
Autres applications des ultrasons pour le ciment et le béton
L’utilisation des appareils à ultrasons Hielscher dans la préparation des ciments et des bétons ne se limite pas au mélange et à la dispersion des prémélanges de ciment ou des bétons. Les ultrasons sont un moyen très efficace de dégazer les liquides et les suspensions. Cela réduit le nombre et le volume des bulles de gaz piégées dans le béton après durcissement.
Les tamiseuses à ultrasons améliorent la capacité de traitement et la qualité du tamisage des poudres à particules fines. Hielscher propose des tamis agités par ultrasons pour les applications de laboratoire et industrielles.
Informations générales sur le béton
Le béton est composé de ciment, par exemple de ciment Portland, et d’autres matériaux cimentaires, comme les cendres volantes et le ciment au laitier, de granulats (gravier, calcaire, granite, sable), d’eau et d’adjuvants chimiques. Les adjuvants courants comprennent les accélérateurs ou les retardateurs, les plastifiants, les pigments, la fumée de silice ou le métakaolin à haute réactivité (HRM). La microsilice est un adjuvant courant du béton. Ses inconvénients sont son coût relativement élevé et la contamination qui affecte la santé des opérateurs et des travailleurs.