ערבוב אולטרסוני לבטון בעל ביצועים גבוהים

השימוש במיקרו־סיליקה ובננו־סיליקה או בננו־צינוריות מוביל לשיפור חוזק הלחיצה של בטון בעל ביצועים גבוהים. סוניקציה היא אמצעי יעיל לערבוב, להרטבה ולפיזור של ננו־חומרים בצמנט או בבטון.
 

מיקרו־סיליקה נמצאת כיום בשימוש נרחב בבטון, ומובילה לחוזק לחיצה גבוה יותר או לבטון עמיד בפני מים וכימיקלים. הדבר עשוי להפחית את עלויות החומרים ואת צריכת האנרגיה. ננו־חומרים חדשים, כגון ננו־סיליקה או ננו־צינוריות, מובילים לשיפורים נוספים בעמידות ובחוזק. אולם כדי לממש את מלוא הפוטנציאל של ננו־חומרים, נדרשת טכניקת פיזור אמינה ויעילה. סוניקטורים מסוג גשוש הם האמצעי האמין והיעיל ביותר ליצירת פיזור ננומטרי, אפילו בתרחיפים צמיגים מאוד ובעלי מרקם משחתי, כגון צמנט ובטון.

פיזור דייס צמנט מיקרו־דק באמצעות מערבלים אולטרסוניים

במאמר המחקר שמציג צוות המחקר של Draganović, המחברים חוקרים את פיזורו של דייס צמנט מיקרו־דק באמצעות טכנולוגיית אולטרסאונד ודיסולברים מעבדתיים קונבנציונליים. המחקר נועד להשוות את ביצועי האולטרסאונד – ובמחקר זה, בפרט, את ביצועי הסוניקטור UP400St – לשיטות מסורתיות לפיזור דייס.

החוקרים ערכו סדרת ניסויים באמצעות טכניקות פיזור שונות כדי להעריך את התפלגות גודל החלקיקים (PSD) ואת פוטנציאל הזטא של חלקיקי הצמנט המיקרו־דקים. טכניקות הפיזור כוללות טיפול באולטרסאונד באמצעות הסוניקטור UP400St, דיסולברים מעבדתיים במהירות גבוהה ושילוב של שתי השיטות.

התוצאות הראו שפיזור באולטרסאונד באמצעות הסוניקטור UP400St השיג התפלגות גודל חלקיקים טובה משמעותית בהשוואה לדיסולברים מעבדתיים קונבנציונליים. הסוניקטור UP400St מפחית ביעילות את היווצרות הצברים של חלקיקי הצמנט המיקרו־דקים ומייצר תרחיף דייס הומוגני ויציב יותר. הטיפול באולטרסאונד משפר את פיזורם של החלקיקים הקטנים יותר, וכתוצאה מכך מתקבל טווח צר יותר של התפלגות גודל החלקיקים.
 

שיטות הפיזור שהושוו: דיסולבר Vma-Getzmann Dispermat CV-3 המצויד בדיסקה בקוטר 90-mm ובמערכת רוטור־סטטור. מכשיר האולטרסאונד Hielscher UP400St המצויד בסונוטרודה H22.
(מחקר ותמונות: ©Draganovic et al., 2020)

 
בנוסף, השימוש באולטרסאונד בשילוב עם דיסולברים מעבדתיים קונבנציונליים משפר עוד יותר את יעילות הפיזור, ומשיג התפלגות של גדלי חלקיקים קטנים אף יותר בהשוואה לטיפול באולטרסאונד בלבד. בשילוב השיטות, הסוניקציה מספקת ערבוב ברמת המיקרו ופיזור ברמת הננו, ואילו הדיסולבר תורם לערבוב ברמת המאקרו ומבטיח שכל החלקיקים יגיעו לאזור הקוויטציה האולטרסונית. הדבר מאפשר שליטה טובה יותר בהתפלגות גודל החלקיקים (PSD) ובפוטנציאל הזטא של דייס הצמנט המיקרו־דק בעבודה באצוות. בעת שימוש בריאקטור עם תא זרימה, תרחיף החלקיקים עובר אוטומטית באזור המוקד הפעיל של הקוויטציה, כך שאין צורך בערבול הנוסף.

בסך הכול, המחקר מדגיש את הביצועים העדיפים של הסוניקטור UP400St בפיזור דייס צמנט מיקרו־דק. הטיפול באולטרסאונד, במיוחד בשילוב עם דיסולברים מעבדתיים קונבנציונליים, מציע שיטה אפקטיבית ויעילה ביותר להשגת תרחיף אחיד ויציב של חלקיקי צמנט מיקרו־דקים.

ראוי לציין שהמאמר מספק השוואה מקיפה בין אולטרסאונד לבין שיטות פיזור קונבנציונליות, ומדגיש את הביצועים העדיפים של סוניקציה בפיזור דייס.
(ראו Draganović et al., 2020)
 

ההומוגנייזר האולטרסוני UP400St מושווה מבחינת יעילות הפיזור של דייס צמנטי למערבל מעבדתי רגיל המצויד בדיסקה, ולערבול בטכניקת רוטור–סטטור. המחקר הראה שפיזור אולטרסוני הוא לא רק שיטה יעילה, אלא אף טוב יותר ממערבל המשתמש בטכניקת רוטור–סטטור.
(מחקר ותרשים: © Draganović et al., 2020)

מחקר ופיתוח בתחום הבטון

המחקר בתחום הבטון מחפש חומרים ותהליכים שיאפשרו:

• להפחית את עלויות החומרים והאנרגיה
• להשיג עמידות התחלתית וסופית גבוהה
• לשפר את הצפיפות ואת חוזק הלחיצה
• לשפר את העבידות, את יכולת השאיבה ואת יכולת הגימור
• לשפר את הקיימות ולהפחית את החדירות
• להפחית סדקי התכווצות, היווצרות אבק ובעיות של היפרדות שכבות
• עמידות כימית, למשל עמידות בפני סולפטים

ערבוב צמנט ובטון

בכל הנוגע לשיפור תכונות הבטון, טכנולוגיית הערבוב חשובה לא פחות מהרכב הבטון. ערבוב הוא שלב חיוני בייצור בטון אחיד ואיכותי. אף שהנחיות ותקנות רבות, כגון DIN EN 206, עוסקות בהרכב הבטון ובמרכיביו, תהליך ערבוב הצמנט וערבוב הבטון עצמו נותר בידי המשתמש.
יש חשיבות מכרעת לכך שהמים, הצמנט והמוספים יפוזרו ויתפלגו באופן אחיד עד לקנה מידה זעיר, ושהאגלומרטים יפוזרו במידה מספקת. פיזור או פירוק אגלומרטים שאינם מספקים מובילים לתכונות בטון ירודות. בשל תכולת המים הנמוכה והמינון הגבוה של המוספים, ערבוב בטון המצטופף מעצמו (SCC) ובטון בעל חוזק גבוה במיוחד (UHPC) דורש זמן ערבוב ארוך יותר או טכנולוגיית ערבוב יעילה יותר.
 
גלו כיצד אולטרסאונד רב־עוצמה משפר ומאיץ את ההידרציה ואת התפתחות החוזק של עיסות צמנט!
 

ננו־חומרים בבטון

במהלך ההידרציה של הצמנט נוצרים בבטון המתקשה תוצרי הידרציה בקנה מידה ננומטרי, כגון הידרטים של סידן. ננו־חלקיקי סיליקה או ננו־צינוריות הופכים לננו־חלקיקי צמנט במהלך התמצקות הבטון. חלקיקים קטנים יותר מובילים למרחקים קצרים יותר בין החלקיקים ולחומר צפוף יותר ונקבובי פחות. הדבר מגדיל את חוזק הלחיצה ומפחית את החדירות.

עם זאת, חיסרון משמעותי של אבקות וחומרים בגודל ננומטרי הוא הנטייה ליצור אגלומרטים במהלך ההרטבה והערבוב. אם החלקיקים הבודדים אינם מפוזרים היטב, האגלומרציה מצמצמת את שטח הפנים החשוף של החלקיקים ומובילה לתכונות בטון ירודות.

ערבוב אולטרסוני: פיזור הומוגני של ננו־חומרים בעיסות צמנט

סוניקציה היא אמצעי יעיל מאוד לערבוב, לפיזור ולפירוק אגלומרטים. התמונה שלהלן מציגה תוצאה אופיינית של פיזור אולטרסוני של סיליקה פירוגנית במים.
קראו עוד על מרגמות צמנט מחוזקות בננו־חומרים באמצעות פיזור אולטרסוני!

מגודל חלקיקי אגלומרטים התחלתי של יותר מ־200 מיקרון (D50) (העקומה הירוקה), גודלם של רוב החלקיקים הוקטן לפחות מ־200 ננומטר.

ערבוב אולטרסוני בכל קנה מידה

Hielscher מציעה מכשירי ערבוב אולטרסוניים לשימוש במחקר ובעיבוד בקנה מידה מלא.

מכשירי סוניקציה למחקר ופיתוח במעבדה

ההומוגנייזרים האולטרסוניים המעבדתיים של Hielscher הם כלי הערבוב המושלם למחקר ופיתוח בקנה מידה מעבדתי. מכשירי הסוניקציה המעבדתיים של Hielscher משמשים בדרך כלל לערבוב אולטרסוני של אצוות קטנות. ההומוגנייזרים האולטרסוניים של Hielscher מציעים בקרה מדויקת על הפרמטרים והדירות מצוינת כהכנה להגדלת קנה המידה. כך ניתן לערבב בקלות פורמולציות שונות ולקבוע את השפעת עוצמת הסוניקציה ומשכה.

ערבוב אולטרסוני בקו הייצור

ניתן לקבוע במדויק את ציוד הערבוב האולטרסוני הדרוש להגדלת קנה המידה על סמך הבדיקה המעבדתית. לעיבוד זרמים בנפח גדול של צמנט או בטון, מכשירים אולטרסוניים עתירי ביצועים מופעלים בדרך כלל במצב זרימה רציפה באמצעות ריאקטורים לזרימה רציפה. כך מתאפשרים ערבוב אחיד ביותר ועיבוד ללא דופי של משחות ותרחיפים – גם בצמיגויות גבוהות מאוד.

הטבלה שלהלן מציגה הערכה של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו, בהתאם לנפח האצווה או לספיקת הזרימה שיש לעבד: