Ultrazvučno miješanje cementne paste za beton

Ultrazvučno miješanje cementne paste pruža velike prednosti pri proizvodnji predgotovljenih elemenata u kalupima, proizvodnji betonskih elemenata od suhe mješavine i u betonarama. Te prednosti uključuju kraće vrijeme početka i kraja vezivanja, manju dozu superplastifikatora, bržu i potpuniju hidrataciju te veću tlačnu čvrstoću.

Tradicionalne tehnologije miješanja betona, poput miješanja tijekom cestovnog prijevoza ili rotacijskih miješalica, ne osiguravaju dovoljno intenzivno miješanje za dispergiranje aglomerata čestica cementa i drugih cementnih materijala, poput letećeg pepela ili silicijeva dioksida. Dok su vanjske čestice takvih aglomerata izložene vodi, površine unutarnjih čestica ostaju suhe. To dovodi do spore i nepotpune hidratacije.

Prednosti tehnologije ultrazvučnog miješanja za beton

Ultrazvučno dispergiranje najnaprednija je tehnologija za deaglomeraciju i dispergiranje materijala mikrometarskih i nanometarskih veličina u tekućinama. Ultrazvučno miješanje koristi kavitacijske smične sile koje su pri miješanju sitnozrnatih materijala učinkovitije od konvencionalnih rotacijskih miješalica i miješalica rotor–stator. Kod cementa, silicijeva dioksida, letećeg pepela, pigmenata ili ugljikovih nanocijevi (CNT) ultrazvučno dispergiranje znatno poboljšava svojstva tih materijala jer poboljšava raspodjelu čestica i njihov kontakt s vodom.

Tijekom hidratacije – reakcije cementa s vodom – C‑S‑H faze razvijaju igličaste strukture. Slike u nastavku prikazuju mikrostrukturu cementne paste nakon 5 sati hidratacije. U sonificiranoj cementnoj pasti C‑S‑H faze duge su gotovo 500nm, dok su u nesonificiranoj pasti C‑S‑H faze duge oko 100nm.

Mikrostruktura cementne paste nakon 5 sati hidratacije

s ultrazvučnom obradom	bez ultrazvučne obrade
Pasta portlandskog cementa (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Sveučilište Bauhaus u Weimaru

 
Miješanje kavitacijom izazvanom ultrazvukom dovodi do bržeg rasta C‑S‑H faza.

 
Temperatura hidratacije

Utjecaj sonikacije ultrazvukom velike snage (PUS) na krivulje temperature u ovisnosti o vremenu za cementne paste

 
Tlačna čvrstoća

Utjecaj sonikacije ultrazvukom velike snage (PUS) na tlačnu čvrstoću prizmi od morta

 
Brzina ultrazvučnog impulsa

Utjecaj sonikacije ultrazvukom velike snage (PUS) na brzinu ultrazvučnog impulsa u cementnim pastama tijekom hidratacije

Rast C‑S‑H faza povezan je s temperaturom u cementnoj pasti tijekom hidratacije (kliknite na grafikon desno). U ultrazvučno miješanoj cementnoj pasti hidratacija započinje približno jedan sat ranije. Ranija hidratacija povezana je s ranijim porastom tlačne čvrstoće. Povećana brzina hidratacije može se mjeriti i brzinom ultrazvučnog impulsa.

Osobito kod predgotovljenog betona i betonskih elemenata od suhe mješavine to znatno skraćuje vrijeme do vađenja oblikovanog betona iz kalupa. Istraživanja Sveučilišta Bauhaus (Njemačka) pokazala su sljedeće skraćenje vremena vezivanja.

Još jedna zanimljiva prednost ultrazvučnog miješanja jest utjecaj na tečljivost. Kao što je prikazano u gornjoj tablici, slijeganje se povećava za približno 30%. To omogućuje smanjenje doze superplastifikatora.

Uključivanje ultrazvučnih miješalica u proces proizvodnje cementa

Hielscher nudi ultrazvučne miješalice za učinkovito dispergiranje cementa, silicijeva dioksida, letećeg pepela, pigmenata ili ugljikovih nanocijevi (CNT). Najprije svaki suhi materijal treba prethodno pomiješati s vodom kako bi nastala pasta visoke koncentracije koja se ipak može pumpati. Ultrazvučna miješalica Hielscher deaglomerira i dispergira čestice djelovanjem kavitacijskih smičnih sila. Tako se cijela površina svake čestice potpuno izlaže vodi.

Ultrazvučna obrada cementne paste

Kod cementne paste hidratacija započinje nakon ultrazvučne obrade. Stoga ultrazvučnu miješalicu Hielscher treba koristiti u protočnom sustavu jer se cementna pasta ne može dugo skladištiti. Shematski prikaz u nastavku prikazuje taj proces. U sljedećem koraku dodaje se agregat, poput pijeska ili šljunka, i miješa s cementnom pastom. Budući da su čestice cementa u toj fazi već dobro dispergirane, cementna pasta dobro se miješa s agregatom. Beton je tada spreman za punjenje u kalupe za predgotovljene elemente ili za prijevoz. Spremnik break-up pokraj ultrazvučne miješalice može se upotrebljavati za kontinuiraniju obradu u slučaju promjenjive potražnje za betonom.
Pročitajte više o ultrazvučnoj deaglomeraciji čestica cementa!

Ultrazvučno dispergiranje silicijeva dioksida, letećeg pepela i nanomaterijala

Dispergiranje silicijeva dioksida, letećeg pepela, pigmenata ili drugih nanomaterijala, poput ugljikovih nanocijevi, zahtijeva drukčije intenzitete obrade i razine energije. Zbog toga preporučujemo zasebnu ultrazvučnu miješalicu za proizvodnju dobro dispergirane suspenzije/paste koja se zatim dodaje betonskoj mješavini. Kliknite na gornju sliku za shematski prikaz tog procesa.

Oprema za ultrazvučno miješanje potrebna za povećanje opsega proizvodnje može se točno odrediti na temelju ispitivanja u pilotnom mjerilu uređajem UIP1000hdT, snažnim sonikatorom za pilotna ispitivanja snage 1.000 vata. Tablica u nastavku prikazuje opće preporuke uređaja ovisno o volumenu šarže ili protoku cementne paste koju treba obraditi.

Uz snagu ultrazvučnog miješanja do 16kW po pojedinačnoj ultrazvučnoj sondi, Hielscher nudi snagu obrade potrebnu za primjene s velikim volumenima. Ova se tehnologija lako ispituje i omogućuje linearno povećanje opsega proizvodnje.