Ultrazvučno miješanje betona visokih performansi
Korištenje mikro- i nanosilika ili nanocijevi dovodi do poboljšanja tlačne čvrstoće betona visokih svojstava. Ultrasonication je učinkovito sredstvo za miješanje, vlaženje i raspršivanje nanomaterijala u cementu ili betonu.
Mikrosilika se danas široko koristi u betonu, što dovodi do veće tlačne čvrstoće ili betona otpornih na vodu i kemikalije. To može smanjiti materijalne troškove i potrošnju energije. Novi nanomaterijali, poput nano silicijevog dioksida ili nanocijevi dovode do daljnjih poboljšanja u otpornosti i čvrstoći. Ali kako bi se pokazao puni potencijal nanomaterijala, potrebna je pouzdana i učinkovita tehnika disperzije. Sonikatori tipa sonde su najpouzdanija i najučinkovitija tehnika za proizvodnju nano-disperzije, čak iu visoko viskoznim i pasti sličnim kašama kao što su cement i beton.
Mikrofina disperzija cementne žbuke s ultrazvučnim mješalicama
Istraživački tim Draganovića predstavlja istraživački članak, autori istražuju disperziju mikrofine cementne žbuke korištenjem ultrazvučne tehnologije i konvencionalnih laboratorijskih otapala. Studija ima za cilj usporediti učinkovitost ultrazvuka – u studiji posebno sonikator UP400St – s tradicionalnim metodama disperzije žbuke.
Istraživači su proveli niz eksperimenata koristeći različite tehnike disperzije kako bi procijenili raspodjelu veličine čestica (PSD) i zeta potencijal mikrofinih čestica cementa. Tehnike raspršivanja uključuju tretman ultrazvukom pomoću sonikatora UP400St, laboratorijskih otapala velike brzine i kombinaciju obje metode.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultrazvučna inline disperzija za industrijsku inline proizvodnju visokoučinkovitog cementa i betona.
Rezultati su pokazali da je ultrazvučna disperzija pomoću sonikatora UP400St postigla značajno bolju distribuciju veličine čestica u usporedbi s konvencionalnim laboratorijskim otapalima. Sonikator UP400St učinkovito smanjuje aglomeraciju mikrofinih čestica cementa i proizvodi homogeniju i stabilniju suspenziju žbuke. Tretman ultrazvukom poboljšava raspodjelu manjih čestica, što rezultira užim rasponom raspodjele veličine čestica.
Uspoređene disperzijske metode: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 otapač opremljen diskom od 90 mm i sustavom rotor-stator. Ultrazvučni uređaj Hielscher UP400St opremljen sonotrodom H22.
(Studija i slike: ©Draganovic et al., 2020)
Dodatno, upotreba ultrazvuka u kombinaciji s konvencionalnim laboratorijskim otapalima dodatno poboljšava učinkovitost disperzije, postižući još finiju raspodjelu veličine čestica u usporedbi sa samom ultrazvučnom obradom. Kada se kombinira, ultrazvuk omogućuje mikro-miješanje i nano-disperziju, dok otapalo doprinosi makro-miješanju osiguravajući da sve čestice uđu u zonu ultrazvučne kavitacije. To omogućuje bolju kontrolu nad raspodjelom veličine čestica (PSD) i zeta potencijalom mikrofine cementne žbuke u šaržnom radu. Kada se koristi reaktor s protočnim ćelijama, suspenzija čestica automatski prolazi zonu kavitacijske vruće točke tako da je dodatno miješanje suvišno.
Sveukupno, studija ističe vrhunsku izvedbu sonikatora UP400St u raspršivanju mikrofine cementne žbuke. Tretman ultrazvukom, posebno u kombinaciji s konvencionalnim laboratorijskim otapalima, nudi vrlo učinkovitu i učinkovitu metodu za postizanje jednolike i stabilne suspenzije mikrofinih čestica cementa.
Vrijedno je napomenuti da članak pruža sveobuhvatnu usporedbu između ultrazvuka i konvencionalnih disperzijskih metoda ističući vrhunsku izvedbu sonikacije u disperziji žbuke.
(usp. Draganović i sur., 2020.)
Ultrazvučni homogenizator UP400St Uspoređena je učinkovitost dispergiranja cementne žbuke s običnom laboratorijskom mješalicom opremljenom diskom, a primjenom tehnike rotor-stator. Studija je pokazala da ultrazvučna disperzija nije samo učinkovita metoda, već je čak i bolja od miješalice koja koristi tehniku rotor-stator.
(elaborat i grafički prikaz: © Draganović i sur., 2020.)
Konkretno istraživanje i razvoj
Konkretno istraživanje traži materijale i procese za:
- smanjiti materijalne troškove i troškove energije
- postići visoku početnu i konačnu otpornost
- poboljšati gustoću i tlačnu čvrstoću
- poboljšati obradivost, pumpabilnost i završnu obradu
- poboljšati trajnost i smanjiti propusnost
- smanjiti pukotine uslijed skupljanja, probleme s prašenjem i raslojavanjem
- otpornost na kemikalije, npr. otpornost na sulfate
Miješanje cementa i betona
Kada se radi o poboljšanju svojstava betona, tehnologija miješanja jednako je važna kao i sastav betona. Miješanje je bitan korak u proizvodnji ujednačenog betona visoke kvalitete. Iako brojne smjernice i propisi, npr. DIN EN 206 pokrivaju sastav betona i njegovih komponenti, sam proces miješanja cementa i miješanja betona prepušten je korisniku.
Odlučujuće je da su voda, cement i dodaci ravnomjerno dispergirani i raspoređeni sve do fine ljestvice te da su aglomerati dovoljno dispergirani. Nedovoljno raspršivanje ili deaglomeracija rezultira lošijim svojstvima betona. Zbog niskog sadržaja vode i visoke doze dodataka, miješanje samozbijajućeg betona (SCC) i betona ultra visoke čvrstoće (UHPC) zahtijeva dulje vrijeme miješanja ili učinkovitiju tehnologiju miješanja.
Nanomaterijali u betonu
Tijekom hidratacije cementa u betonu koji se stvrdnjava stvaraju se hidratacijski proizvodi nanomjerne razine, poput kalcijevih hidrata. Nano čestice silicija ili nanocijevi pretvaraju se u nano čestice cementa tijekom skrućivanja betona. Manje čestice dovode do kraće udaljenosti čestica i gušćeg i manje poroznog materijala. Time se povećava tlačna čvrstoća i smanjuje propusnost.
Međutim, glavni nedostatak praha i materijala nanoveličine je sklonost stvaranju aglomerata tijekom vlaženja i miješanja. Osim ako pojedinačne čestice nisu dobro raspršene, aglomeracija smanjuje izloženu površinu čestica što dovodi do slabijih svojstava betona.
Ultrazvučni procesor UIP16000 homogenizator je visokih performansi za disperziju cementa i betona
Ultrazvučno miješanje nanomaterijala
Ultrazvuk je vrlo učinkovito sredstvo za miješanje, raspršivanje i deaglomeraciju. Slika u nastavku prikazuje tipičan rezultat ultrazvučnog raspršivanja silicijevog dioksida u vodi.
Počevši (zelena krivulja) pri veličini čestica aglomerata većoj od 200 mikrona (D50), većina čestica smanjena je na manje od 200 nanometara.
Ultrazvučno miješanje u bilo kojoj mjeri
Hielscher nudi ultrazvučne uređaje za miješanje za korištenje u istraživanju i punoj obradi.
Sonikatori za laboratorijsko istraživanje i razvoj
Hielscher ultrazvučni laboratorijski homogenizatori savršeni su alat za miješanje za istraživanje i razvoj u laboratorijskim razmjerima. Hielscher laboratorijski sonikatori obično se koriste za ultrazvučno miješanje malih serija. Hielscher ultrazvučni homogenizatori nude preciznu kontrolu parametara i izvrsnu ponovljivost za pripremu skaliranja. To olakšava miješanje različitih formulacija i određivanje utjecaja intenziteta ultrazvučne obrade i trajanja ultrazvučne obrade.
Ultrazvučno inline miješanje u proizvodnji
Ultrazvučna oprema za miješanje potrebna za povećanje veličine može se točno odrediti na temelju laboratorijskog ispitivanja. Za obradu velikih volumena tokova cementa ili betona, ultrazvučni uređaji visokih performansi obično rade u kontinuiranom načinu protoka pomoću protočnih reaktora. To omogućuje visoko ravnomjerno miješanje i besprijekornu obradu pasta i kaša – čak i kod vrlo visokih viskoziteta.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja ovisno o volumenu serije ili brzini protoka koji se obrađuje:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura / Reference
- 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.
Inline miješanje cementa pomoću sonikatora
Hielscher ultrazvučne miješalice obično se ugrađuju u liniji. Materijal se pumpa u posudu ultrazvučnog reaktora. Tamo je izložena intenzivnoj ultrazvučnoj kavitaciji. Inline sonikacija eliminira zaobilaženje jer sve čestice prolaze kroz komoru za miješanje slijedeći definiranu putanju. Stoga, ultrazvuk obično pomiče krivulju raspodjele veličine čestica umjesto da je širi.
Robustan i jednostavan za čišćenje
Ultrazvučni reaktor za miješanje sastoji se od protočne ćelije i sonotroda. Nisu potrebni ležajevi. Reaktori s protočnim ćelijama (nehrđajući čelik) imaju jednostavnu geometriju i lako se mogu rastaviti i očistiti. Nema malih otvora ili skrivenih uglova.
Druge primjene ultrazvuka za cement i beton
Korištenje Hielscher ultrazvučnih uređaja u pripremi cemenata i betona nije ograničeno na miješanje i raspršivanje cementnih predsmjesa ili betona. Ultrazvuk je vrlo učinkovito sredstvo za otplinjavanje tekućina i mulja. Time se smanjuje broj i volumen plinskih mjehurića zarobljenih u betonu nakon stvrdnjavanja.
Ultrazvučne mućkalice za sito poboljšati protok i kvalitetu prosijavanja praha za male čestice. Hielscher nudi sita s ultrazvučnim miješanjem za laboratorijske i industrijske primjene.
Konkretne pozadinske informacije
Beton se sastoji od cementa, npr. portland cementa i drugih cementnih materijala, poput letećeg pepela i troske, agregata (šljunak, vapnenac, granit, pijesak), vode i kemijskih dodataka. Tipični dodaci uključuju ubrzivače ili usporivače, plastifikatore, pigmente, silicij dioksid ili metakaolin visoke reaktivnosti (HRM). Mikrosilika je tipičan dodatak betonu. Nedostatak mu je relativno visoka cijena i kontaminacija koja utječe na zdravlje rukovatelja i radnika.