Ultrazvučno miješanje za beton visokih svojstava
Upotreba mikrosilike i nanosilike ili nanocjevčica dovodi do poboljšanja tlačne čvrstoće betona visokih svojstava. Sonikacija je učinkovito sredstvo za miješanje, kvašenje i dispergiranje nanomaterijala u cementu ili betonu.
Mikrosilika se danas široko upotrebljava u betonu, što dovodi do veće tlačne čvrstoće ili do dobivanja betona otpornog na vodu i kemikalije. Time se mogu smanjiti troškovi materijala i potrošnja energije. Novi nanomaterijali, poput nanosilike ili nanocjevčica, dovode do daljnjih poboljšanja otpornosti i čvrstoće. No kako bi se ostvario puni potencijal nanomaterijala, potrebna je pouzdana i učinkovita tehnika dispergiranja. Sonikatori sa sondom najpouzdanija su i najučinkovitija tehnika za dobivanje nanodisperzije, čak i u vrlo viskoznim i pastoznim suspenzijama poput cementa i betona.
Dispergiranje injekcijske smjese od mikrofinog cementa ultrazvučnim miješalicama
Istraživački tim Draganovića predstavlja znanstveni članak u kojem autori istražuju dispergiranje injekcijske smjese od mikrofinog cementa ultrazvučnom tehnologijom i konvencionalnim laboratorijskim dispergatorima. Cilj je istraživanja usporediti učinkovitost ultrazvuka – u ovom istraživanju konkretno sonikatora UP400St – s tradicionalnim metodama dispergiranja injekcijske smjese.
Istraživači su proveli niz pokusa primjenjujući različite tehnike dispergiranja kako bi procijenili raspodjelu veličina čestica (PSD) i zeta-potencijal čestica mikrofinog cementa. Tehnike dispergiranja uključuju ultrazvučnu obradu sonikatorom UP400St, laboratorijske dispergatore velike brzine i kombinaciju obiju metoda.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultrazvučno dispergiranje u protoku za industrijsku proizvodnju cementa i betona visokih svojstava u protoku.
Rezultati su pokazali da je ultrazvučnim dispergiranjem sonikatorom UP400St postignuta znatno bolja raspodjela veličina čestica nego konvencionalnim laboratorijskim dispergatorima. Sonikator UP400St učinkovito smanjuje aglomeraciju čestica mikrofinog cementa i stvara homogeniju i stabilniju injekcijsku suspenziju. Ultrazvučna obrada poboljšava raspodjelu manjih čestica, što rezultira užim rasponom raspodjele veličina čestica.
Uspoređene metode dispergiranja: dispergator Vma-Getzmann Dispermat CV-3 opremljen diskom promjera 90 mm i sustavom rotor-stator. Ultrazvučni uređaj Hielscher UP400St opremljen sonotrodom H22.
(Istraživanje i slike: ©Draganovic i sur., 2020)
Osim toga, upotreba ultrazvuka u kombinaciji s konvencionalnim laboratorijskim dispergatorima dodatno poboljšava učinkovitost dispergiranja, postižući raspodjelu veličina s još sitnijim česticama nego pri samoj ultrazvučnoj obradi. Pri kombiniranoj primjeni sonikacija omogućuje mikromiješanje i nanodispergiranje, dok dispergator doprinosi makromiješanju osiguravajući da sve čestice dospiju u zonu ultrazvučne kavitacije. To omogućuje bolju kontrolu raspodjele veličina čestica (PSD) i zeta-potencijala injekcijske smjese od mikrofinog cementa pri šaržnoj obradi. Pri upotrebi reaktora s protočnom ćelijom suspenzija čestica automatski prolazi kroz zonu kavitacijskog žarišta, pa je dodatno miješanje suvišno.
Sveukupno, istraživanje ističe nadmoćnu učinkovitost sonikatora UP400St u dispergiranju injekcijske smjese od mikrofinog cementa. Ultrazvučna obrada, osobito u kombinaciji s konvencionalnim laboratorijskim dispergatorima, pruža vrlo djelotvornu i učinkovitu metodu za postizanje jednolike i stabilne suspenzije čestica mikrofinog cementa.
Valja napomenuti da članak donosi sveobuhvatnu usporedbu ultrazvučnih i konvencionalnih metoda dispergiranja, ističući nadmoćnu učinkovitost sonikacije pri dispergiranju injekcijske smjese.
(usp. Draganović i sur., 2020)
Ultrazvučni homogenizator UP400St uspoređuje se u pogledu učinkovitosti dispergiranja mikrofine cementne injekcijske smjese s uobičajenom laboratorijskom miješalicom opremljenom diskom te uz primjenu tehnike rotor-stator. Istraživanje je pokazalo da ultrazvučno dispergiranje nije samo učinkovita metoda, nego je čak i bolje od miješalice koja primjenjuje tehniku rotor-stator.
(istraživanje i grafički prikaz: © Draganović et al., 2020)
Istraživanje i razvoj betona
U istraživanju betona traže se materijali i postupci za:
- smanjenje troškova materijala i energije
- postizanje visoke početne i konačne čvrstoće
- poboljšanje gustoće i tlačne čvrstoće
- poboljšanje obradivosti, pumpabilnosti i mogućnosti završne obrade
- poboljšanje trajnosti i smanjenje propusnosti
- smanjenje pukotina uslijed skupljanja, prašenja i problema s raslojavanjem
- kemijsku otpornost, npr. otpornost na sulfate
Miješanje cementa i betona
Kad je riječ o poboljšanju svojstava betona, tehnologija miješanja jednako je važna kao i sastav betona. Miješanje je ključan korak u proizvodnji ujednačenog, visokokvalitetnog betona. Iako brojne smjernice i propisi, npr. DIN EN 206, obuhvaćaju sastav betona i njegovih sastojaka, sam postupak miješanja cementa i betona prepušten je korisniku.
Presudno je da voda, cement i dodaci budu ravnomjerno dispergirani i raspoređeni sve do fine razine te da aglomerati budu dovoljno dispergirani. Nedostatno dispergiranje ili deaglomeracija rezultiraju lošijim svojstvima betona. Zbog niskog sadržaja vode i visokog doziranja dodataka, miješanje samozbijajućeg betona (SCC) i betona ultravisoke čvrstoće (UHPC) zahtijeva dulje vrijeme miješanja ili učinkovitiju tehnologiju miješanja.
Saznajte kako ultrazvuk velike snage poboljšava i ubrzava hidrataciju i razvoj čvrstoće cementnih pasti!
Nanomaterijali u betonu
Tijekom hidratacije cementa u betonu koji očvršćuje nastaju hidratacijski produkti nanometarskih dimenzija, poput kalcijevih hidrata. Nanočestice silicijeva dioksida ili nanocjevčice pretvaraju se u nanočestice cementa tijekom očvršćivanja betona. Manje čestice dovode do manjeg razmaka među česticama te gušćeg i manje poroznog materijala. Time se povećava tlačna čvrstoća i smanjuje propusnost.
Međutim, velik nedostatak prahova i materijala nanometarskih dimenzija jest sklonost stvaranju aglomerata tijekom kvašenja i miješanja. Ako pojedinačne čestice nisu dobro dispergirane, aglomeracija smanjuje izloženu površinu čestica, što dovodi do lošijih svojstava betona.
Ultrazvučni procesor UIP16000 visokoučinkovit je homogenizator za dispergiranje cementa i betona
Ultrazvučno miješanje: homogeno dispergiranje nanomaterijala u cementnim pastama
Sonikacija je vrlo učinkovita metoda za miješanje, dispergiranje i deaglomeraciju. Slika u nastavku prikazuje tipičan rezultat ultrazvučnog dispergiranja pirogenog silicijeva dioksida u vodi.
Pročitajte više o cementnim mortovima ojačanima nanomaterijalima primjenom ultrazvučnog dispergiranja!
Od početne veličine čestica aglomerata veće od 200 mikrometara (D50), prikazane zelenom krivuljom, većina čestica smanjena je na manje od 200 nanometara.
Ultrazvučno miješanje u bilo kojem mjerilu
Hielscher nudi uređaje za ultrazvučno miješanje za primjenu u istraživanju i obradi u punom proizvodnom mjerilu.
Sonikatori za laboratorijsko istraživanje i razvoj
Hielscher ultrazvučni laboratorijski homogenizatori savršen su alat za miješanje u istraživanju i razvoju u laboratorijskom mjerilu. Hielscher laboratorijski sonikatori obično se upotrebljavaju za ultrazvučno miješanje malih šarži. Hielscher ultrazvučni homogenizatori nude preciznu kontrolu parametara i izvrsnu ponovljivost za pripremu povećanja mjerila. Time se olakšava miješanje različitih formulacija i određivanje utjecaja intenziteta sonikacije i njezina trajanja.
Ultrazvučno miješanje u kontinuiranom toku u proizvodnji
Oprema za ultrazvučno miješanje potrebna za povećanje mjerila proizvodnje može se točno odrediti na temelju laboratorijskog ispitivanja. Za obradu velikih volumnih tokova cementa ili betona visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji obično rade u načinu kontinuiranog protoka uz primjenu protočnih reaktora. To omogućuje vrlo ujednačeno miješanje i besprijekornu obradu pasti i suspenzija – čak i pri vrlo visokim viskoznostima.
Tablica u nastavku prikazuje približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja ovisno o volumenu šarže ili protoku koji treba obraditi:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/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 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja 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.
Protočno miješanje cementa primjenom sonikatora
Hielscher ultrazvučne miješalice obično se ugrađuju u protočnu liniju. Materijal se pumpa u posudu ultrazvučnog reaktora. Ondje se izlaže intenzivnoj ultrazvučnoj kavitaciji. Protočna sonikacija uklanja zaobilaženje zone miješanja jer sve čestice prolaze kroz komoru za miješanje slijedeći definiranu putanju. Stoga ultrazvučna obrada obično pomiče krivulju raspodjele veličine čestica umjesto da je proširuje.
Robusni i jednostavni za čišćenje
Ultrazvučni reaktor za miješanje sastoji se od protočne ćelije i sonotroda. Ležajevi nisu potrebni. Reaktori s protočnim ćelijama (od nehrđajućeg čelika) imaju jednostavnu geometriju te se lako rastavljaju i čiste. Nema malih otvora ni skrivenih kutova.
Druge primjene ultrazvuka za cement i beton
Uporaba Hielscher ultrazvučnih uređaja u pripremi cemenata i betona nije ograničena na miješanje i dispergiranje cementnih predmješavina ili betona. Ultrazvuk je vrlo učinkovito sredstvo za otplinjavanje tekućina i suspenzija. Time se smanjuju broj i volumen plinskih mjehurića zarobljenih u betonu nakon očvršćivanja.
Ultrazvučni vibratori za sita poboljšavaju kapacitet i kvalitetu prosijavanja praha s malim česticama. Hielscher nudi ultrazvučno pobuđivana sita za laboratorijske i industrijske primjene.
Osnovne informacije o betonu
Beton se sastoji od cementa, npr. portlandskog cementa i drugih cementnih vezivnih materijala, poput letećeg pepela i cementa sa zgurom, agregata (šljunak, vapnenac, granit, pijesak), vode i kemijskih dodataka. Tipični dodaci uključuju ubrzivače ili usporivače vezivanja, plastifikatore, pigmente, silicijsku prašinu ili metakaolin visoke reaktivnosti (HRM). Mikrosilika je tipičan dodatak betonu. Nedostaci su joj relativno visoka cijena i onečišćenje koje utječe na zdravlje rukovatelja i radnika.