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Miscelazione a ultrasuoni di pasta di cemento per calcestruzzo

La miscelazione a ultrasuoni della pasta di cemento offre grandi vantaggi per gli impianti di prefabbricazione, di drycast e di calcestruzzo. Questi vantaggi includono tempi di presa iniziali e finali più brevi, un dosaggio inferiore di superfluidificante, un'idratazione più rapida e completa e una maggiore resistenza alla compressione.

Le tecnologie tradizionali di miscelazione del calcestruzzo, come “miscelazione su strada” o i mescolatori rotanti, non forniscono un'azione di miscelazione sufficiente a disperdere gli agglomerati di particelle di cemento e altri materiali cementizi, come ceneri volanti o silice. Mentre le particelle esterne di tali agglomerati sono esposte all'acqua, le superfici interne delle particelle rimangono asciutte. Ne consegue un'idratazione lenta e incompleta.

Vantaggi della tecnologia di miscelazione a ultrasuoni per il calcestruzzo

La dispersione a ultrasuoni è la tecnologia più avanzata per deagglomerare e disperdere materiali di dimensioni micron e nano nei liquidi. La miscelazione a ultrasuoni utilizza forze di taglio cavitazionali che sono più efficaci nella miscelazione di materiali di dimensioni fini rispetto ai miscelatori rotativi convenzionali e ai miscelatori rotore-statore. Per il cemento, la silice, le ceneri volanti, i pigmenti o i CNT, le prestazioni di questi materiali aumentano significativamente con la dispersione a ultrasuoni, poiché migliora la distribuzione delle particelle e il contatto con l'acqua.

Durante l'idratazione - la reazione del cemento con l'acqua - le fasi C-S-H sviluppano strutture aghiformi. Le immagini seguenti mostrano la microstruttura della pasta di cemento dopo 5 ore di idratazione. Nella pasta di cemento sottoposta a ultrasuoni, le fasi C-S-H sono lunghe quasi 500 nm, mentre nella pasta non sottoposta a ultrasuoni le fasi C-S-H sono di circa 100 nm.

 

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Sonicatore ad alta efficienza UIP16000 per processi ad alto volume come la miscelazione del cemento o la geopolimerizzazione per la produzione di materiali da costruzione.

Sonicator UIP16000hdT per la dispersione di materiali da costruzione come cemento, geopolimeri o calcestruzzo.

Microstruttura della pasta di cemento dopo 5 ore di idratazione
con trattamento a ultrasuoni
senza trattamento a ultrasuoni

Microstruttura della pasta di cemento dopo il trattamento ad ultrasuoni e 5 ore di tempo

Microstruttura della pasta di cemento senza trattamento a ultrasuoni e a 5 ore
Pasta di cemento Portland (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Università Bauhaus di Weimar

 
La miscelazione mediante cavitazione indotta da ultrasuoni porta a una crescita più rapida delle fasi C-S-H.

 
Temperatura di idratazione

Influenza della Power Ultrasonication (PUS) sulle curve tempo-temperatura delle paste di cemento

Influenza della Power Ultrasonication (PUS) sulle curve tempo-temperatura delle paste di cemento

 
Resistenza alla compressione

Influenza degli ultrasuoni di potenza (PUS) sulla resistenza alla compressione dei prismi di malta. Lo studio è stato eseguito utilizzando il sonicatore Hielscher UIP1000hdT.

Influenza della Power Ultrasonication (PUS) sulla resistenza alla compressione dei prismi di malta

 
Velocità dell'impulso a ultrasuoni

Influenza della Power Ultrasonication (PUS) sulla velocità degli impulsi ultrasonici delle paste di cemento idratanti

Influenza della Power Ultrasonication (PUS) sulla velocità degli impulsi ultrasonici delle paste di cemento idratanti

 

La crescita delle fasi C-S-H è correlata alla temperatura della pasta di cemento durante il periodo di idratazione (cliccare sul grafico a destra). Nella pasta di cemento impastata a ultrasuoni, la l'idratazione inizia circa un'ora prima. Un'idratazione più precoce è correlata a un aumento più precoce della resistenza alla compressione. L'aumento della velocità di idratazione può essere misurato anche dalla velocità dell'impulso degli ultrasuoni.

Il dispersore a ultrasuoni migliora la lavorazione e la qualità del cemento.

Miscelatore in linea a ultrasuoni (UIP1000hdT) per la miscelazione industriale del cemento in funzionamento a flusso continuo.

 

In particolare per i calcestruzzi prefabbricati e a secco, ciò comporta tempi significativamente più brevi prima che il calcestruzzo gettato possa essere prelevato dalla cassaforma. Studi condotti dall'Università Bauhaus (Germania) hanno dimostrato la seguente riduzione dei tempi di presa.

Riferimento Diff. ultrasuoni di potenza
Set iniziale 5 ore e 15 minuti -29% 3 ore e 45 minuti
Set finale 6 ore e 45 minuti -33% 4 ore e 30 minuti
Crollo 122 mm (4,8″) +30% 158 mm (6,2″)

Un altro interessante vantaggio della miscelazione a ultrasuoni è l'influenza sulla fluidità. Come mostrato nella tabella precedente, lo slump aumenta di circa il 30%. Ciò consente di ridurre il dosaggio dei superfluidificanti.

 

Integrazione di processo dei miscelatori a ultrasuoni nella produzione di cemento

Hielscher offre miscelatori a ultrasuoni per la dispersione efficace di cemento, silice, ceneri volanti, pigmenti o CNT. In primo luogo, qualsiasi materiale secco deve essere premiscelato con acqua per formare una pasta ad alta concentrazione ma pompabile. Il miscelatore a ultrasuoni Hielscher deagglomera e disperde le particelle utilizzando il taglio cavitazionale. Di conseguenza, l'intera superficie di ogni particella è completamente esposta all'acqua.

Trattamento a ultrasuoni della pasta di cemento

Nel caso della pasta di cemento, l'idratazione inizia dopo la lavorazione a ultrasuoni. Pertanto, il miscelatore a ultrasuoni Hielscher deve essere utilizzato in linea, poiché la pasta di cemento non può essere conservata per lunghi periodi. Il disegno schematico sottostante illustra il processo. Nella fase successiva, l'aggregato, come sabbia o ghiaia, viene aggiunto e mescolato con la pasta di cemento. Poiché le particelle di cemento sono già ben disperse in questa fase, la pasta di cemento si mescola bene con l'aggregato. Il calcestruzzo è quindi pronto per essere riempito in stampi prefabbricati o per il trasporto. Una vasca di rottura accanto al mescolatore a ultrasuoni può essere utilizzata per lavorare in modo più continuo in caso di domanda di calcestruzzo instabile.
Per saperne di più sulla deagglomerazione ad ultrasuoni delle particelle di cemento!

Dispersione ad ultrasuoni di silice, ceneri volanti e nanomateriali


Trattamento della pasta di cemento con sonicatori Hielscher in un processo a flusso continuo.

La dispersione di silice, ceneri volanti, pigmenti o altri nanomateriali, come i nanotubi di carbonio, richiede altre intensità di lavorazione e livelli di energia. Per questo motivo, si consiglia di utilizzare un miscelatore a ultrasuoni separato per produrre una fanghiglia/pasta ben dispersa da aggiungere poi all'impasto del calcestruzzo. Per un disegno schematico di questo processo, fare clic sul grafico qui sopra.

L'apparecchiatura di miscelazione a ultrasuoni necessaria per lo scale-up può essere determinata esattamente sulla base di test su scala pilota utilizzando l'UIP1000hdT, un potente sonicatore su scala pilota da 1.000 watt. La tabella seguente mostra le raccomandazioni generali per i dispositivi, a seconda del volume del lotto o della portata della pasta di cemento da trattare.

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
0Da .1 a 10L 0Da .2 a 2L/min UIP1000hdT, UIP1500hdT
Da 10 a 50L 2 - 10L/min UIP4000hdT
Da 15 a 150L Da 3 a 15L/min UIP6000hdT
n.a. Da 10 a 50L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

Con una potenza di miscelazione a ultrasuoni fino a 16kW per singola sonda a ultrasuoni, Hielscher offre la potenza di elaborazione necessaria per applicazioni in grandi volumi. Questa tecnologia è facile da testare e si sviluppa in modo lineare.

La boiacca di cemento può essere dispersa in modo efficiente su scala nanometrica utilizzando il sonicatore a sonda UP400St.

Sonicatore a sonda UP400ST per la dispersione di boiacca di cemento microfine
(Studio e immagine: ©Draganovic et al., 2020)

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