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.

Microstruttura della pasta di cemento dopo 5 ore di idratazione

con trattamento a ultrasuoni	senza trattamento a ultrasuoni
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

 
Resistenza alla compressione

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

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.

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.

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

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.

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.