Miscelazione a ultrasuoni per calcestruzzo ad alte prestazioni

L’impiego di microsilice e nanosilice o nanotubi migliora la resistenza a compressione del calcestruzzo ad alte prestazioni. La sonicazione è un metodo efficace per miscelare, bagnare e disperdere i nanomateriali nel cemento o nel calcestruzzo.
 

La microsilice è oggi ampiamente utilizzata nel calcestruzzo, consentendo di ottenere una maggiore resistenza a compressione o calcestruzzi resistenti all’acqua e agli agenti chimici. Questo può ridurre i costi dei materiali e il consumo energetico. Nuovi nanomateriali, come la nanosilice o i nanotubi, consentono ulteriori miglioramenti della resistenza agli agenti esterni e della resistenza meccanica. Tuttavia, per sfruttare appieno il potenziale dei nanomateriali, occorre una tecnica di dispersione affidabile ed efficiente. I sonicatori a sonda rappresentano la tecnica più affidabile ed efficace per produrre nanodispersioni, anche in sospensioni altamente viscose e pastose come il cemento e il calcestruzzo.

Dispersione di boiacche di cemento microfine con miscelatori a ultrasuoni

Nell’articolo di ricerca del gruppo di Draganović, gli autori studiano la dispersione di boiacche di cemento microfine mediante tecnologia a ultrasuoni e dispersori da laboratorio convenzionali. Lo studio mira a confrontare le prestazioni degli ultrasuoni – nello specifico, del sonicatore UP400St – con i metodi tradizionali di dispersione delle boiacche.

I ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti utilizzando diverse tecniche di dispersione per valutare la distribuzione granulometrica (PSD) e il potenziale zeta delle particelle di cemento microfine. Le tecniche di dispersione comprendono il trattamento a ultrasuoni con il sonicatore UP400St, dispersori da laboratorio ad alta velocità e la combinazione di entrambi i metodi.

I risultati hanno mostrato che la dispersione a ultrasuoni con il sonicatore UP400St ha ottenuto una distribuzione granulometrica significativamente migliore rispetto ai dispersori da laboratorio convenzionali. Il sonicatore UP400St riduce efficacemente l’agglomerazione delle particelle di cemento microfine e produce una sospensione di boiacca più omogenea e stabile. Il trattamento a ultrasuoni migliora la distribuzione delle particelle più piccole, determinando un intervallo di distribuzione granulometrica più ristretto.
 

Metodi di dispersione confrontati: dispersore Vma-Getzmann Dispermat CV-3 dotato di un disco da 90 mm e di un sistema rotore-statore. Dispositivo a ultrasuoni Hielscher UP400St dotato di un sonotrodo H22.
(Studio e immagini: ©Draganovic et al., 2020)

 
Inoltre, l’impiego degli ultrasuoni in combinazione con dispersori da laboratorio convenzionali migliora ulteriormente l’efficienza di dispersione, ottenendo una distribuzione granulometrica ancora più fine rispetto al solo trattamento a ultrasuoni. Nella combinazione dei due metodi, la sonicazione assicura la micromiscelazione e la nanodispersione, mentre il dispersore contribuisce alla macromiscelazione, garantendo che tutte le particelle raggiungano la zona di cavitazione ultrasonica. Ciò consente un migliore controllo della distribuzione granulometrica (PSD) e del potenziale zeta della boiacca di cemento microfine nel funzionamento in batch. Quando si utilizza un reattore con cella di flusso, la sospensione di particelle attraversa automaticamente la zona di massima intensità della cavitazione, rendendo superflua un’ulteriore agitazione.

Nel complesso, lo studio evidenzia le prestazioni superiori del sonicatore UP400St nella dispersione di boiacche di cemento microfine. Il trattamento a ultrasuoni, soprattutto in combinazione con dispersori da laboratorio convenzionali, offre un metodo altamente efficace ed efficiente per ottenere una sospensione uniforme e stabile di particelle di cemento microfine.

Va sottolineato che l’articolo fornisce un confronto completo tra gli ultrasuoni e i metodi di dispersione convenzionali, evidenziando le prestazioni superiori della sonicazione nella dispersione delle boiacche.
(cfr. Draganović et al., 2020)
 

L’omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St viene confrontato, in termini di efficienza di dispersione delle boiacche di cemento, con un comune miscelatore da laboratorio dotato di disco e con la tecnica rotore-statore. Lo studio ha mostrato che la dispersione a ultrasuoni è un metodo efficace e offre prestazioni persino migliori rispetto a un miscelatore che utilizza la tecnica rotore-statore.
(Studio e grafico: © Draganović et al., 2020)

Ricerca e sviluppo sul calcestruzzo

La ricerca sul calcestruzzo mira a individuare materiali e processi per:

• ridurre i costi dei materiali e dell’energia
• ottenere un’elevata resistenza iniziale e finale
• migliorare la densità e la resistenza a compressione
• migliorare la lavorabilità, la pompabilità e la facilità di finitura
• migliorare la durabilità e ridurre la permeabilità
• ridurre le fessurazioni da ritiro, lo spolveramento e i problemi di delaminazione
• ottenere resistenza chimica, ad esempio ai solfati

Miscelazione di cemento e calcestruzzo

Per migliorare le proprietà del calcestruzzo, la tecnologia di miscelazione è importante quanto la composizione del calcestruzzo stesso. La miscelazione è una fase essenziale nella produzione di calcestruzzo uniforme e di alta qualità. Sebbene numerose linee guida e normative, ad esempio la DIN EN 206, disciplinino la composizione del calcestruzzo e dei suoi componenti, il processo effettivo di miscelazione del cemento e del calcestruzzo è lasciato all’utilizzatore.
È fondamentale che l’acqua, il cemento e gli additivi siano dispersi e distribuiti uniformemente fino a scala fine e che gli agglomerati siano sufficientemente dispersi. Una dispersione o una deagglomerazione insufficiente determina proprietà inferiori del calcestruzzo. A causa del basso contenuto d’acqua e dell’elevato dosaggio di additivi, la miscelazione del calcestruzzo autocompattante (SCC) e del calcestruzzo ad altissima resistenza (UHPC) richiede tempi di miscelazione più lunghi o una tecnologia di miscelazione più efficace.
 
Scopri come gli ultrasuoni di potenza migliorano e accelerano l’idratazione e lo sviluppo della resistenza delle paste cementizie!
 

Nanomateriali nel calcestruzzo

Durante l’idratazione del cemento, nel calcestruzzo in fase di indurimento si formano prodotti di idratazione su scala nanometrica, come gli idrati di calcio. Le nanoparticelle di silice o i nanotubi si trasformano in nanoparticelle di cemento durante la solidificazione del calcestruzzo. Particelle più piccole comportano una minore distanza tra le particelle e un materiale più denso e meno poroso. Questo aumenta la resistenza a compressione e riduce la permeabilità.

Un importante svantaggio delle polveri e dei materiali di dimensioni nanometriche è tuttavia la tendenza a formare agglomerati durante la bagnatura e la miscelazione. Se le singole particelle non sono ben disperse, l’agglomerazione riduce la superficie esposta delle particelle, determinando proprietà inferiori del calcestruzzo.

Miscelazione a ultrasuoni: dispersione omogenea di nanomateriali nelle paste cementizie

La sonicazione è un metodo molto efficace per la miscelazione, la dispersione e la deagglomerazione. L’immagine seguente mostra un risultato tipico della dispersione a ultrasuoni di silice pirogenica in acqua.
Scopri di più sulle malte cementizie nanorinforzate mediante dispersione a ultrasuoni!

Partendo da una dimensione degli agglomerati superiore a 200 micron (D50), indicata dalla curva verde, la maggior parte delle particelle è stata ridotta a dimensioni inferiori a 200 nanometri.

Miscelazione a ultrasuoni a qualsiasi scala

Hielscher offre dispositivi di miscelazione a ultrasuoni per la ricerca e il trattamento su scala industriale.

Sonicatori per la ricerca e lo sviluppo in laboratorio

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni da laboratorio Hielscher sono lo strumento di miscelazione ideale per la ricerca e lo sviluppo su scala di laboratorio. I sonicatori da laboratorio Hielscher sono generalmente utilizzati per la miscelazione a ultrasuoni di piccoli lotti. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni Hielscher offrono un controllo accurato dei parametri e un’eccellente riproducibilità per preparare il passaggio a scala maggiore. Questo consente di miscelare facilmente diverse formulazioni e di determinare l’effetto dell’intensità degli ultrasuoni e della durata della sonicazione.

Miscelazione a ultrasuoni in linea nella produzione

Le apparecchiature di miscelazione a ultrasuoni necessarie per il passaggio a scala maggiore possono essere determinate con precisione sulla base delle prove di laboratorio. Per trattare flussi di cemento o calcestruzzo di grande volume, i sonicatori ad alte prestazioni vengono generalmente utilizzati in modalità a flusso continuo con reattori a flusso passante. Ciò consente una miscelazione altamente uniforme e un trattamento impeccabile di paste e sospensioni – anche con viscosità molto elevate.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori in funzione del volume del lotto o della portata da trattare: