Ultrasonic Mixing For High-Performance Concrete

L'uso di micro e nanosilice o di nanotubi consente di migliorare la resistenza alla compressione del calcestruzzo ad alte prestazioni. Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per miscelare, bagnare e disperdere i nanomateriali nel cemento o nel calcestruzzo.
 

La microsilice è oggi ampiamente utilizzata nel calcestruzzo, per ottenere una maggiore resistenza alla compressione o calcestruzzi resistenti all'acqua e alle sostanze chimiche. Ciò può ridurre i costi dei materiali e il consumo di energia. I nuovi nanomateriali, come la nano silice o i nanotubi, consentono di migliorare ulteriormente la resistenza e la forza. Ma per sfruttare appieno il potenziale dei nanomateriali, è necessaria una tecnica di dispersione affidabile ed efficiente. I sonicatori a sonda sono la tecnica più affidabile ed efficace per produrre nano-dispersione, anche in impasti altamente viscosi e pastosi come cemento e calcestruzzo.

Dispersione di boiacca di cemento microfine con miscelatori a ultrasuoni

Nel presente articolo di ricerca del team di Draganović, gli autori studiano la dispersione di boiacca di cemento microfine utilizzando la tecnologia a ultrasuoni e i dissolutori convenzionali da laboratorio. Lo studio ha l'obiettivo di confrontare le prestazioni degli ultrasuoni – nello studio in particolare il sonicatore UP400St – con i metodi tradizionali di dispersione della boiacca.

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

I risultati hanno dimostrato che la dispersione a ultrasuoni con il sonicatore UP400St ha permesso di ottenere una distribuzione granulometrica significativamente migliore rispetto ai dissolutori di 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, con il risultato di un intervallo di distribuzione granulometrica più ristretto.
 

Metodi di dispersione a confronto: Dissolutore 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'uso degli ultrasuoni in combinazione con i dissolutori convenzionali da laboratorio migliora ulteriormente l'efficienza di dispersione, ottenendo una distribuzione granulometrica ancora più fine rispetto al solo trattamento a ultrasuoni. In combinazione, la sonicazione fornisce la micro-miscelazione e la nano-dispersione, mentre il dissolutore contribuisce alla macro-miscelazione assicurando che tutte le particelle entrino nella 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 a celle di flusso, la sospensione di particelle passa automaticamente nella zona di cavitazione, rendendo superflua l'agitazione aggiuntiva.

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

Vale la pena notare che l'articolo fornisce un confronto completo tra gli ultrasuoni e i metodi di dispersione convenzionali, evidenziando le prestazioni superiori della sonicazione nella dispersione della boiacca.
(cfr. Draganović et al., 2020)
 

L'omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St è stato confrontato per quanto riguarda l'efficienza di dispersione della boiacca di cemento con un normale miscelatore da laboratorio dotato di un disco e utilizzando la tecnica del rotore-statore. Lo studio ha dimostrato che la dispersione a ultrasuoni non solo è un metodo efficace, ma è addirittura migliore di un miscelatore che utilizza la tecnica del rotore-statore.
(studio e grafico: © Draganović et al., 2020)

Ricerca e sviluppo sul calcestruzzo

La ricerca sul calcestruzzo cerca 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 alla compressione
• migliorare la lavorabilità, la pompabilità e la finitura
• migliorare la durata e ridurre la permeabilità
• ridurre le fessure da ritiro, lo spolvero e i problemi di delaminazione
• resistenza chimica, ad esempio ai solfati

Miscelazione di cemento e calcestruzzo

Quando si tratta di migliorare le proprietà del calcestruzzo, la tecnologia di miscelazione è importante quanto la composizione del calcestruzzo. La miscelazione è una fase essenziale per la produzione di calcestruzzo uniforme e di alta qualità. Sebbene numerose linee guida e normative, ad esempio la DIN EN 206, riguardino la composizione del calcestruzzo e dei suoi componenti, l'effettivo processo di miscelazione del cemento e del calcestruzzo è lasciato all'utente.
È decisivo che l'acqua, il cemento e gli additivi siano dispersi in modo uniforme e distribuiti su 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 un tempo di miscelazione più lungo o una tecnologia di miscelazione più efficace.

Nanomateriali nel calcestruzzo

Durante l'idratazione del cemento si formano prodotti di idratazione su scala nanometrica, come gli idrati di calcio, nel calcestruzzo che si indurisce. Le nano particelle di silice o i nanotubi si trasformano in nano particelle di cemento durante la solidificazione del calcestruzzo. Le particelle più piccole determinano una distanza minore tra le particelle e un materiale più denso e meno poroso. Ciò aumenta la resistenza alla compressione e riduce la permeabilità.

Uno dei principali svantaggi delle polveri e dei materiali nanometrici, tuttavia, è la tendenza a formare agglomerati durante la bagnatura e la miscelazione. A meno che le singole particelle non siano ben disperse, l'agglomerazione riduce la superficie esposta delle particelle e porta a proprietà inferiori del calcestruzzo.

Miscelazione a ultrasuoni di nanomateriali

Gli ultrasuoni sono un mezzo molto efficace per la miscelazione, la dispersione e la deagglomerazione. L'immagine seguente mostra un risultato tipico della dispersione a ultrasuoni di silice fumata in acqua.

Partendo (curva verde) da una dimensione dell'agglomerato di oltre 200 micron (D50), la maggior parte delle particelle si è ridotta a meno di 200 nanometri.

Miscelazione a ultrasuoni su qualsiasi scala

Hielscher offre dispositivi di miscelazione a ultrasuoni per la ricerca e la lavorazione su larga scala.

Sonicatori per la ricerca e lo sviluppo in laboratorio

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni da laboratorio Hielscher sono lo strumento di miscelazione perfetto per la ricerca e lo sviluppo su scala di laboratorio. I sonicatori da laboratorio Hielscher sono tipicamente 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 la preparazione della scala. In questo modo è facile miscelare diverse formulazioni e determinare l'impatto dell'intensità e della durata della sonicazione a ultrasuoni.

Miscelazione in linea a ultrasuoni nella produzione

L'apparecchiatura di miscelazione a ultrasuoni necessaria per l'aumento di scala può essere determinata esattamente sulla base del test di laboratorio. Per il trattamento di grandi volumi di cemento o calcestruzzo, i miscelatori a ultrasuoni ad alte prestazioni sono solitamente utilizzati in modalità a flusso continuo con reattori a flusso continuo. Ciò consente di ottenere una miscelazione altamente uniforme e di lavorare in modo impeccabile paste e impasti. – anche con viscosità molto elevate.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri ultrasonori in base al volume del lotto o alla portata da trattare: