Miscelazione ad ultrasuoni per calcestruzzi ad alte prestazioni

L'uso di micro e nanosilice o nanotubi porta a miglioramenti nella resistenza alla compressione del calcestruzzo ad alte prestazioni. L'ultrasonicazione è un mezzo efficace per miscelare, bagnare e disperdere nanomateriali nel cemento o nel calcestruzzo.
 

Impianto industriale del cementoLa 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 boiacche di cemento microfini 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.

Dispersore a ultrasuoni MultiSonoReactor con capacità di dispersione di 16.000 watt per la miscelazione di nano-particelle nella pasta di cemento.

MultiSonoReactor MSR-4: dispersione in linea a ultrasuoni per la produzione industriale in linea di cemento e calcestruzzo ad alte prestazioni.

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.
 

La dispersione più efficiente e affidabile della boiacca di cemento ultrafine si ottiene con il sonicatore Hielscher UP400S. Nello studio comparativo, il sonicatore a sonda ha superato nettamente il disperdente a rotore-statore e il dissolutore a disco.

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'omogeneizzazione a ultrasuoni ha dato i migliori risultati per la dispersione della gotta di cemento Portland rispetto a un miscelatore da laboratorio dotato di disco e a un miscelatore rotore-statore.

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)

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Il video mostra la miscelazione e la dispersione a ultrasuoni di grafite in 250 ml di resina epossidica (Toolcraft L), utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature per disperdere grafite, grafene, nanotubi di carbonio, nanofili o cariche in laboratorio o in processi di produzione ad alto volume. Le applicazioni tipiche sono la dispersione di nano materiali e micro materiali durante il processo di funzionalizzazione o la dispersione in resine o polimeri.

Miscelare la resina epossidica con il riempitivo di grafite utilizzando l'omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St (400 Watt)

Miniatura del video

 

Ricerca e sviluppo del calcestruzzo

La ricerca concreta cerca i materiali e i processi da utilizzare:

  • ridurre i costi dei materiali e i costi energetici
  • 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 cricche da ritiro, i problemi di spolveramento e delaminazione
  • resistenza chimica, ad esempio resistenza al solfato

Miscelazione di cemento e calcestruzzo

Una miscelazione insufficiente porta a proprietà inferiori del 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 la composizione del calcestruzzo e dei suoi componenti sia disciplinata da numerose direttive e regolamenti, come ad esempio la norma DIN EN 206, 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 fino ad una scala fine e che gli agglomerati siano sufficientemente dispersi. Una dispersione o deagglomerazione insufficiente determina proprietà inferiori del calcestruzzo. A causa del basso contenuto d'acqua e dell'elevato dosaggio di additivi, la miscelazione di calcestruzzo autocompattante (SCC) e di calcestruzzo ad altissima resistenza (UHPC) richiede un tempo di miscelazione più lungo o una tecnologia di miscelazione più efficace.

Nanomateriali in 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 nanosize, 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, il che porta a proprietà inferiori del calcestruzzo.

Ultrasuonatore per la deagglomerazione delle nanoparticelle e la dispersione affidabile e uniforme dei nanomateriali nel cemento e nel calcestruzzo

Il processore a ultrasuoni UIP16000 è un omogeneizzatore ad alte prestazioni per la dispersione di cemento e calcestruzzo.

Clicca qui per saperne di più sui vantaggi della miscelazione ad ultrasuoni delle paste cementizie per impianti di prefabbricazione, drycast e calcestruzzo.

Miscelazione ultrasonica 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.

Miscelazione ad ultrasuoni di fumo solica (Micro Silice)

Iniziando (curva verde) ad una dimensione delle particelle dell'agglomerato di oltre 200 micron (D50) la maggior parte delle particelle sono state ridotte a meno di 200 nanometri.

Miscelazione ad ultrasuoni in qualsiasi scala

Hielscher offre dispositivi di miscelazione ad ultrasuoni per l'uso nella ricerca e nell'elaborazione 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

Calcestruzzo pronto all'usoL'apparecchiatura di miscelazione a ultrasuoni necessaria per l'aumento di scala può essere determinata esattamente sulla base del test di laboratorio. Per la lavorazione 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 una miscelazione altamente uniforme e il trattamento impeccabile di paste e impasti. – anche con viscosità molto elevate.

Dispersione a ultrasuoni di nano-silice: L'omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St di Hielscher disperde le nanoparticelle di silice in modo rapido ed efficiente in una nano-dispersione uniforme.

Dispersione a ultrasuoni di nano-silice con l'ultrasuonatore UP400St

Miniatura del video

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:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
Da 15 a 150L Da 3 a 15L/min UIP6000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Letteratura / Referenze


Miscelazione in linea del cemento con un sonicatore

Miscelazione ad ultrasuoni - diagramma di flussoI miscelatori ad ultrasuoni Hielscher sono tipicamente installati in linea. Il materiale viene pompato nel serbatoio del reattore ad ultrasuoni. Lì è esposta ad un'intensa cavitazione ultrasonica. La sonicazione in linea elimina il by-passing poiché tutte le particelle passano attraverso la camera di miscelazione seguendo un percorso definito. Pertanto, l'ultrasonicazione sposta tipicamente la curva di distribuzione granulometrica piuttosto che allargarla.

Robusto e Facile da Pulire

Reattore a celle a flusso ultrasonico in acciaio inossidabile per la sonicazione di liquidi.Un reattore di miscelazione a ultrasuoni è costituito dalla cella di flusso e dai sonotrodi. Non sono necessari cuscinetti. I reattori a cella di flusso (in acciaio inox) hanno geometrie semplici e possono essere facilmente smontati e puliti. Non ci sono piccoli orifizi o angoli nascosti.

Altre applicazioni degli ultrasuoni per cemento e calcestruzzo

L'uso dei dispositivi a ultrasuoni Hielscher nella preparazione di cementi e calcestruzzi non si limita alla miscelazione e alla dispersione di premiscele di cemento o calcestruzzi. Gli ultrasuoni sono un mezzo molto efficace per il degassamento di liquidi e impasti. Ciò riduce il numero e il volume delle bolle di gas intrappolate nel calcestruzzo dopo l'indurimento.
Setacciatori a ultrasuoni migliorare la produttività e la qualità della setacciatura di polveri di piccole dimensioni. Hielscher offre setacci agitati a ultrasuoni per applicazioni di laboratorio e industriali.

Informazioni di fondo concrete

Il calcestruzzo è composto da cemento, ad esempio cemento Portland e altri materiali cementizi, come ceneri volanti e scorie di cemento, aggregati (ghiaia, calcare, granito, sabbia), acqua e additivi chimici. Gli additivi tipici includono acceleratori o ritardanti, plastificanti, pigmenti, fumo di silice o metakaolino ad alta reattività (HRM). La microsilice è un tipico additivo per il calcestruzzo. Il suo svantaggio è il costo relativamente elevato e la contaminazione che influisce sulla salute degli operatori e dei lavoratori.

Saremo lieti di discutere il vostro processo.

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