Ultraskaņas sajaukšana augstas veiktspējas betonam

Mikro- un nanosilica vai nanocaurulīšu izmantošana uzlabo augstas veiktspējas betona spiedes stiprību. Ultrasonication ir efektīvs līdzeklis nanomateriālu sajaukšanai, mitrināšanai un izkliedēšanai cementā vai betonā.
 

Mikro silīcija dioksīds mūsdienās tiek plaši izmantots betonā, kas nodrošina augstāku spiedes stiprību vai ūdens un ķīmiski izturīgus betonus. Tas var samazināt materiālu izmaksas un enerģijas patēriņu. Jauni nanomateriāli, piemēram, nanosilīcija dioksīds vai nanocaurulītes, vēl vairāk uzlabo izturību un izturību. Taču, lai pilnībā izmantotu nanomateriālu potenciālu, ir vajadzīga uzticama un efektīva dispersijas metode. Zondes tipa sonikatori ir visuzticamākā un efektīvākā tehnika, lai ražotu nano-dispersiju pat ļoti viskozās un pastas veida vircās, piemēram, cementā un betonā.

Mikrofine cementa javas dispersija ar ultraskaņas maisītājiem

Draganoviča pētnieku komanda iepazīstina ar pētniecisko rakstu, autori pēta mikrosmalka cementa javas izkliedi, izmantojot ultraskaņas tehnoloģiju un parastos laboratorijas šķīdinātājus. Pētījuma mērķis ir salīdzināt ultraskaņas veiktspēju – pētījumā īpaši sonikators UP400St – ar tradicionālām javas dispersijas metodēm.

Pētnieki veica virkni eksperimentu, izmantojot dažādas dispersijas metodes, lai novērtētu mikrofīna cementa daļiņu daļiņu izmēru sadalījumu (PSD) un zeta potenciālu. Dispersijas metodes ietver ultraskaņas apstrādi, izmantojot UP400St sonikatoru, ātrgaitas laboratorijas šķīdinātājus un abu metožu kombināciju.

Rezultāti parādīja, ka ultraskaņas dispersija, izmantojot sonikatoru UP400St, sasniedza ievērojami labāku daļiņu izmēru sadalījumu salīdzinājumā ar parastajiem laboratorijas šķīdinātājiem. Sonicator UP400St efektīvi samazina mikrosmalko cementa daļiņu aglomerāciju un rada viendabīgāku un stabilāku javas suspensiju. Ultraskaņas apstrāde uzlabo mazāku daļiņu sadalījumu, kā rezultātā daļiņu izmēra sadalījums ir šaurāks.
 

Salīdzinātās dispersijas metodes: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 šķīdinātājs, kas aprīkots ar 90 mm disku un rotora statora sistēmu. Hielscher UP400St ultraskaņas ierīce aprīkots ar H22 sonotrode.
(Pētījums un attēli: ©Draganovic et al., 2020)

 
Turklāt ultraskaņas izmantošana kombinācijā ar parastajiem laboratorijas šķīdinātājiem vēl vairāk uzlabo dispersijas efektivitāti, panākot vēl smalkāku daļiņu izmēru sadalījumu, salīdzinot ar tikai ultraskaņas apstrādi. Kombinējot, ultraskaņas apstrāde nodrošina mikro sajaukšanu un nano dispersiju, bet šķīdinātājs veicina makro sajaukšanos, nodrošinot, ka visas daļiņas nonāk ultraskaņas kavitācijas zonā. Tas ļauj labāk kontrolēt daļiņu izmēra sadalījumu (PSD) un mikrošķiedras cementa javas zeta potenciālu partijas darbībā. Izmantojot plūsmas šūnu reaktoru, daļiņu suspensija automātiski šķērso kavitācijas karsto punktu zonu, lai papildu maisīšana būtu lieka.

Kopumā pētījums izceļ ultraskaņas UP400St izcilo veiktspēju mikrosmalkās cementa javas izkliedēšanā. Ultraskaņas apstrāde, īpaši apvienojumā ar parastajiem laboratorijas šķīdinātājiem, piedāvā ļoti efektīvu un efektīvu metodi, lai panāktu vienmērīgu un stabilu mikrosmalko cementa daļiņu suspensiju.

Ir vērts atzīmēt, ka rakstā sniegts visaptverošs salīdzinājums starp ultraskaņas un parastajām dispersijas metodēm, uzsverot ultraskaņas izcilo veiktspēju javas dispersijā.
(sk. Draganović et al., 2020)
 

Ultraskaņas homogenizators UP400St tiek salīdzināta attiecībā uz cementa javas dispersijas efektivitāti ar parastu laboratorijas maisītāju, kas aprīkots ar disku, un izmantojot rotora-statora tehniku. Pētījums parādīja, ka ultraskaņas dispersija ir ne tikai efektīva metode, bet pat labāka par maisītāju, izmantojot rotora-statora tehniku.
(pētījums un grafiks: © Draganović et al., 2020)

Konkrēta pētniecība un attīstība

Konkrēti pētījumi meklē materiālus un procesus, lai:

• samazināt materiālu izmaksas un enerģijas izmaksas,
• iegūt augstu sākotnējo un galīgo pretestību
• uzlabot blīvumu un spiedes stiprību
• uzlabot apstrādājamību, sūknējamību un pabeigtību
• uzlabot izturību un samazināt caurlaidību
• samazināt saraušanās plaisas, putekļu un atslāņošanās problēmas;
• ķīmiskā izturība, piemēram, izturība pret sulfātiem

Cementa un betona sajaukšana

Runājot par betona īpašību uzlabojumiem, sajaukšanas tehnoloģija ir tikpat svarīga kā betona sastāvs. Sajaukšana ir būtisks solis vienmērīga, augstas kvalitātes betona ražošanā. Lai gan daudzas vadlīnijas un noteikumi, piemēram, DIN EN 206, attiecas uz betona un tā sastāvdaļu sastāvu, faktiskais cementa sajaukšanas un betona sajaukšanas process tiek atstāts lietotāja ziņā.
Izšķiroši ir tas, ka ūdens, cements un piejaukumi ir vienmērīgi izkliedēti un sadalīti līdz smalkam apjomam un ka aglomerāti ir pietiekami izkliedēti. Nepietiekama izkliede vai deagglomerācija rada zemākas betona īpašības. Sakarā ar zemo ūdens saturu un lielo piejaukumu devu, pašblīvējošā betona (SCC) un īpaši augstas stiprības betona (UHPC) sajaukšanai nepieciešams ilgāks sajaukšanas laiks vai efektīvāka sajaukšanas tehnoloģija.

Nanomateriāli betonā

Cementa hidratācijas laikā cietējošajā betonā veidojas nanomēroga hidratācijas produkti, piemēram, kalcija hidrāti. Silīcija dioksīda vai nanocaurules nano daļiņas betona sacietēšanas laikā pārvēršas par cementa nanodaļiņām. Mazākas daļiņas rada īsāku daļiņu attālumu un blīvāku un mazāk porainu materiālu. Tas palielina spiedes stiprību un samazina caurlaidību.

Tomēr nanoizmēra pulvera un materiālu galvenais trūkums ir tendence mitrināšanas un sajaukšanas laikā veidot aglomerātus. Ja vien atsevišķās daļiņas nav labi izkliedētas, aglomerācija samazina atklāto daļiņu virsmu, radot zemākas betona īpašības.

Nanomateriālu ultraskaņas sajaukšana

Ultrasonication ir ļoti efektīvs līdzeklis sajaukšanai, izkliedēšanai un deagglomerācijai. Zemāk redzamajā attēlā parādīts tipisks kūpināta silīcija dioksīda ultraskaņas izkliedēšanas rezultāts ūdenī.

Sākot (zaļā līkne) ar aglomerāta daļiņu izmēru, kas lielāks par 200 mikroniem (D50), lielākā daļa daļiņu tika samazinātas līdz mazāk nekā 200 nanometriem.

Ultraskaņas sajaukšana jebkurā mērogā

Hielscher piedāvā ultraskaņas sajaukšanas ierīces izmantošanai pētniecībā un pilna mēroga apstrādē.

Sonicators laboratorijas pētniecībai un attīstībai

Hielscher ultraskaņas laboratorijas homogenizatori ir ideāls sajaukšanas rīks pētniecībai un attīstībai laboratorijas mērogā. Hielscher laboratorijas ultraskaņas aparātus parasti izmanto nelielu partiju ultraskaņas sajaukšanai. Hielscher ultraskaņas homogenizatori piedāvā precīzu parametru kontroli un lielisku reproducējamību skalas sagatavošanai. Tas ļauj viegli sajaukt dažādus preparātus un noteikt ultrasonikācijas intensitātes un ultraskaņas apstrādes ilguma ietekmi.

Ultraskaņas inline sajaukšana ražošanā

Ultraskaņas sajaukšanas aprīkojumu, kas nepieciešams mērogošanai, var precīzi noteikt, pamatojoties uz laboratorijas testu. Lai apstrādātu liela apjoma cementa vai betona plūsmas, augstas veiktspējas ultrasonikatori parasti darbojas nepārtrauktas plūsmas režīmā, izmantojot caurplūdes reaktorus. Tas ļauj ļoti vienmērīgi sajaukt un nevainojami apstrādāt pastas un vircas – pat ar ļoti augstu viskozitāti.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu atkarībā no apstrādājamās partijas apjoma vai plūsmas ātruma: