Ultrasoon mengen van cementpasta voor beton

Het ultrasoon mengen van cementpasta biedt grote voordelen voor de productie van prefabbeton in mallen, droogbeton en betoncentrales. Deze voordelen omvatten kortere tijden tot het begin en einde van de binding, een lagere dosering van superplastificeerder, snellere en volledigere hydratatie en een hogere druksterkte.

Traditionele mengtechnologieën voor beton, zoals mengen tijdens het transport of roterende mengers, bieden onvoldoende mengwerking om agglomeraten van cementdeeltjes en andere cementachtige materialen, zoals vliegas of silica, te dispergeren. Terwijl de buitenste deeltjes van dergelijke agglomeraten aan water worden blootgesteld, blijven de oppervlakken van de binnenste deeltjes droog. Dit leidt tot langzame en onvolledige hydratatie.

Voordelen van ultrasone mengtechnologie voor beton

Ultrasoon dispergeren is de meest geavanceerde technologie om materialen met deeltjes op micro- en nanoschaal in vloeistoffen te deagglomereren en te dispergeren. Ultrasoon mengen maakt gebruik van door cavitatie veroorzaakte afschuifkrachten die bij het mengen van fijnkorrelige materialen effectiever zijn dan conventionele roterende mengers en rotor-statormengers. Bij cement, silica, vliegas, pigmenten of CNT’s worden de prestaties van deze materialen aanzienlijk verbeterd door ultrasoon dispergeren, doordat dit de deeltjesverdeling en het contact met water verbetert.

Tijdens de hydratatie – de reactie van cement met water – vormen de C‑S‑H‑fasen naaldachtige structuren. De onderstaande afbeeldingen tonen de microstructuur van cementpasta na 5 uur hydratatie. In de met sonicatie behandelde cementpasta zijn de C‑S‑H‑fasen bijna 500nm lang, terwijl de C‑S‑H‑fasen in de niet met sonicatie behandelde pasta ongeveer 100nm lang zijn.

Microstructuur van cementpasta na 5 uur hydratatietijd

met ultrasone verwerking	zonder ultrasone verwerking
Portlandcementpasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus University Weimar

 
Mengen door middel van ultrasoon geïnduceerde cavitatie leidt tot een snellere groei van C‑S‑H‑fasen.

 
Hydratatietemperatuur

Invloed van sonicatie met hoog vermogen (PUS) op de tijd-temperatuurcurven van cementpasta’s

 
Druksterkte

Invloed van sonicatie met hoog vermogen (PUS) op de druksterkte van mortelprisma’s

 
Ultrasone pulssnelheid

Invloed van sonicatie met hoog vermogen (PUS) op de ultrasone pulssnelheid van hydraterende cementpasta’s

De groei van C‑S‑H-fasen hangt samen met de temperatuur in de cementpasta tijdens de hydratatieperiode (klik op de grafiek rechts). In de ultrasoon gemengde cementpasta begint de hydratatie ongeveer een uur eerder. Eerdere hydratatie hangt samen met een eerdere toename van de druksterkte. De verhoogde hydratatiesnelheid kan ook worden gemeten aan de hand van de ultrasone pulssnelheid.

Vooral bij prefabbeton en droogbeton leidt dit tot een aanzienlijk kortere tijd voordat het gegoten beton uit de mal kan worden gehaald. Onderzoeken van de Bauhaus University (Duitsland) toonden de volgende verkorting van de bindingstijden aan.

Een ander interessant voordeel van ultrasoon mengen is de invloed op de vloeibaarheid. Zoals de bovenstaande tabel laat zien, neemt de zetmaat met ongeveer 30% toe. Dit maakt een lagere dosering van superplastificeerders mogelijk.

Procesintegratie van ultrasone mengers in de cementproductie

Hielscher biedt ultrasone mengers voor het effectief dispergeren van cement, silica, vliegas, pigmenten of CNT’s. Eerst moet elk droog materiaal met water worden voorgemengd om een pasta met een hoge concentratie te vormen die toch verpompbaar is. De ultrasone menger van Hielscher deagglomereert en dispergeert de deeltjes door middel van door cavitatie veroorzaakte afschuiving. Daardoor wordt het volledige oppervlak van elk deeltje volledig aan water blootgesteld.

Ultrasone verwerking van cementpasta

Bij cementpasta begint de hydratatie na de ultrasone verwerking. Daarom moet de ultrasone menger van Hielscher inline worden gebruikt, aangezien de cementpasta niet langdurig kan worden opgeslagen. De onderstaande schematische tekening illustreert het proces. In de volgende stap wordt het toeslagmateriaal, zoals zand of grind, toegevoegd en met de cementpasta gemengd. Omdat de cementdeeltjes in dat stadium al goed gedispergeerd zijn, mengt de cementpasta zich goed met het toeslagmateriaal. Het beton is vervolgens klaar om in prefabmallen te worden gestort of te worden vervoerd. Een break-up-tank naast de ultrasone menger kan worden gebruikt om bij een wisselende vraag naar beton een meer continue verwerking mogelijk te maken.
Lees meer over ultrasone deagglomeratie van cementdeeltjes!

Ultrasoon dispergeren van silica, vliegas en nanomaterialen

Het dispergeren van silica, vliegas, pigmenten of andere nanomaterialen, zoals koolstofnanobuisjes, vereist andere verwerkingsintensiteiten en energieniveaus. Daarom raden wij een afzonderlijke ultrasone menger aan om een goed gedispergeerde slurry/pasta te produceren die vervolgens aan het betonmengsel wordt toegevoegd. Klik op de bovenstaande afbeelding voor een schematische tekening van dit proces.

De ultrasone mengapparatuur die voor opschaling nodig is, kan exact worden bepaald op basis van proeven op pilotschaal met de UIP1000hdT, een krachtige sonicator van 1.000 watt voor pilotschaal. De onderstaande tabel geeft algemene aanbevelingen voor apparaten, afhankelijk van het batchvolume of het debiet van de te verwerken cementpasta.

Met tot 16kW ultrasoon mengvermogen per afzonderlijke ultrasone sonde biedt Hielscher het verwerkingsvermogen dat nodig is voor toepassingen met grote volumes. Deze technologie is eenvoudig te testen en kan lineair worden opgeschaald.