Ultrasoon mengen voor beton met hoge prestaties
Het gebruik van micro- en nanosilica of nanobuizen leidt tot verbeteringen in de druksterkte van hoogwaardig beton. Ultrasoon is een effectief middel voor het mengen, bevochtigen en dispergeren van nanomaterialen in cement of beton.
Microsiliciumdioxide wordt tegenwoordig veel gebruikt in beton, wat leidt tot een hogere druksterkte of water- en chemicaliënbestendig beton. Dat kan de materiaalkosten en het energieverbruik verlagen. Nieuwe nanomaterialen, zoals nanosiliciumdioxide of nanobuizen, leiden tot verdere verbeteringen in weerstand en sterkte. Maar om het volledige potentieel van nanomaterialen te laten zien, is een betrouwbare en efficiënte dispersietechniek nodig. Sonische sondes zijn de meest betrouwbare en efficiënte techniek om nanodispersie te produceren, zelfs in zeer viskeuze en pasta-achtige slurries zoals cement en beton.
Microfijne dispersie van cementmortel met ultrasone mengers
Het onderzoeksteam van Draganović presenteert een onderzoeksartikel waarin de auteurs de dispersie van microfijne cementmortel onderzoeken met behulp van ultrasone technologie en conventionele laboratoriumoplossers. Het onderzoek is gericht op het vergelijken van de prestaties van ultrasone – in het onderzoek specifiek de sonicator UP400St – met traditionele methoden voor het verspreiden van specie.
De onderzoekers voerden een reeks experimenten uit met verschillende dispersietechnieken om de deeltjesgrootteverdeling (PSD) en zetapotentiaal van de microfijne cementdeeltjes te evalueren. De dispersietechnieken omvatten ultrasone behandeling met de UP400St sonicator, snelle laboratoriumoplossers en een combinatie van beide methoden.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultrasone inline dispersie voor de industriële inline productie van hoogwaardig cement en beton.
De resultaten toonden aan dat ultrasone dispersie met de sonicator UP400St een aanzienlijk betere deeltjesgrootteverdeling oplevert in vergelijking met conventionele laboratoriumoplossers. De sonicator UP400St vermindert effectief de samenklontering van microfijne cementdeeltjes en produceert een meer homogene en stabiele mortelsuspensie. De ultrasone behandeling verbetert de verdeling van kleinere deeltjes, wat resulteert in een smallere deeltjesgrootteverdeling.
Vergeleken dispergeermethoden: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 dissolver uitgerust met een 90 mm schijf en een rotor-stator systeem. Hielscher UP400St ultrageluidapparaat uitgerust met een H22 sonotrode.
(Studie en foto's: ©Draganovic et al., 2020)
Daarnaast verbetert het gebruik van ultrasoon geluid in combinatie met conventionele oplossers de dispersie-efficiëntie nog verder, waardoor een nog fijnere deeltjesgrootteverdeling wordt bereikt dan bij behandeling met alleen ultrasoon geluid. In combinatie zorgt ultrasoon geluid voor de micro-menging en nano-dispersie, terwijl de oplosser bijdraagt aan de macro-menging, zodat alle deeltjes in de ultrasone cavitatiezone terechtkomen. Dit zorgt voor een betere controle over de deeltjesgrootteverdeling (PSD) en zetapotentiaal van de microfijne cementspecie in batchprocessen. Bij gebruik van een flowcellreactor passeert de deeltjessuspensie automatisch de cavitatie hotspotzone, zodat extra roeren overbodig is.
In het algemeen benadrukt het onderzoek de superieure prestaties van de sonicator UP400St bij het dispergeren van microfijne cementmortel. De ultrasone behandeling, vooral in combinatie met conventionele laboratoriumoplossers, biedt een zeer effectieve en efficiënte methode voor het bereiken van een uniforme en stabiele suspensie van microfijne cementdeeltjes.
Het is vermeldenswaard dat het artikel een uitgebreide vergelijking geeft tussen ultrasone en conventionele dispersiemethoden, waarbij de superieure prestaties van sonicatie bij het dispergeren van specie worden benadrukt.
(vgl. Draganović et al., 2020)
De ultrasone homogenisator UP400St wordt vergeleken wat betreft dispersie-efficiëntie van cementmortel met een gewone laboratoriummenger uitgerust met een schijf en met behulp van de rotor-statortechniek. Het onderzoek toonde aan dat ultrasone dispersie niet alleen een effectieve methode is, maar zelfs beter dan een mixer met de rotor-stator-techniek.
(studie en grafiek: © Draganović et al., 2020)
Beton Onderzoek en Ontwikkeling
Betononderzoek zoekt naar materialen en processen om:
- materiaalkosten en energiekosten verlagen
- een hoge begin- en eindweerstand verkrijgen
- dichtheid en druksterkte verbeteren
- verbeterde verwerkbaarheid, verpompbaarheid en afwerkbaarheid
- duurzaamheid verbeteren en permeabiliteit verminderen
- vermindert krimpscheuren, stofvorming en delaminatieproblemen
- chemische weerstand, bijvoorbeeld sulfaatbestendigheid
Cement en beton mengen
Bij het verbeteren van betoneigenschappen is mengtechnologie even belangrijk als betonsamenstelling. Mengen is een essentiële stap in de productie van uniform beton van hoge kwaliteit. Hoewel tal van richtlijnen en voorschriften, zoals DIN EN 206, betrekking hebben op de samenstelling van beton en de bestanddelen ervan, wordt het eigenlijke proces van cement mengen en beton mengen overgelaten aan de gebruiker.
Het is van doorslaggevend belang dat water, cement en hulpstoffen gelijkmatig en tot op een fijne schaal worden gedispergeerd en dat agglomeraten voldoende worden gedispergeerd. Onvoldoende dispergeren of deagglomereren resulteert in mindere betoneigenschappen. Door het lage watergehalte en de hoge dosering van hulpstoffen vereist het mengen van zelfverdichtend beton (SCC) en ultrahogesterktebeton (UHPC) een langere mengtijd of een effectievere mengtechnologie.
Nanomaterialen in beton
Tijdens de hydratatie van het cement vormen zich hydratatieproducten op nanoschaal, zoals calciumhydraten, in het verhardende beton. Nanodeeltjes van silica of nanobuisjes veranderen in nanodeeltjes van cement tijdens het stollen van het beton. Kleinere deeltjes leiden tot een kortere deeltjesafstand en een dichter en minder poreus materiaal. Dit verhoogt de druksterkte en vermindert de permeabiliteit.
Een groot nadeel van nanopoeder en -materialen is echter de neiging om samen te klonteren tijdens het bevochtigen en mengen. Tenzij de individuele deeltjes goed gedispergeerd zijn, vermindert agglomeratie het blootgestelde deeltjesoppervlak, wat leidt tot mindere betoneigenschappen.
De ultrasone processor UIP16000 is een hoogwaardige homogenisator voor de dispersie van cement en beton.
Ultrasoon mengen van nanomaterialen
Ultrasoon is een zeer effectief middel voor het mengen, dispergeren en deagglomereren. De afbeelding hieronder toont een typisch resultaat van ultrasoon dispergeren van pyrogeen kiezelzuur in water.
Beginnend (groene curve) bij een agglomeraat deeltjesgrootte van meer dan 200 micron (D50) werden de meeste deeltjes gereduceerd tot minder dan 200 nanometer.
Ultrasoon mengen op elke schaal
Hielscher biedt ultrasone mengapparaten voor gebruik bij onderzoek en volledige verwerking.
Sonicatoren voor laboratoriumonderzoek en -ontwikkeling
Hielscher ultrasone laboratoriumhomogenisatoren zijn het perfecte menggereedschap voor onderzoek en ontwikkeling op laboratoriumschaal. Hielscher laboratoriumhomogenisatoren worden meestal gebruikt voor het ultrasoon mengen van kleine batches. Hielscher ultrasone homogenisatoren bieden een nauwkeurige parametercontrole en een uitstekende reproduceerbaarheid voor de voorbereiding van de schaalvergroting. Hierdoor is het eenvoudig om verschillende formuleringen te mengen en het effect van de ultrasoonintensiteit en duur van de sonicatie te bepalen.
Ultrasoon mengen in de productielijn
De ultrasone mengapparatuur die nodig is voor opschaling kan exact worden bepaald op basis van de laboratoriumtest. Voor de verwerking van grote volumestromen cement of beton worden ultrasone mengapparaten met hoge prestaties gewoonlijk gebruikt in de continue doorstromingsmodus met doorstroomreactoren. Dit zorgt voor een zeer gelijkmatige menging en een vlekkeloze verwerking van pasta's en slurries. – zelfs bij zeer hoge viscositeiten.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines, afhankelijk van het te verwerken batchvolume of debiet:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Literatuur / Referenties
- Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.
- Peters, Simone (2017): The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions. Doctoral Thesis Bauhaus-Universität Weimar, 2017.
- N.-M. Barkoula, C. Ioannou, D.G. Aggelis, T.E. Matikas (2016): Optimization of nano-silica’s addition in cement mortars and assessment of the failure process using acoustic emission monitoring. Construction and Building Materials, Volume 125, 2016. 546-552.
- Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2; 2016.
- Amani, Mahmood; Retnanto, Albertus; Aljuhani, Salem; Al-Jubouri, Mohammed; Shehada, Salem; Yrac, Rommel (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. Conference: International Petroleum Technology Conference 2015.
Inline mengen van cement met een Sonicator
Hielscher ultrasone mengers worden meestal inline geïnstalleerd. Het materiaal wordt in het ultrasone reactorvat gepompt. Daar wordt het blootgesteld aan intense ultrasone cavitatie. Inline-sonisatie elimineert by-passing omdat alle deeltjes de mengkamer passeren volgens een gedefinieerd pad. Daarom verschuift ultrasoonbehandeling de curve van de deeltjesgrootteverdeling in plaats van deze breder te maken.
Robuust en gemakkelijk schoon te maken
Een ultrasone mengreactor bestaat uit de flowcel en de sonotroden. Er zijn geen lagers nodig. Doorstroomcelreactoren (roestvrij staal) hebben een eenvoudige geometrie en kunnen gemakkelijk worden gedemonteerd en gereinigd. Er zijn geen kleine openingen of verborgen hoeken.
Andere toepassingen van ultrasoontechniek voor cement en beton
Het gebruik van Hielscher ultrasone apparatuur bij de bereiding van cement en beton is niet beperkt tot het mengen en dispergeren van cementpremixen of beton. Ultrasoon geluid is een zeer effectief middel voor het ontgassen van vloeistoffen en slurries. Dit vermindert het aantal en het volume van de gasbellen in het beton na verharding.
Ultrasone zeefschudders verbeteren de doorvoer en kwaliteit van poederzeven voor kleine deeltjes. Hielscher biedt ultrasoon geroerde zeven voor laboratorium- en industriële toepassingen.
Achtergrondinformatie beton
Beton bestaat uit cement, bijv. portlandcement en andere cementgebonden materialen, zoals vliegas en slakkencement, toeslagmateriaal (grind, kalksteen, graniet, zand), water en chemische hulpstoffen. Typische hulpstoffen zijn versnellers of vertragers, weekmakers, pigmenten, siliciumdioxide of hoogreactieve metakaolien (HRM). Microsiliciumdioxide is een typische hulpstof in beton. Het nadeel is de relatief hoge kostprijs en de besmetting die de gezondheid van arbeiders en bedieners in gevaar brengt.