Ultrasoon mengen voor hoogwaardig beton
Het gebruik van micro- en nanosilica of nanobuisjes leidt tot verbeteringen in de druksterkte van hoogwaardig beton. Sonicatie is een effectief middel voor het mengen, bevochtigen en dispergeren van nanomaterialen in cement of beton.
Microsilica wordt tegenwoordig veel gebruikt in beton en leidt tot een hogere druksterkte of beton dat bestand is tegen water en chemicaliën. Dat kan de materiaalkosten en het energieverbruik verlagen. Nieuwe nanomaterialen, zoals nanosilica of nanobuisjes, leiden tot verdere verbeteringen in de bestendigheid en sterkte. Om het volledige potentieel van nanomaterialen te benutten, is echter een betrouwbare en efficiënte dispersietechniek nodig. Sonicators met een sonde zijn de betrouwbaarste en doeltreffendste techniek om nanodispersies te produceren, zelfs in zeer viskeuze en pasta-achtige slurries zoals cement en beton.
Dispersie van microfijne cementgrout met ultrasone mengers
In het onderzoeksartikel van het onderzoeksteam van Draganović onderzoeken de auteurs de dispersie van microfijne cementgrout met behulp van ultrasone technologie en conventionele laboratoriumdissolvers. De studie heeft tot doel de prestaties van ultrageluid – in deze studie specifiek de sonicator UP400St – te vergelijken met traditionele methoden voor groutdispersie.
De onderzoekers voerden een reeks experimenten uit met verschillende dispersietechnieken om de deeltjesgrootteverdeling (PSD) en de zetapotentiaal van de microfijne cementdeeltjes te beoordelen. De dispersietechnieken omvatten ultrasone behandeling met de sonicator UP400St, laboratoriumdissolvers met een hoog toerental en de combinatie van beide methoden.
MultiSonoReactor MSR-4: ultrasone inline dispersie voor de industriële inline productie van cement en beton met hoge prestaties.
De resultaten lieten zien dat ultrasone dispersie met de sonicator UP400St een aanzienlijk betere deeltjesgrootteverdeling opleverde dan conventionele laboratoriumdissolvers. De sonicator UP400St vermindert effectief de agglomeratie van microfijne cementdeeltjes en produceert een homogenere en stabielere groutsuspensie. De ultrasone behandeling verbetert de verdeling van kleinere deeltjes, wat resulteert in een smaller bereik van de deeltjesgrootteverdeling.
Vergeleken dispersiemethoden: Vma-Getzmann Dispermat CV-3-dissolver uitgerust met een schijf van 90-mm en een rotor-statorsysteem. Hielscher UP400St ultrasoon apparaat uitgerust met een H22-sonotrode.
(Studie en afbeeldingen: ©Draganovic et al., 2020)
Bovendien verbetert het gebruik van ultrageluid in combinatie met conventionele laboratoriumdissolvers de dispersie-efficiëntie verder, waarbij een nog fijnere deeltjesgrootteverdeling wordt bereikt dan met alleen ultrasone behandeling. Bij gecombineerd gebruik zorgt sonicatie voor het micromengen en de nanodispersie, terwijl de dissolver bijdraagt aan het macromengen en ervoor zorgt dat alle deeltjes de ultrasone cavitatiezone binnengaan. Dit maakt een betere beheersing van de deeltjesgrootteverdeling (PSD) en de zetapotentiaal van de microfijne cementgrout bij batchverwerking mogelijk. Bij gebruik van een doorstroomcelreactor passeert de deeltjessuspensie automatisch de zone met intense cavitatie, zodat extra roeren overbodig is.
Over het geheel genomen benadrukt de studie de superieure prestaties van de sonicator UP400St bij het dispergeren van microfijne cementgrout. De ultrasone behandeling biedt, vooral in combinatie met conventionele laboratoriumdissolvers, een zeer effectieve en efficiënte methode om een uniforme en stabiele suspensie van microfijne cementdeeltjes te verkrijgen.
Het artikel biedt een uitgebreide vergelijking tussen ultrasone en conventionele dispersiemethoden en benadrukt daarbij de superieure prestaties van sonicatie bij groutdispersie.
(vgl. Draganović et al., 2020)
De ultrasone homogenisator UP400St wordt wat betreft de dispersie-efficiëntie van cementgrout vergeleken met een gewone laboratoriummenger uitgerust met een schijf en met gebruik van de rotor-statortechniek. De studie liet zien dat ultrasone dispersie niet alleen een effectieve methode is, maar zelfs beter is dan een menger die de rotor-statortechniek gebruikt.
(studie en grafiek: © Draganović et al., 2020)
Onderzoek en ontwikkeling van beton
Betononderzoek richt zich op materialen en processen om:
- de materiaalkosten en energiekosten te verlagen
- een hoge begin- en eindsterkte te verkrijgen
- de dichtheid en druksterkte te verbeteren
- de verwerkbaarheid, verpompbaarheid en afwerkbaarheid te verbeteren
- de duurzaamheid te verbeteren en de doorlatendheid te verminderen
- krimpscheuren, stofvorming en delaminatieproblemen te verminderen
- chemische bestendigheid, bijvoorbeeld sulfaatbestendigheid
Mengen van cement en beton
Als het gaat om verbeteringen in betoneigenschappen, is de mengtechnologie even belangrijk als de betonsamenstelling. Mengen is een essentiële stap bij de productie van uniform beton van hoge kwaliteit. Hoewel talrijke richtlijnen en voorschriften, bijvoorbeeld DIN EN 206, de samenstelling van beton en de bestanddelen ervan behandelen, wordt het daadwerkelijke proces van cementmengen en betonmengen aan de gebruiker overgelaten.
Het is doorslaggevend dat water, cement en hulpstoffen tot op fijne schaal gelijkmatig worden gedispergeerd en verdeeld en dat agglomeraten voldoende worden gedispergeerd. Onvoldoende dispersie of deagglomeratie resulteert in slechtere betoneigenschappen. Door het lage watergehalte en de hoge dosering van hulpstoffen vereist het mengen van zelfverdichtend beton (SCC) en beton met ultrahoge sterkte (UHPC) een langere mengtijd of een effectievere mengtechnologie.
Ontdek hoe ultrageluid met hoog vermogen de hydratatie en sterkte van cementpasta’s verbetert en versnelt!
Nanomaterialen in beton
Tijdens de hydratatie van het cement vormen zich hydratatieproducten op nanoschaal, zoals calciumhydraten, in het uithardende beton. Nanodeeltjes van silica of nanobuisjes veranderen tijdens het stollen van het beton in nanodeeltjes van cement. Kleinere deeltjes leiden tot een kleinere afstand tussen de deeltjes en een dichter en minder poreus materiaal. Dit verhoogt de druksterkte en vermindert de doorlatendheid.
Een belangrijk nadeel van poeders en materialen op nanoschaal is echter de neiging om tijdens het bevochtigen en mengen agglomeraten te vormen. Als de afzonderlijke deeltjes niet goed worden gedispergeerd, vermindert agglomeratie het blootgestelde deeltjesoppervlak, wat leidt tot slechtere betoneigenschappen.
De ultrasone processor UIP16000 is een homogenisator met hoge prestaties voor de dispersie van cement en beton
Ultrasoon mengen: homogene dispersie van nanomaterialen in cementpasta’s
Sonicatie is een zeer effectief middel voor het mengen, dispergeren en deagglomereren. De onderstaande afbeelding toont een typisch resultaat van ultrasone dispersie van pyrogeen silica in water.
Lees meer over nanoversterkte cementmortels met behulp van ultrasone dispersie!
Uitgaande van een agglomeraatdeeltjesgrootte van meer dan 200 micron (D50) (groene curve) werden de meeste deeltjes verkleind tot minder dan 200 nanometer.
Ultrasoon mengen op elke schaal
Hielscher biedt ultrasone mengapparaten voor gebruik in onderzoek en verwerking op volledige schaal.
Sonicators voor onderzoek en ontwikkeling in het laboratorium
De ultrasone laboratoriumhomogenisatoren van Hielscher zijn het perfecte menggereedschap voor onderzoek en ontwikkeling op laboratoriumschaal. De laboratoriumsonicators van Hielscher worden doorgaans gebruikt voor het ultrasoon mengen van kleine batches. De ultrasone homogenisatoren van Hielscher bieden nauwkeurige parameterregeling en uitstekende reproduceerbaarheid ter voorbereiding op de opschaling. Hierdoor is het eenvoudig om verschillende formuleringen te mengen en de invloed van de intensiteit van de ultrasone behandeling en de duur van de sonicatie te bepalen.
Ultrasoon inline mengen in de productie
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 apparaten met hoge prestaties doorgaans in een continue doorstroommodus met doorstroomreactoren gebruikt. Dit maakt zeer uniform mengen en een foutloze verwerking van pasta’s en slurries mogelijk – zelfs bij zeer hoge viscositeiten.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten, afhankelijk van het te verwerken batchvolume of debiet:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
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
Ultrasone mengers van Hielscher worden doorgaans inline geïnstalleerd. Het materiaal wordt in het ultrasone reactorvat gepompt. Daar wordt het blootgesteld aan intense ultrasone cavitatie. Inline sonicatie elimineert omstroming, omdat alle deeltjes de mengkamer via een vastgelegd traject passeren. Daardoor verschuift sonicatie doorgaans de deeltjesgrootteverdelingscurve in plaats van deze te verbreden.
Robuust en eenvoudig te reinigen
Een ultrasone mengreactor bestaat uit de doorstroomcel en de sonotrodes. Er zijn geen lagers nodig. Doorstroomcelreactoren (roestvast staal) hebben eenvoudige geometrieën en kunnen gemakkelijk worden gedemonteerd en gereinigd. Er zijn geen kleine openingen of verborgen hoeken.
Andere toepassingen van ultrageluid voor cement en beton
Het gebruik van ultrasone apparaten van Hielscher bij de bereiding van cementen en betonsoorten is niet beperkt tot het mengen en dispergeren van cementvoormengsels of betonsoorten. Ultrageluid is een zeer effectief middel voor het ontgassen van vloeistoffen en slurries. Dit vermindert het aantal en het volume van de gasbellen die na het uitharden in het beton opgesloten zitten.
Ultrasone zeefschudders verbeteren de verwerkingscapaciteit en kwaliteit van het zeven van poeders met kleine deeltjes. Hielscher biedt ultrasoon aangedreven zeven voor laboratorium- en industriële toepassingen.
Achtergrondinformatie over beton
Beton bestaat uit cement, bijvoorbeeld portlandcement, en andere cementachtige materialen, zoals vliegas en slakkencement, toeslagmateriaal (grind, kalksteen, graniet, zand), water en chemische hulpstoffen. Typische hulpstoffen zijn onder meer versnellers of vertragers, plastificeerders, pigmenten, silicafume of hoogreactief metakaolien (HRM). Microsilica is een typische hulpstof in beton. Het nadeel ervan is de relatief hoge prijs en de verontreiniging die de gezondheid van operators en werknemers aantast.