Ultradźwiękowe mieszanie zaczynu cementowego do produkcji betonu

Ultradźwiękowe mieszanie zaczynu cementowego przynosi duże korzyści przy formowaniu prefabrykatów, produkcji betonu o konsystencji suchej oraz w wytwórniach betonu. Korzyści te obejmują krótszy czas początku i końca wiązania, mniejszą dawkę superplastyfikatora, szybszą i pełniejszą hydratację, a także wyższą wytrzymałość na ściskanie.

Tradycyjne technologie mieszania betonu, takie jak mieszanie podczas transportu lub mieszalniki obrotowe, nie zapewniają wystarczającego działania mieszającego do zdyspergowania aglomeratów cząstek cementu i innych materiałów o właściwościach cementujących, takich jak popiół lotny lub krzemionka. Podczas gdy zewnętrzne cząstki takich aglomeratów mają kontakt z wodą, powierzchnie cząstek wewnętrznych pozostają suche. Prowadzi to do powolnej i niepełnej hydratacji.

Korzyści z technologii mieszania ultradźwiękowego w produkcji betonu

Dyspergowanie ultradźwiękowe jest najbardziej zaawansowaną technologią deaglomeracji i dyspergowania materiałów o rozmiarach mikrometrowych i nanometrowych w cieczach. Mieszanie ultradźwiękowe wykorzystuje siły ścinające wywołane kawitacją, które są skuteczniejsze w mieszaniu drobnych materiałów niż konwencjonalne mieszalniki obrotowe i mieszalniki rotor–stator. W przypadku cementu, krzemionki, popiołu lotnego, pigmentów lub CNT dyspergowanie ultradźwiękowe znacząco poprawia właściwości użytkowe tych materiałów, ponieważ poprawia rozmieszczenie cząstek i ich kontakt z wodą.

Podczas hydratacji – reakcji cementu z wodą – fazy C‑S‑H tworzą struktury o kształcie igieł. Poniższe zdjęcia przedstawiają mikrostrukturę zaczynu cementowego po 5 godzinach hydratacji. W zaczynie cementowym poddanym sonikacji fazy C‑S‑H mają długość niemal 500nm, podczas gdy w zaczynie niepoddanym sonikacji długość faz C‑S‑H wynosi około 100nm.

Mikrostruktura zaczynu cementowego po 5 godzinach hydratacji

z obróbką ultradźwiękową	bez obróbki ultradźwiękowej
Zaczyn z cementu portlandzkiego (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Uniwersytet Bauhaus w Weimarze

 
Mieszanie za pomocą kawitacji wywołanej ultradźwiękami prowadzi do szybszego wzrostu faz C‑S‑H.

 
Temperatura hydratacji

Wpływ sonikacji ultradźwiękami dużej mocy (PUS) na krzywe temperatury w funkcji czasu dla zaczynów cementowych

 
Wytrzymałość na ściskanie

Wpływ sonikacji ultradźwiękami dużej mocy (PUS) na wytrzymałość na ściskanie beleczek z zaprawy

 
Prędkość impulsu ultradźwiękowego

Wpływ sonikacji ultradźwiękami dużej mocy (PUS) na prędkość impulsu ultradźwiękowego w hydratyzujących zaczynach cementowych

Wzrost faz C‑S‑H koreluje z temperaturą zaczynu cementowego w okresie hydratacji (kliknij wykres po prawej stronie). W zaczynie cementowym mieszanym ultradźwiękowo hydratacja rozpoczyna się około godzinę wcześniej. Wcześniejsza hydratacja koreluje z wcześniejszym wzrostem wytrzymałości na ściskanie. Zwiększoną szybkość hydratacji można również mierzyć na podstawie prędkości impulsu ultradźwiękowego.

Szczególnie w przypadku betonu prefabrykowanego i betonu o konsystencji suchej prowadzi to do znacznego skrócenia czasu, po którym uformowany beton można wyjąć z formy. Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Bauhaus (Niemcy) wykazały następujące skrócenie czasów wiązania.

Kolejną interesującą korzyścią z mieszania ultradźwiękowego jest jego wpływ na płynność. Jak pokazano w powyższej tabeli, opad stożka zwiększa się o około 30%. Pozwala to zmniejszyć dawkę superplastyfikatorów.

Włączenie mieszalników ultradźwiękowych do procesu produkcji cementu

Hielscher oferuje mieszalniki ultradźwiękowe do skutecznego dyspergowania cementu, krzemionki, popiołu lotnego, pigmentów lub CNT. Najpierw każdy suchy materiał należy wstępnie wymieszać z wodą, aby uzyskać pastę o wysokim stężeniu, którą nadal można pompować. Mieszalnik ultradźwiękowy Hielscher deaglomeruje i dysperguje cząstki, wykorzystując ścinanie wywołane kawitacją. W rezultacie cała powierzchnia każdej cząstki ma pełny kontakt z wodą.

Obróbka ultradźwiękowa zaczynu cementowego

W przypadku zaczynu cementowego hydratacja rozpoczyna się po obróbce ultradźwiękowej. Dlatego mieszalnik ultradźwiękowy Hielscher należy stosować w linii przepływowej, ponieważ zaczynu cementowego nie można przechowywać przez długi czas. Poniższy schemat ilustruje ten proces. W następnym etapie dodaje się kruszywo, takie jak piasek lub żwir, i miesza je z zaczynem cementowym. Ponieważ na tym etapie cząstki cementu są już dobrze zdyspergowane, zaczyn cementowy dobrze miesza się z kruszywem. Beton jest następnie gotowy do wypełnienia form do prefabrykatów lub do transportu. Zbiornik break-up obok mieszalnika ultradźwiękowego może być wykorzystywany do prowadzenia procesu w sposób bardziej ciągły w przypadku nieregularnego zapotrzebowania na beton.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej deaglomeracji cząstek cementu!

Ultradźwiękowe dyspergowanie krzemionki, popiołu lotnego i nanomateriałów

Dyspergowanie krzemionki, popiołu lotnego, pigmentów lub innych nanomateriałów, takich jak nanorurki węglowe, wymaga innych intensywności obróbki i poziomów energii. Z tego powodu zalecamy oddzielny mieszalnik ultradźwiękowy do wytwarzania dobrze zdyspergowanej zawiesiny/pasty, którą następnie dodaje się do mieszanki betonowej. Kliknij powyższą grafikę, aby zobaczyć schemat tego procesu.

Urządzenia do mieszania ultradźwiękowego potrzebne do zwiększenia skali procesu można dokładnie dobrać na podstawie prób w skali pilotażowej z użyciem UIP1000hdT, który jest sonikatorem dużej mocy do pracy w skali pilotażowej o mocy 1 000 watów. Poniższa tabela przedstawia ogólne zalecenia dotyczące urządzeń w zależności od objętości partii lub natężenia przepływu przetwarzanego zaczynu cementowego.

Dzięki mocy mieszania ultradźwiękowego do 16kW na pojedynczą sondę ultradźwiękową Hielscher zapewnia moc przetwarzania wymaganą w zastosowaniach obejmujących duże objętości. Technologia ta jest łatwa do przetestowania i umożliwia liniowe zwiększanie skali.