Ultradźwiękowe mieszanie pasty cementowej do betonu

Ultradźwiękowe mieszanie pasty cementowej oferuje ogromne korzyści dla formowania prefabrykatów, suchego odlewania i betoniarni. Korzyści te obejmują krótszy początkowy i końcowy czas wiązania, niższe dawki superplastyfikatora, szybsze i pełniejsze nawodnienie, a także wyższą wytrzymałość na ściskanie.

Tradycyjne technologie mieszania betonu, takie jak “mieszanie na drodze” lub mieszarki obrotowe, zapewniają niewystarczające mieszanie, aby rozproszyć aglomeraty cząstek cementu i innych materiałów cementowych, takich jak popiół lotny lub krzemionka. Podczas gdy zewnętrzne cząstki takich aglomeratów są narażone na działanie wody, wewnętrzne powierzchnie cząstek pozostają suche. Powoduje to powolną i niepełną hydratację.

Korzyści z ultradźwiękowej technologii mieszania betonu

Dyspergowanie ultradźwiękowe jest najbardziej zaawansowaną technologią deaglomeracji i dyspergowania materiałów o wielkości mikronów i nanometrów w cieczach. Mieszanie ultradźwiękowe wykorzystuje kawitacyjne siły ścinające, które są bardziej skuteczne w mieszaniu materiałów o drobnych rozmiarach niż konwencjonalne mieszalniki obrotowe i mieszalniki rotor-stator. W przypadku cementu, krzemionki, popiołu lotnego, pigmentów lub CNT, wydajność tych materiałów jest znacznie zwiększona przez dyspergowanie ultradźwiękowe, ponieważ poprawia rozkład cząstek i kontakt z wodą.

Podczas hydratacji – reakcji cementu z wodą – fazy C‑S‑H przybierają postać struktur igiełkowych. Poniższe zdjęcia przedstawiają mikrostrukturę pasty cementowej po 5 godzinach hydratacji. W pasty cementowej poddanej działaniu ultradźwięków fazy C-S-H mają długość prawie 500 nm, podczas gdy w pasty niepoddanej działaniu ultradźwięków fazy C-S-H mają około 100 nm.

Mikrostruktura pasty cementowej po 5 godzinach hydratacji

z obróbką ultradźwiękową	bez obróbki ultradźwiękowej
Portland Cement Paste (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 nawodnienia

Wpływ ultradźwięków mocy (PUS) na krzywe czasowo-temperaturowe past cementowych

 
Wytrzymałość na ściskanie

Wpływ ultradźwięków mocy (PUS) na wytrzymałość na ściskanie pryzmatów zaprawowych

 
Prędkość impulsu ultradźwiękowego

Wpływ ultradźwięków mocy (PUS) na prędkość impulsu ultradźwiękowego nawilżających past cementowych

Wzrost faz C-S-H koreluje z temperaturą pasty cementowej w okresie hydratacji (kliknij na prawą grafikę). W ultradźwiękowo mieszanej paście cementowej, faza nawodnienie rozpoczyna się około godzinę wcześniej. Wcześniejsza hydratacja koreluje z wcześniejszym wzrostem wytrzymałości na ściskanie. Zwiększoną prędkość hydratacji można również zmierzyć za pomocą prędkości impulsu ultradźwiękowego.

W szczególności w przypadku betonu prefabrykowanego i suchego prowadzi to do znacznego skrócenia czasu do momentu, w którym beton może zostać wyjęty z formy. Badania przeprowadzone przez Uniwersytet Bauhaus (Niemcy) wykazały następujące skrócenie czasu wiązania.

Kolejną interesującą zaletą mieszania ultradźwiękowego jest wpływ na płynność. Jak pokazano w powyższej tabeli, opadanie wzrasta o około 30%. Pozwala to na zmniejszenie dawki superplastyfikatorów.

Integracja procesowa mieszalników ultradźwiękowych w produkcji cementu

Hielscher oferuje mieszalniki ultradźwiękowe do skutecznego dyspergowania cementu, krzemionki, popiołów lotnych, pigmentów lub CNT. Po pierwsze, każdy suchy materiał powinien być wstępnie zmieszany z wodą, aby utworzyć pastę o wysokim stężeniu, ale nadającą się do pompowania. Mieszalnik ultradźwiękowy Hielscher deaglomeruje i rozprasza cząstki za pomocą ścinania kawitacyjnego. W rezultacie cała powierzchnia każdej cząstki jest w pełni wystawiona na działanie wody.

Ultradźwiękowe przetwarzanie pasty cementowej

W przypadku pasty cementowej hydratacja rozpoczyna się po obróbce ultradźwiękowej. Dlatego mieszalnik ultradźwiękowy Hielscher powinien być używany w linii, ponieważ pasta cementowa nie może być przechowywana przez długi czas. Poniższy schematyczny rysunek ilustruje ten proces. W następnym kroku kruszywo, takie jak piasek lub żwir, jest dodawane i mieszane z pastą cementową. Ponieważ cząsteczki cementu są już dobrze rozproszone na tym etapie, pasta cementowa dobrze łączy się z kruszywem. Beton jest następnie gotowy do wypełnienia prefabrykowanych form lub do transportu. Zbiornik rozbijający obok mieszalnika ultradźwiękowego może być używany do bardziej ciągłego przetwarzania w przypadku niestabilnego zapotrzebowania na beton.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej deaglomeracji cząstek cementu!

Ultradźwiękowe dyspergowanie krzemionki, popiołu lotnego i nanomateriałów

Dyspergowanie krzemionki, popiołów lotnych, pigmentów lub innych nanomateriałów, takich jak nanorurki węglowe, wymaga innych intensywności przetwarzania i poziomów energii. Z tego powodu zalecamy stosowanie oddzielnego miksera ultradźwiękowego do produkcji dobrze zdyspergowanej zawiesiny/pasty, która jest następnie dodawana do mieszanki betonowej. Kliknij powyższą grafikę, aby zobaczyć schematyczny rysunek tego procesu.

Sprzęt do mieszania ultradźwiękowego potrzebny do zwiększenia skali można dokładnie określić na podstawie testów w skali pilotażowej przy użyciu UIP1000hdT, który jest potężnym sonikatorem pilotażowym o mocy 1000 W. Poniższa tabela przedstawia ogólne zalecenia dotyczące urządzeń w zależności od objętości partii lub natężenia przepływu przetwarzanej pasty cementowej.

Dzięki mocy mieszania ultradźwiękowego do 16 kW na pojedynczą sondę ultradźwiękową, Hielscher oferuje moc przetwarzania wymaganą do zastosowań o dużej objętości. Technologia ta jest łatwa do przetestowania i skaluje się liniowo.