Mieszanie ultradźwiękowe dla betonu o wysokiej wydajności
Zastosowanie mikro- i nanokrzemionki lub nanorurek prowadzi do poprawy wytrzymałości na ściskanie betonu o wysokiej wydajności. Ultradźwięki są skutecznym środkiem do mieszania, zwilżania i rozpraszania nanomateriałów w cemencie lub betonie.
Mikrokrzemionka jest obecnie szeroko stosowana w betonie, prowadząc do wyższej wytrzymałości na ściskanie lub betonów odpornych na wodę i chemikalia. Może to obniżyć koszty materiałów i zużycie energii. Nowe nanomateriały, takie jak nanokrzemionka lub nanorurki, prowadzą do dalszej poprawy odporności i wytrzymałości. Aby jednak w pełni wykorzystać potencjał nanomateriałów, wymagana jest niezawodna i wydajna technika dyspersji. Sonikatory sondowe są najbardziej niezawodną i skuteczną techniką wytwarzania nanodyspersji, nawet w bardzo lepkich i pastowatych zawiesinach, takich jak cement i beton.
Dyspersja drobnoziarnistej zaprawy cementowej z mieszalnikami ultradźwiękowymi
Zespół badawczy Draganović przedstawia artykuł badawczy, w którym autorzy badają dyspersję mikrodrobnoziarnistej zaprawy cementowej przy użyciu technologii ultradźwiękowej i konwencjonalnych rozpuszczalników laboratoryjnych. Badanie ma na celu porównanie wydajności ultradźwięków – w szczególności sonikator UP400St – z tradycyjnymi metodami dyspersji zaprawy.
Naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów z wykorzystaniem różnych technik dyspersji w celu oceny rozkładu wielkości cząstek (PSD) i potencjału zeta mikrodrobnych cząstek cementu. Techniki dyspersji obejmują obróbkę ultradźwiękową przy użyciu sonikatora UP400St, szybkie rozpuszczalniki laboratoryjne oraz połączenie obu metod.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultradźwiękowa dyspersja liniowa do przemysłowej produkcji liniowej wysokowydajnego cementu i betonu.
Wyniki wykazały, że dyspersja ultradźwiękowa przy użyciu sonikatora UP400St osiągnęła znacznie lepszy rozkład wielkości cząstek w porównaniu z konwencjonalnymi rozpuszczalnikami laboratoryjnymi. Sonikator UP400St skutecznie zmniejsza aglomerację mikrodrobnych cząstek cementu i wytwarza bardziej jednorodną i stabilną zawiesinę zaprawy. Obróbka ultradźwiękowa poprawia dystrybucję mniejszych cząstek, co skutkuje węższym zakresem rozkładu wielkości cząstek.
Porównanie metod dyspergowania: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 dissolver wyposażony w 90-mm dysk i system rotor-stator. Urządzenie ultradźwiękowe Hielscher UP400St wyposażony w sonotrodę H22.
(Badanie i zdjęcia: ©Draganovic et al., 2020)
Dodatkowo, zastosowanie ultradźwięków w połączeniu z konwencjonalnymi rozpuszczalnikami laboratoryjnymi dodatkowo poprawia wydajność dyspersji, osiągając jeszcze drobniejszy rozkład wielkości cząstek w porównaniu z samą obróbką ultradźwiękową. W połączeniu, sonikacja zapewnia mikro-mieszanie i nano-dyspersję, podczas gdy rozpuszczalnik przyczynia się do makro-mieszania, zapewniając, że wszystkie cząstki dostaną się do strefy kawitacji ultradźwiękowej. Pozwala to na lepszą kontrolę nad rozkładem wielkości cząstek (PSD) i potencjałem zeta mikrodrobnoziarnistej zaprawy cementowej w trybie wsadowym. W przypadku stosowania reaktora z komorą przepływową, zawiesina cząstek automatycznie przechodzi przez kawitacyjną strefę gorącego punktu, dzięki czemu dodatkowe mieszanie jest zbędne.
Ogólnie rzecz biorąc, badanie podkreśla doskonałą wydajność sonikatora UP400St w dyspergowaniu drobnoziarnistej zaprawy cementowej. Obróbka ultradźwiękowa, zwłaszcza w połączeniu z konwencjonalnymi rozpuszczalnikami laboratoryjnymi, oferuje wysoce skuteczną i wydajną metodę uzyskiwania jednorodnej i stabilnej zawiesiny drobnych cząstek cementu.
Warto zauważyć, że artykuł zawiera kompleksowe porównanie między ultradźwiękami a konwencjonalnymi metodami dyspersji, podkreślając doskonałą wydajność sonikacji w dyspersji zaprawy.
(por. Draganović i in., 2020)
Homogenizator ultradźwiękowy UP400St porównano skuteczność dyspergowania zaczynu cementowego przy użyciu zwykłego mieszalnika laboratoryjnego wyposażonego w tarczę oraz przy użyciu techniki rotor-stator. Badanie wykazało, że dyspersja ultradźwiękowa jest nie tylko skuteczną metodą, ale jest nawet lepsza niż mieszalnik wykorzystujący technikę rotor-stator.
(badanie i grafika: © Draganović et al., 2020)
Badania i rozwój betonu
W badaniach nad betonem poszukuje się materiałów i procesów:
- obniżenie kosztów materiałów i energii
- uzyskanie wysokiego oporu początkowego i końcowego
- poprawa gęstości i wytrzymałości na ściskanie
- poprawa urabialności, pompowalności i wykończenia
- poprawiają trwałość i zmniejszają przepuszczalność
- redukcja pęknięć skurczowych, problemów z pyleniem i rozwarstwianiem
- odporność chemiczna, np. odporność na siarczany
Mieszanie cementu i betonu
Jeśli chodzi o poprawę właściwości betonu, technologia mieszania jest równie ważna jak jego skład. Mieszanie jest niezbędnym krokiem w produkcji jednorodnego betonu wysokiej jakości. Chociaż liczne wytyczne i przepisy, np. DIN EN 206, obejmują skład betonu i jego składników, faktyczny proces mieszania cementu i betonu pozostaje w gestii użytkownika.
Decydujące jest, aby woda, cement i domieszki były równomiernie rozproszone i rozprowadzone w drobnej skali oraz aby aglomeraty były wystarczająco rozproszone. Niewystarczająca dyspersja lub deaglomeracja skutkuje gorszymi właściwościami betonu. Ze względu na niską zawartość wody i wysokie dawki domieszek, mieszanie betonu samozagęszczalnego (SCC) i betonu o ultra wysokiej wytrzymałości (UHPC) wymaga dłuższego czasu mieszania lub bardziej efektywnej technologii mieszania.
Nanomateriały w betonie
Podczas hydratacji cementu w twardniejącym betonie tworzą się produkty hydratacji w nanoskali, takie jak hydraty wapnia. Nanocząsteczki krzemionki lub nanorurek zamieniają się w nanocząsteczki cementu podczas krzepnięcia betonu. Mniejsze cząstki prowadzą do zmniejszenia odległości między cząstkami oraz gęstszego i mniej porowatego materiału. Zwiększa to wytrzymałość na ściskanie i zmniejsza przepuszczalność.
Główną wadą nanorozmiarowych proszków i materiałów jest jednak tendencja do tworzenia aglomeratów podczas zwilżania i mieszania. O ile poszczególne cząstki nie są dobrze rozproszone, aglomeracja zmniejsza odsłoniętą powierzchnię cząstek, co prowadzi do gorszych właściwości betonu.
Procesor ultradźwiękowy UIP16000 to wysokowydajny homogenizator do dyspersji cementu i betonu.
Ultradźwiękowe mieszanie nanomateriałów
Ultradźwięki są bardzo skutecznym środkiem do mieszania, dyspergowania i deaglomeracji. Poniższy rysunek przedstawia typowy wynik ultradźwiękowego rozpraszania zmatowionej krzemionki w wodzie.
Zaczynając (zielona krzywa) przy wielkości cząstek aglomeratu powyżej 200 mikronów (D50), większość cząstek została zredukowana do mniej niż 200 nanometrów.
Mieszanie ultradźwiękowe w dowolnej skali
Hielscher oferuje ultradźwiękowe urządzenia mieszające do stosowania w badaniach i przetwarzaniu na pełną skalę.
Sonikatory do badań laboratoryjnych i rozwoju
Ultradźwiękowe homogenizatory laboratoryjne Hielscher są doskonałym narzędziem mieszającym do badań i rozwoju w skali laboratoryjnej. Sonikatory laboratoryjne Hielscher są zwykle używane do ultradźwiękowego mieszania małych partii. Homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher oferują dokładną kontrolę parametrów i doskonałą powtarzalność w celu przygotowania skali. Ułatwia to mieszanie różnych preparatów i określenie wpływu intensywności ultradźwięków i czasu trwania sonikacji.
Ultradźwiękowe mieszanie w linii produkcyjnej
Sprzęt do mieszania ultradźwiękowego potrzebny do zwiększenia skali można dokładnie określić na podstawie testu laboratoryjnego. Do przetwarzania dużych strumieni objętości cementu lub betonu, wysokowydajne ultradźwięki są zwykle obsługiwane w trybie ciągłego przepływu przy użyciu reaktorów przepływowych. Pozwala to na bardzo równomierne mieszanie i bezbłędne przetwarzanie past i zawiesin – nawet przy bardzo wysokiej lepkości.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców w zależności od objętości partii lub natężenia przepływu, które mają być przetwarzane:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Referencje
- 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.
Mieszanie cementu w linii przy użyciu sonikatora
Mieszalniki ultradźwiękowe Hielscher są zwykle instalowane w linii. Materiał jest pompowany do zbiornika reaktora ultradźwiękowego. Tam jest narażony na intensywną kawitację ultradźwiękową. Sonikacja liniowa eliminuje omijanie, ponieważ wszystkie cząstki przechodzą przez komorę mieszania po określonej ścieżce. Dlatego ultradźwięki zazwyczaj przesuwają krzywą rozkładu wielkości cząstek, zamiast ją poszerzać.
Solidne i łatwe do czyszczenia
Ultradźwiękowy reaktor mieszający składa się z komory przepływowej i sonotrod. Nie są potrzebne żadne łożyska. Reaktory przepływowe (stal nierdzewna) mają prostą geometrię i mogą być łatwo demontowane i czyszczone. Nie ma małych otworów ani ukrytych narożników.
Inne zastosowania ultradźwięków do cementu i betonu
Zastosowanie urządzeń ultradźwiękowych Hielscher w przygotowaniu cementów i betonów nie ogranicza się do mieszania i dyspergowania przedmieszek cementowych lub betonów. Ultradźwięki są bardzo skutecznym środkiem do odgazowywania cieczy i zawiesin. Zmniejsza to liczbę i objętość pęcherzyków gazu uwięzionych w betonie po stwardnieniu.
Ultradźwiękowe wytrząsarki sitowe poprawiają przepustowość i jakość przesiewania proszków dla małych cząstek. Hielscher oferuje ultradźwiękowo mieszane sita do zastosowań laboratoryjnych i przemysłowych.
Informacje ogólne na temat betonu
Beton składa się z cementu, np. cementu portlandzkiego i innych materiałów cementowych, takich jak popiół lotny i cement żużlowy, kruszywa (żwir, wapień, granit, piasek), wody i domieszek chemicznych. Typowe domieszki obejmują przyspieszacze lub opóźniacze, plastyfikatory, pigmenty, pył krzemionkowy lub metakaolin o wysokiej reaktywności (HRM). Mikrokrzemionka jest typową domieszką do betonu. Jej wadą jest stosunkowo wysoki koszt i zanieczyszczenie wpływające na zdrowie operatorów i pracowników.