Mieszanie ultradźwiękowe betonu o wysokich parametrach użytkowych
Zastosowanie mikro- i nanokrzemionki lub nanorurek prowadzi do poprawy wytrzymałości na ściskanie betonu o wysokich parametrach użytkowych. Sonikacja jest skuteczną metodą mieszania, zwilżania i dyspergowania nanomateriałów w cemencie lub betonie.
Mikrokrzemionka jest obecnie szeroko stosowana w betonie, co pozwala uzyskać większą wytrzymałość na ściskanie lub betony odporne na wodę i substancje chemiczne. Może to zmniejszyć koszty materiałów i zużycie energii. Nowe nanomateriały, takie jak nanokrzemionka lub nanorurki, prowadzą do dalszej poprawy odporności i wytrzymałości. Jednak aby w pełni wykorzystać potencjał nanomateriałów, niezbędna jest niezawodna i wydajna technika dyspergowania. Sonikatory sondowe stanowią najbardziej niezawodną i skuteczną technikę wytwarzania nanodyspersji, nawet w zawiesinach o wysokiej lepkości i konsystencji pasty, takich jak cement i beton.
Dyspergowanie zaczynu cementowego z cementu mikroziarnistego za pomocą mieszalników ultradźwiękowych
W artykule badawczym przedstawionym przez zespół badawczy Draganovicia autorzy badają dyspergowanie zaczynu cementowego z cementu mikroziarnistego za pomocą technologii ultradźwiękowej i konwencjonalnych laboratoryjnych dyspergatorów tarczowych. Celem badania jest porównanie skuteczności ultradźwięków – w tym badaniu konkretnie sonikatora UP400St – z tradycyjnymi metodami dyspergowania zaczynu.
Badacze przeprowadzili serię eksperymentów z wykorzystaniem różnych technik dyspergowania, aby ocenić rozkład wielkości cząstek (PSD) i potencjał zeta cząstek cementu mikroziarnistego. Techniki dyspergowania obejmują obróbkę ultradźwiękową z użyciem sonikatora UP400St, szybkoobrotowe laboratoryjne dyspergatory tarczowe oraz połączenie obu metod.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultradźwiękowe dyspergowanie w przepływie do przemysłowej produkcji w przepływie cementu i betonu o wysokich parametrach użytkowych.
Wyniki wykazały, że dyspergowanie ultradźwiękowe z użyciem sonikatora UP400St pozwoliło uzyskać znacznie lepszy rozkład wielkości cząstek niż konwencjonalne laboratoryjne dyspergatory tarczowe. Sonikator UP400St skutecznie ogranicza aglomerację cząstek cementu mikroziarnistego i wytwarza bardziej jednorodną i stabilną zawiesinę zaczynu. Obróbka ultradźwiękowa poprawia rozkład mniejszych cząstek, co skutkuje węższym zakresem rozkładu wielkości cząstek.
Porównywane metody dyspergowania: dyspergator Vma-Getzmann Dispermat CV-3 wyposażony w tarczę o średnicy 90 mm i układ rotor–stator. Urządzenie ultradźwiękowe Hielscher UP400St wyposażone w sonotrodę H22.
(Badanie i zdjęcia: ©Draganovic et al., 2020)
Ponadto zastosowanie ultradźwięków w połączeniu z konwencjonalnymi laboratoryjnymi dyspergatorami tarczowymi dodatkowo poprawia wydajność dyspergowania, pozwalając uzyskać rozkład wielkości obejmujący jeszcze drobniejsze cząstki niż w przypadku samej obróbki ultradźwiękowej. Przy połączeniu obu metod sonikacja zapewnia mikromieszanie i nanodyspergowanie, natomiast dyspergator tarczowy odpowiada za makromieszanie, zapewniając dotarcie wszystkich cząstek do strefy kawitacji ultradźwiękowej. Pozwala to lepiej kontrolować rozkład wielkości cząstek (PSD) i potencjał zeta zaczynu cementowego z cementu mikroziarnistego podczas pracy okresowej. Przy zastosowaniu reaktora z komorą przepływową zawiesina cząstek automatycznie przepływa przez strefę intensywnej kawitacji, dzięki czemu dodatkowe mieszanie jest zbędne.
Ogólnie badanie podkreśla wyższą skuteczność sonikatora UP400St w dyspergowaniu zaczynu cementowego z cementu mikroziarnistego. Obróbka ultradźwiękowa, zwłaszcza w połączeniu z konwencjonalnymi laboratoryjnymi dyspergatorami tarczowymi, stanowi wysoce skuteczną i wydajną metodę uzyskiwania jednorodnej i stabilnej zawiesiny cząstek cementu mikroziarnistego.
Warto zauważyć, że artykuł zawiera kompleksowe porównanie ultradźwięków i konwencjonalnych metod dyspergowania, podkreślając wyższą skuteczność sonikacji w dyspergowaniu zaczynu.
(por. Draganović et al., 2020)
Homogenizator ultradźwiękowy UP400St jest porównywany pod względem wydajności dyspergowania zaczynu cementowego ze zwykłym mieszalnikiem laboratoryjnym wyposażonym w tarczę oraz z zastosowaniem techniki rotor–stator. Badanie wykazało, że dyspergowanie ultradźwiękowe jest nie tylko skuteczną metodą, lecz nawet przewyższa mieszalnik wykorzystujący technikę rotor–stator.
(badanie i wykres: © Draganović et al., 2020)
Badania i rozwój w dziedzinie betonu
Badania nad betonem mają na celu znalezienie materiałów i procesów pozwalających:
- zmniejszyć koszty materiałów i energii
- uzyskać wysoką wytrzymałość początkową i końcową
- poprawić gęstość i wytrzymałość na ściskanie
- poprawić urabialność, pompowalność i podatność na wykańczanie powierzchni
- poprawić trwałość i zmniejszyć przepuszczalność
- ograniczyć pęknięcia skurczowe, pylenie i problemy z rozwarstwianiem
- uzyskać odporność chemiczną, np. odporność na siarczany
Mieszanie cementu i betonu
W przypadku poprawy właściwości betonu technologia mieszania jest równie ważna jak jego skład. Mieszanie jest niezbędnym etapem produkcji jednorodnego betonu wysokiej jakości. Chociaż liczne wytyczne i przepisy, np. DIN EN 206, dotyczą składu betonu i jego składników, sam proces mieszania cementu i betonu pozostaje w gestii użytkownika.
Decydujące znaczenie ma równomierne zdyspergowanie i rozmieszczenie wody, cementu i domieszek aż do drobnej skali oraz dostateczne zdyspergowanie aglomeratów. Niedostateczne dyspergowanie lub deaglomeracja skutkują gorszymi właściwościami betonu. Ze względu na małą zawartość wody i wysokie dozowanie domieszek mieszanie betonu samozagęszczalnego (SCC) i betonu o ultrawysokiej wytrzymałości (UHPC) wymaga dłuższego czasu mieszania lub skuteczniejszej technologii mieszania.
Dowiedz się, jak ultradźwięki dużej mocy poprawiają i przyspieszają hydratację oraz rozwój wytrzymałości zaczynów cementowych!
Nanomateriały w betonie
Podczas hydratacji cementu w twardniejącym betonie powstają produkty hydratacji w skali nano, takie jak hydraty wapnia. Nanocząstki krzemionki lub nanorurki przekształcają się w nanocząstki cementu podczas zestalania betonu. Mniejsze cząstki prowadzą do zmniejszenia odległości między cząstkami oraz do uzyskania gęstszego i mniej porowatego materiału. Zwiększa to wytrzymałość na ściskanie i zmniejsza przepuszczalność.
Istotną wadą proszków i materiałów o rozmiarach nanometrycznych jest jednak skłonność do tworzenia aglomeratów podczas zwilżania i mieszania. Jeśli poszczególne cząstki nie są dobrze zdyspergowane, aglomeracja zmniejsza odsłoniętą powierzchnię cząstek, prowadząc do gorszych właściwości betonu.
Procesor ultradźwiękowy UIP16000 to homogenizator o wysokiej wydajności do dyspergowania cementu i betonu
Mieszanie ultradźwiękowe: jednorodne dyspergowanie nanomateriałów w zaczynach cementowych
Sonikacja jest bardzo skuteczną metodą mieszania, dyspergowania i deaglomeracji. Poniższy obraz przedstawia typowy wynik ultradźwiękowego dyspergowania krzemionki pirogenicznej w wodzie.
Przeczytaj więcej o zaprawach cementowych wzmacnianych nanomateriałami przy użyciu dyspergowania ultradźwiękowego!
Początkowo (zielona krzywa) wielkość cząstek aglomeratów przekraczała 200 mikrometrów (D50), a wielkość większości cząstek została zmniejszona do poniżej 200 nanometrów.
Mieszanie ultradźwiękowe w dowolnej skali
Hielscher oferuje urządzenia do mieszania ultradźwiękowego przeznaczone do badań i przetwarzania w pełnej skali.
Sonikatory do laboratoryjnych prac badawczo-rozwojowych
Laboratoryjne homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher są idealnym narzędziem do mieszania w pracach badawczo-rozwojowych w skali laboratoryjnej. Sonikatory laboratoryjne Hielscher są zazwyczaj stosowane do ultradźwiękowego mieszania małych partii. Homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher zapewniają precyzyjną kontrolę parametrów i doskonałą powtarzalność podczas przygotowywania zwiększenia skali procesu. Ułatwia to mieszanie różnych formulacji i określanie wpływu intensywności sonikacji oraz czasu jej trwania.
Ultradźwiękowe mieszanie w przepływie w produkcji
Sprzęt do mieszania ultradźwiękowego potrzebny do zwiększenia skali procesu można dokładnie określić na podstawie testu laboratoryjnego. Do przetwarzania strumieni cementu lub betonu o dużej objętości sonikatory o wysokiej wydajności zwykle pracują w trybie przepływu ciągłego z wykorzystaniem reaktorów przepływowych. Pozwala to uzyskać wysoce jednorodne mieszanie i bezproblemowe przetwarzanie past i zawiesin – nawet o bardzo wysokiej lepkości.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów w zależności od objętości partii lub natężenia przepływu podczas przetwarzania:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| nie dotyczy | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nie dotyczy | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Źródła
- 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 przepływie za pomocą sonikatora
Mieszalniki ultradźwiękowe Hielscher są zazwyczaj instalowane w linii procesowej. Materiał jest pompowany do zbiornika reaktora ultradźwiękowego. Tam jest poddawany intensywnej kawitacji ultradźwiękowej. Sonikacja w przepływie eliminuje omijanie strefy mieszania, ponieważ wszystkie cząstki przechodzą przez komorę mieszania określoną drogą. Dlatego sonikacja zazwyczaj przesuwa krzywą rozkładu wielkości cząstek zamiast ją poszerzać.
Solidna konstrukcja i łatwe czyszczenie
Reaktor do mieszania ultradźwiękowego składa się z komory przepływowej i sonotrod. Łożyska nie są potrzebne. Reaktory z komorą przepływową (ze stali nierdzewnej) mają prostą geometrię i można je łatwo zdemontować oraz wyczyścić. Nie ma w nich małych otworów ani ukrytych zakamarków.
Inne zastosowania ultradźwięków w cemencie i betonie
Zastosowanie urządzeń ultradźwiękowych Hielscher w przygotowywaniu cementów i betonów nie ogranicza się do mieszania i dyspergowania mieszanek wstępnych cementu lub betonów. Ultradźwięki są bardzo skuteczną metodą odgazowywania cieczy i zawiesin. Zmniejsza to liczbę i objętość pęcherzyków gazu uwięzionych w betonie po stwardnieniu.
Ultradźwiękowe wytrząsarki sitowe poprawiają wydajność i jakość przesiewania proszków o małych cząstkach. Hielscher oferuje sita wprawiane w drgania ultradźwiękowe do zastosowań laboratoryjnych i przemysłowych.
Podstawowe informacje o betonie
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 oraz 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 oraz zanieczyszczenie wpływające na zdrowie operatorów i pracowników.