Mistura ultrassónica para betão de elevado desempenho

A utilização de microssílica e nanossílica ou de nanotubos permite melhorar a resistência à compressão do betão de elevado desempenho. A sonicação é um meio eficaz para misturar, molhar e dispersar nanomateriais em cimento ou betão.
 

A microssílica é atualmente muito utilizada no betão, permitindo obter uma maior resistência à compressão ou betões resistentes à água e a produtos químicos. Isto pode reduzir os custos dos materiais e o consumo de energia. Novos nanomateriais, como a nanossílica ou os nanotubos, permitem melhorar ainda mais a resistência. Porém, para aproveitar todo o potencial dos nanomateriais, é necessária uma técnica de dispersão fiável e eficiente. Os sonicadores de sonda são a técnica mais fiável e eficaz para produzir nanodispersões, mesmo em suspensões muito viscosas e pastosas, como o cimento e o betão.

Dispersão de caldas de cimento microfino com misturadores ultrassónicos

No artigo de investigação apresentado pela equipa de investigação de Draganović, os autores investigam a dispersão de caldas de cimento microfino utilizando tecnologia ultrassónica e dispersores convencionais de laboratório do tipo dissolver. O estudo visa comparar o desempenho dos ultrassons – especificamente, no estudo, do sonicador UP400St – com métodos tradicionais de dispersão de caldas.

Os investigadores realizaram uma série de experiências utilizando diferentes técnicas de dispersão para avaliar a distribuição do tamanho das partículas (PSD) e o potencial zeta das partículas de cimento microfino. As técnicas de dispersão incluem o tratamento ultrassónico com o sonicador UP400St, dispersores de laboratório de alta velocidade do tipo dissolver e a combinação de ambos os métodos.

Os resultados mostraram que a dispersão ultrassónica com o sonicador UP400St permitiu obter uma distribuição do tamanho das partículas significativamente melhor do que a obtida com dispersores convencionais de laboratório do tipo dissolver. O sonicador UP400St reduz eficazmente a aglomeração das partículas de cimento microfino e produz uma suspensão de calda mais homogénea e estável. O tratamento ultrassónico melhora a distribuição das partículas mais pequenas, resultando num intervalo mais estreito de distribuição do tamanho das partículas.
 

Métodos de dispersão comparados: dispersor do tipo dissolver Vma-Getzmann Dispermat CV-3 equipado com um disco de 90-mm e um sistema rotor-estator. Dispositivo ultrassónico Hielscher UP400St equipado com um sonotrodo H22.
(Estudo e imagens: ©Draganovic et al., 2020)

 
Além disso, a utilização de ultrassons em combinação com dispersores convencionais de laboratório do tipo dissolver melhora ainda mais a eficiência da dispersão, permitindo obter uma distribuição do tamanho das partículas ainda mais fina do que com o tratamento ultrassónico isolado. Quando os métodos são combinados, a sonicação proporciona a micromistura e a nanodispersão, enquanto o dispersor do tipo dissolver contribui para a macromistura, assegurando que todas as partículas entram na zona de cavitação ultrassónica. Isto permite um melhor controlo da distribuição do tamanho das partículas (PSD) e do potencial zeta da calda de cimento microfino na operação por lotes. Ao utilizar um reator de célula de fluxo, a suspensão de partículas passa automaticamente pela zona de cavitação mais intensa, pelo que a agitação adicional é supérflua.

De um modo geral, o estudo destaca o desempenho superior do sonicador UP400St na dispersão de caldas de cimento microfino. O tratamento ultrassónico, especialmente quando combinado com dispersores convencionais de laboratório do tipo dissolver, oferece um método altamente eficaz e eficiente para obter uma suspensão uniforme e estável de partículas de cimento microfino.

É de salientar que o artigo apresenta uma comparação abrangente entre os ultrassons e os métodos convencionais de dispersão, destacando o desempenho superior da sonicação na dispersão de caldas.
(cf. Draganović et al., 2020)
 

O homogeneizador ultrassónico UP400St é comparado, quanto à eficiência de dispersão de caldas de cimento, com um misturador de laboratório comum equipado com um disco e com a utilização da técnica rotor-estator. O estudo mostrou que a dispersão ultrassónica não só é um método eficaz, como é ainda melhor do que um misturador que utiliza a técnica rotor-estator.
(Estudo e gráfico: © Draganović et al., 2020)

Investigação e desenvolvimento de betão

A investigação sobre betão procura materiais e processos para:

• reduzir os custos dos materiais e da energia
• obter uma elevada resistência inicial e final
• melhorar a densidade e a resistência à compressão
• melhorar a trabalhabilidade, a bombabilidade e a facilidade de acabamento
• melhorar a durabilidade e reduzir a permeabilidade
• reduzir as fissuras de retração, a formação de poeiras e os problemas de delaminação
• resistência química, por exemplo, resistência aos sulfatos

Mistura de cimento e betão

Quando se trata de melhorar as propriedades do betão, a tecnologia de mistura é tão importante como a composição do betão. A mistura é uma etapa essencial na produção de betão uniforme e de elevada qualidade. Embora numerosas diretrizes e normas, por exemplo a DIN EN 206, abranjam a composição do betão e dos seus componentes, o processo efetivo de mistura de cimento e de betão fica a cargo do utilizador.
É fundamental que a água, o cimento e os adjuvantes sejam dispersos e distribuídos uniformemente até uma escala fina e que os aglomerados sejam suficientemente dispersos. Uma dispersão ou desaglomeração insuficiente resulta em propriedades inferiores do betão. Devido ao baixo teor de água e à elevada dosagem de adjuvantes, a mistura de betão autocompactável (SCC) e de betão de resistência ultraelevada (UHPC) exige um tempo de mistura mais longo ou uma tecnologia de mistura mais eficaz.
 
Saiba como os ultrassons de potência melhoram e aceleram a hidratação e o desenvolvimento da resistência das pastas de cimento!
 

Nanomateriais no betão

Durante a hidratação do cimento, formam-se no betão em endurecimento produtos de hidratação à escala nanométrica, como os hidratos de cálcio. As nanopartículas de sílica ou os nanotubos transformam-se em nanopartículas de cimento durante a solidificação do betão. As partículas mais pequenas conduzem a uma menor distância entre partículas e a um material mais denso e menos poroso. Isto aumenta a resistência à compressão e reduz a permeabilidade.

Uma grande desvantagem dos pós e materiais de dimensão nanométrica é, contudo, a tendência para formar aglomerados durante a molhagem e a mistura. A menos que as partículas individuais estejam bem dispersas, a aglomeração reduz a superfície exposta das partículas, resultando em propriedades inferiores do betão.

Mistura ultrassónica: dispersão homogénea de nanomateriais em pastas de cimento

A sonicação é um meio muito eficaz para a mistura, a dispersão e a desaglomeração. A imagem abaixo mostra um resultado típico da dispersão ultrassónica de sílica pirogénica em água.
Leia mais sobre argamassas de cimento nanorreforçadas que utilizam dispersão ultrassónica!

Partindo (curva verde) de um tamanho de partículas aglomeradas superior a 200 micrómetros (D50), a maioria das partículas foi reduzida para menos de 200 nanómetros.

Mistura ultrassónica a qualquer escala

A Hielscher oferece dispositivos de mistura ultrassónica para utilização na investigação e no processamento à escala industrial.

Sonicadores para investigação e desenvolvimento em laboratório

Os homogeneizadores ultrassónicos de laboratório da Hielscher são a ferramenta de mistura perfeita para investigação e desenvolvimento à escala laboratorial. Os sonicadores de laboratório da Hielscher são normalmente utilizados para a mistura ultrassónica de pequenos lotes. Os homogeneizadores ultrassónicos da Hielscher oferecem um controlo preciso dos parâmetros e uma excelente reprodutibilidade para preparar o aumento de escala. Isto facilita a mistura de diferentes formulações e a determinação do impacto da intensidade e da duração da sonicação.

Mistura ultrassónica em linha na produção

O equipamento de mistura ultrassónica necessário para o aumento de escala pode ser determinado com exatidão com base no ensaio laboratorial. Para processar caudais de grande volume de cimento ou betão, os sonicadores de elevado desempenho são normalmente operados em modo de fluxo contínuo, utilizando reatores de fluxo contínuo. Isto permite uma mistura altamente uniforme e o processamento sem falhas de pastas e suspensões – mesmo com viscosidades muito elevadas.

A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores em função do volume do lote ou do caudal a processar: