Amestecarea cu ultrasunete pentru betonul de înaltă performanță

Utilizarea microsilicei și a nanosilicei sau a nanotuburilor duce la îmbunătățirea rezistenței la compresiune a betonului de înaltă performanță. Ultrasonicarea este un mijloc eficient pentru amestecarea, umectarea și dispersarea nanomaterialelor în ciment sau beton.

Microsilicea este utilizată pe scară largă în beton în prezent, ducând la o rezistență la compresiune mai mare sau la betoane rezistente la apă și la agenți chimici. Acest lucru poate reduce costurile materialelor și consumul de energie. Noile nanomateriale, precum nanosilicea sau nanotuburile, duc la îmbunătățiri suplimentare ale rezistenței și ale tăriei. Dar pentru a valorifica întregul potențial al nanomaterialelor, este necesară o tehnică de dispersare fiabilă și eficientă. Sonicatoarele cu sondă reprezintă cea mai fiabilă și mai eficace tehnică pentru obținerea nanodispersiilor, chiar și în suspensii foarte vâscoase și păstoase, precum cimentul și betonul.

Dispersarea mortarului de injecție din ciment microfin cu mixere cu ultrasunete

Echipa de cercetare a lui Draganović prezintă un articol de cercetare în care autorii investighează dispersarea mortarului de injecție din ciment microfin folosind tehnologia cu ultrasunete și dizolvatoare convenționale de laborator. Studiul își propune să compare performanța ultrasunetelor – în studiu, în mod specific sonicatorul UP400St – cu metodele tradiționale de dispersare a mortarului de injecție.

Cercetătorii au efectuat o serie de experimente folosind diferite tehnici de dispersare pentru a evalua distribuția granulometrică (PSD) și potențialul zeta al particulelor de ciment microfin. Tehnicile de dispersare includ tratamentul cu ultrasunete folosind sonicatorul UP400St, dizolvatoare de laborator de mare viteză și combinația ambelor metode.

Rezultatele au arătat că dispersarea cu ultrasunete folosind sonicatorul UP400St a obținut o distribuție granulometrică semnificativ mai bună comparativ cu dizolvatoarele convenționale de laborator. Sonicatorul UP400St reduce eficient aglomerarea particulelor de ciment microfin și produce o suspensie de mortar de injecție mai omogenă și mai stabilă. Tratamentul cu ultrasunete îmbunătățește distribuția particulelor mai mici, rezultând un interval mai îngust al distribuției granulometrice.

Mortarul de injecție din ciment ultrafin este dispersat cel mai eficient și fiabil cu ajutorul sonicatorului Hielscher UP400S. În studiul comparativ, sonicatorul cu sondă a depășit clar dispersorul rotor-stator și dizolvatorul cu disc.

Metode de dispersare comparate: dizolvator Vma-Getzmann Dispermat CV-3 echipat cu un disc de 90 mm și un sistem rotor-stator. Dispozitivul cu ultrasunete Hielscher UP400St echipat cu o sonotrodă H22.
(Studiu și imagini: ©Draganovic et al., 2020)

În plus, utilizarea ultrasunetelor în combinație cu dizolvatoare convenționale de laborator îmbunătățește și mai mult eficiența dispersării, obținând o distribuție granulometrică și mai fină comparativ cu tratamentul doar cu ultrasunete. Atunci când sunt combinate, sonicarea asigură micro-amestecarea și nanodispersarea, în timp ce dizolvatorul contribuie la macro-amestecare, asigurând că toate particulele ajung în zona de cavitație ultrasonică. Acest lucru permite un control mai bun asupra distribuției granulometrice (PSD) și a potențialului zeta al mortarului de injecție din ciment microfin în regim discontinuu (batch). La utilizarea unui reactor cu celulă de flux, suspensia de particule trece automat prin zona punctelor fierbinți de cavitație, astfel încât agitarea suplimentară este de prisos.

În ansamblu, studiul evidențiază performanța superioară a sonicatorului UP400St în dispersarea mortarului de injecție din ciment microfin. Tratamentul cu ultrasunete, în special atunci când este combinat cu dizolvatoare convenționale de laborator, oferă o metodă extrem de eficace și eficientă pentru obținerea unei suspensii uniforme și stabile de particule de ciment microfin.

Merită menționat că articolul oferă o comparație cuprinzătoare între ultrasunete și metodele convenționale de dispersare, evidențiind performanța superioară a sonicării în dispersarea mortarului de injecție.
(cf. Draganović et al., 2020)

Omogenizarea cu ultrasunete a dat cele mai bune rezultate pentru dispersarea mortarului de injecție din ciment Portland, în comparație cu un mixer de laborator echipat cu un disc și cu un mixer rotor-stator.

Omogenizatorul cu ultrasunete UP400St este comparat, în ceea ce privește eficiența dispersării mortarului de injecție din ciment, cu un mixer obișnuit de laborator echipat cu un disc și cu tehnica rotor-stator. Studiul a arătat că dispersarea cu ultrasunete nu este doar o metodă eficientă, ci este chiar mai bună decât un mixer care utilizează tehnica rotor-stator.
(studiu și grafic: © Draganović et al., 2020)

Videoclipul prezintă amestecarea și dispersarea cu ultrasunete a grafitului în 250mL de rășină epoxidică (Toolcraft L), utilizând un omogenizator cu ultrasunete (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics produce echipamente pentru dispersarea grafitului, grafenului, nanotuburilor de carbon, nanofirelor sau materialelor de umplutură în laborator ori în procese de producție de mare volum. Aplicațiile tipice includ dispersarea nanomaterialelor și micromaterialelor în timpul procesului de funcționalizare sau dispersarea acestora în rășini ori polimeri.

Cercetare și dezvoltare în domeniul betonului

Cercetarea în domeniul betonului caută materiale și procese pentru:

reducerea costurilor materialelor și a costurilor energetice
obținerea unei rezistențe inițiale și finale ridicate
îmbunătățirea densității și a rezistenței la compresiune
îmbunătățirea lucrabilității, pompabilității și finisabilității
îmbunătățirea durabilității și reducerea permeabilității
reducerea problemelor legate de fisurile din contracție, prăfuire și delaminare
rezistență chimică, de ex. rezistența la sulfați

Amestecarea cimentului și a betonului

Când vine vorba de îmbunătățirea proprietăților betonului, tehnologia de amestecare este la fel de importantă ca și compoziția betonului. Amestecarea este o etapă esențială în producția unui beton uniform, de înaltă calitate. Deși numeroase ghiduri și reglementări, de ex. DIN EN 206, acoperă compoziția betonului și a componentelor sale, procesul efectiv de amestecare a cimentului și de amestecare a betonului este lăsat la latitudinea utilizatorului.
Este decisiv ca apa, cimentul și aditivii să fie dispersați și distribuiți uniform până la o scară fină și ca aglomeratele să fie dispersate suficient. Dispersarea sau dezaglomerarea insuficientă duce la proprietăți inferioare ale betonului. Datorită conținutului redus de apă și dozajului ridicat de aditivi, amestecarea betonului autocompactant (SCC) și a betonului cu rezistență ultra-înaltă (UHPC) necesită un timp de amestecare mai lung sau o tehnologie de amestecare mai eficientă.

Aflați cum ultrasunetele de putere îmbunătățesc și accelerează hidratarea și rezistența pastelor de ciment!

Nanomateriale în beton

În timpul hidratării cimentului, în betonul aflat în proces de întărire se formează produși de hidratare la scară nanometrică, cum ar fi hidrații de calciu. Nanoparticulele de silice sau nanotuburile se transformă în nanoparticule de ciment în timpul solidificării betonului. Particulele mai mici duc la o distanță mai mică între particule și la un material mai dens și mai puțin poros. Acest lucru crește rezistența la compresiune și reduce permeabilitatea.

Totuși, un dezavantaj major al pulberilor și materialelor de dimensiuni nanometrice este tendința de a forma aglomerate în timpul umectării și amestecării. Dacă particulele individuale nu sunt bine dispersate, aglomerarea reduce suprafața expusă a particulelor, ducând la proprietăți inferioare ale betonului.

Amestecarea cu ultrasunete: dispersarea omogenă a nanomaterialelor în pastele de ciment

Ultrasonicarea este un mijloc foarte eficient pentru amestecare, dispersare și dezaglomerare. Imaginea de mai jos prezintă un rezultat tipic al dispersării cu ultrasunete a silicei pirogene în apă.
Citiți mai multe despre mortarele de ciment nanoranforsate folosind dispersarea cu ultrasunete!

Amestecarea cu ultrasunete a fumului de silice (microsilice)

Pornind (curba verde) de la o dimensiune a particulelor aglomerate de peste 200 de microni (D50), majoritatea particulelor au fost reduse la mai puțin de 200 de nanometri.

Amestecarea cu ultrasunete la orice scară

Hielscher oferă dispozitive de amestecare cu ultrasunete pentru utilizare în cercetare și în procesarea la scară completă.

Sonicatoare pentru cercetare și dezvoltare în laborator

Omogenizatoarele cu ultrasunete de laborator Hielscher sunt instrumentul de amestecare perfect pentru cercetare și dezvoltare la scară de laborator. Sonicatoarele de laborator Hielscher sunt utilizate de obicei pentru amestecarea cu ultrasunete a loturilor mici. Omogenizatoarele cu ultrasunete Hielscher oferă un control precis al parametrilor și o reproductibilitate excelentă pentru pregătirea scalării. Acest lucru facilitează amestecarea diferitelor formulări și determinarea impactului intensității ultrasonicării și al duratei sonicării.

Amestecarea inline cu ultrasunete în producție

Beton gata de utilizare Echipamentul de amestecare cu ultrasunete necesar pentru scalare poate fi determinat exact pe baza testului de laborator. Pentru procesarea fluxurilor de volum mare de ciment sau beton, ultrasonicatoarele de înaltă performanță sunt de obicei operate în regim de flux continuu, folosind reactoare cu circulație. Acest lucru permite o amestecare extrem de uniformă și procesarea impecabilă a pastelor și suspensiilor – chiar și la vâscozități foarte ridicate.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre, în funcție de volumul lotului sau de debitul de procesat:

Volumul lotului	Debit	Dispozitive recomandate
1 până la 500mL	10 până la 200mL/min	UP100H
10 până la 2000mL	20 până la 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 până la 20L	0,2 până la 4L/min	UIP2000hdT
10 până la 100L	2 până la 10L/min	UIP4000hdT
15 până la 150L	3 până la 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 până la 100L/min	UIP16000
n.a.	mai mare	cluster de UIP16000

Contactați-ne! / Întrebați-ne!

Literatură / Referințe

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.

Subiecte conexe

Amestecarea inline a cimentului cu ajutorul unui sonicator

Mixerele cu ultrasunete Hielscher sunt instalate de obicei inline. Materialul este pompat în vasul reactorului cu ultrasunete. Acolo este expus unei cavitații ultrasonice intense. Sonicarea inline elimină by-pass-ul, deoarece toate particulele trec prin camera de amestecare urmând un traseu definit. Prin urmare, ultrasonicarea deplasează de obicei curba distribuției granulometrice, în loc să o lărgească.

Robust și ușor de curățat

Un reactor de amestecare cu ultrasunete constă din celula de flux și sonotrode. Nu sunt necesari rulmenți. Reactoarele cu celulă de flux (din oțel inoxidabil) au geometrii simple și pot fi ușor demontate și curățate. Nu există orificii mici sau colțuri ascunse.

Alte aplicații ale ultrasunetelor pentru ciment și beton

Utilizarea dispozitivelor cu ultrasunete Hielscher în prepararea cimenturilor și betoanelor nu se limitează la amestecarea și dispersarea premixurilor de ciment sau a betoanelor. Ultrasunetele sunt un mijloc foarte eficient pentru degazarea lichidelor și suspensiilor. Acest lucru reduce numărul și volumul bulelor de gaz prinse în beton după întărire.
Agitatoarele de site cu ultrasunete îmbunătățesc capacitatea de procesare și calitatea cernerii pulberilor cu particule mici. Hielscher oferă site agitate cu ultrasunete pentru aplicații de laborator și industriale.

Informații generale despre beton

Betonul este compus din ciment, de ex. ciment Portland, și alte materiale cimentoase, precum cenușa zburătoare și cimentul de zgură, agregate (pietriș, calcar, granit, nisip), apă și aditivi chimici. Aditivii tipici includ acceleratori sau întârzietori, plastifianți, pigmenți, fum de silice sau metacaolin de înaltă reactivitate (HRM). Microsilicea este un aditiv tipic în beton. Dezavantajul său este costul relativ ridicat și contaminarea care afectează sănătatea operatorilor și a lucrătorilor.