Amestecarea cu ultrasunete pentru beton de înaltă performanță

Utilizarea micro- și nanosiliciului sau nanotuburilor duce la îmbunătățirea rezistenței la compresiune a betonului de înaltă performanță. Ultrasonication este un mijloc eficient pentru amestecarea, umezirea și dispersarea nanomaterialelor în ciment sau beton.
 

Microsiliciul este utilizat pe scară largă în beton astăzi, ceea ce duce la o rezistență mai mare la compresiune sau la betoane rezistente la apă și substanțe chimice. Acest lucru poate reduce costurile materialelor și consumul de energie. Nanomaterialele noi, cum ar fi nanosiliciul sau nanotuburile, conduc la îmbunătățiri suplimentare ale rezistenței și rezistenței. Dar, pentru a valorifica întregul potențial al nanomaterialelor, este necesară o tehnică de dispersie fiabilă și eficientă. Sonicatoarele de tip sondă sunt tehnica cea mai fiabilă și mai eficientă pentru a produce nano-dispersie, chiar și în suspensii foarte vâscoase și asemănătoare pastei, cum ar fi cimentul și betonul.

Dispersie microfină de ciment chit cu mixere cu ultrasunete

Echipa de cercetare a lui Draganović prezintă un articol de cercetare, autorii investighează dispersia mortarului de ciment microfin folosind tehnologia cu ultrasunete și dizolvanții convenționali de laborator. Studiul își propune să compare performanța ultrasunetelor – în studiul specific sonicator UP400St – cu metode tradiționale de dispersie a chitului.

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

Rezultatele au arătat că dispersia cu ultrasunete folosind sonicatorul UP400St a obținut o distribuție semnificativ mai bună a dimensiunii particulelor în comparație cu dizolvanții convenționali de laborator. Sonicatorul UP400St reduce în mod eficient aglomerarea particulelor de ciment microfin și produce o suspensie de chit mai omogenă și mai stabilă. Tratamentul cu ultrasunete îmbunătățește distribuția particulelor mai mici, rezultând un interval mai restrâns de distribuție a dimensiunii particulelor.
 

Metode de dispersie comparate: dizolvant Vma-Getzmann Dispermat CV-3 echipat cu un disc de 90 mm și un sistem rotor-stator. Hielscher UP400St dispozitiv cu ultrasunete echipat cu un sonotrod H22.
(Studiu și imagini: ©Draganovic et al., 2020)

 
În plus, utilizarea ultrasunetelor în combinație cu dizolvanții convenționali de laborator îmbunătățește și mai mult eficiența dispersiei, obținând o distribuție și mai fină a dimensiunii particulelor în comparație cu tratamentul cu ultrasunete. Atunci când sunt combinate, sonicare oferă micro-amestecare și nano-dispersie, în timp ce dizolvantul contribuie la macro-amestecare asigurându-se că toate particulele în zona de cavitație cu ultrasunete. Acest lucru permite un control mai bun asupra distribuției dimensiunii particulelor (PSD) și a potențialului zeta al mortarului de ciment microfin în funcționarea loturilor. Atunci când se utilizează un reactor cu celule de flux, suspensia de particule trece automat zona punctului fierbinte cavitațional, astfel încât agitarea suplimentară este inutilă.

În general, studiul evidențiază performanța superioară a sonicatorului UP400St în dispersarea mortarului de ciment microfin. Tratamentul cu ultrasunete, în special atunci când este combinat cu dizolvanți convenționali de laborator, oferă o metodă extrem de eficientă și eficientă pentru obținerea unei suspensii uniforme și stabile a particulelor microfine de ciment.

Este demn de remarcat faptul că articolul oferă o comparație cuprinzătoare între ultrasunete și metodele convenționale de dispersie, subliniind performanța superioară a sonicare în dispersia chitului.
(cf. Draganović et al., 2020)
 

Omogenizatorul cu ultrasunete UP400St se compară în ceea ce privește eficiența dispersiei chitului de ciment cu un mixer obișnuit de laborator echipat cu un disc și folosind tehnica rotor-stator. Studiul a arătat că dispersia cu ultrasunete nu este doar o metodă eficientă, ci este chiar mai bună decât un mixer folosind tehnica rotor-stator.
(studiu și grafic: © Draganović et al., 2020)

Cercetare și dezvoltare concretă

Cercetarea concretă caută materiale și procese pentru:

• Reduceți costurile materialelor și costurile cu energia
• Obțineți o rezistență inițială și finală ridicată
• îmbunătățirea densității și a rezistenței la compresiune
• îmbunătățirea lucrabilității, pompabilității și finisabilității
• îmbunătățirea durabilității și reducerea permeabilității
• Reduceți fisurile de contracție, praful și problemele de delaminare
• rezistența chimică, de exemplu rezistența la sulfat

Amestecarea cimentului și betonului

Când vine vorba de îmbunătățirea proprietăților betonului, tehnologia de amestecare este la fel de importantă ca și compoziția betonului. Amestecarea este un pas esențial în producția de beton uniform, de înaltă calitate. Deși numeroase linii directoare și reglementări, de exemplu DIN EN 206, acoperă compoziția betonului și a componentelor sale, procesul real de amestecare a cimentului și amestecare a betonului este lăsat la latitudinea utilizatorului.
Este decisiv ca apa, cimentul și aditivii să fie dispersați uniform și distribuiți până la o scară fină și ca aglomeratele să fie suficient de dispersate. Dispersia insuficientă sau dezaglomerarea are ca rezultat proprietăți inferioare ale betonului. Datorită conținutului scăzut de apă și dozei mari de aditivi, amestecarea betonului autocompactant (SCC) și a betonului ultra-rezistent (UHPC) necesită un timp de amestecare mai lung sau o tehnologie de amestecare mai eficientă.

Nanomateriale în beton

În timpul hidratării cimentului se formează produse de hidratare la scară nanometrică, cum ar fi hidrații de calciu, în betonul de întărire. Nano particule de silice sau nanotuburi se transformă în nanoparticule de ciment în timpul solidificării betonului. Particulele mai mici duc la o distanță mai scurtă a particulelor și la un material mai dens și mai puțin poros. Acest lucru crește rezistența la compresiune și reduce permeabilitatea.

Un dezavantaj major al pulberii și materialelor de dimensiuni nanometrice, totuși, este tendința de a forma aglomerate în timpul umezirii și amestecării. Cu excepția cazului în care particulele individuale sunt bine dispersate, aglomerarea reduce suprafața particulelor expuse, ceea ce duce la proprietăți inferioare ale betonului.

Amestecarea cu ultrasunete a nanomaterialelor

Ultrasonication este un mijloc foarte eficient pentru amestecarea, dispersarea și dezaglomerarea. Imaginea de mai jos prezintă un rezultat tipic al dispersării cu ultrasunete a siliciului fumed în apă.

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

Amestecarea cu ultrasunete la orice scară

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

Sonicatoare pentru cercetare de laborator și dezvoltare

Hielscher omogenizatoare de laborator cu ultrasunete sunt instrumentul perfect de amestecare pentru cercetare și dezvoltare la scară de laborator. Hielscher sonicatoare de laborator sunt de obicei utilizate pentru amestecarea cu ultrasunete a loturilor mici. Hielscher omogenizatoare cu ultrasunete oferă un control precis al parametrilor și reproductibilitate excelentă pentru pregătirea scării în sus. Acest lucru facilitează amestecarea diferitelor formulări și determinarea impactului ultrasonication, intensitatea și durata sonicare.

Amestecarea cu ultrasunete inline în producție

Echipamentul de amestecare cu ultrasunete necesar pentru scalare poate fi determinat exact pe baza testului de laborator. Pentru prelucrarea fluxurilor de volum mare de ciment sau beton, ultrasonicators de înaltă performanță sunt de obicei operate în modul flux continuu folosind reactoare de curgere. Acest lucru permite o amestecare foarte uniformă și prelucrarea impecabilă a pastelor și a suspensiilor – chiar și cu vâscozități foarte mari.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre în funcție de volumul lotului sau debitul care urmează să fie procesate: