Ультразвуковое перемешивание цементного теста для бетона

Ультразвуковое перемешивание цементного теста обеспечивает значительные преимущества при формовании сборных изделий, производстве изделий из жестких бетонных смесей и на бетонных заводах. Эти преимущества включают сокращение сроков начала и конца схватывания, снижение дозировки суперпластификатора, более быструю и полную гидратацию, а также повышение прочности на сжатие.

Традиционные технологии перемешивания бетона, такие как перемешивание во время транспортировки или использование роторных смесителей, не обеспечивают достаточного перемешивания для диспергирования агломератов частиц цемента и других вяжущих материалов, таких как зола-унос или кремнезем. Хотя внешние частицы таких агломератов контактируют с водой, поверхности внутренних частиц остаются сухими. Это приводит к медленной и неполной гидратации.

Преимущества технологии ультразвукового перемешивания для бетона

Ультразвуковое диспергирование – самая передовая технология деагломерации и диспергирования материалов микронного и наноразмерного диапазонов в жидкостях. При ультразвуковом перемешивании используются кавитационные сдвиговые силы, которые при перемешивании мелкодисперсных материалов эффективнее обычных роторных и роторно-статорных смесителей. Ультразвуковое диспергирование значительно улучшает эксплуатационные характеристики цемента, кремнезема, золы-уноса, пигментов или углеродных нанотрубок (CNTs), поскольку улучшает распределение частиц и их контакт с водой.

Во время гидратации – реакции цемента с водой – фазы C‑S‑H образуют игольчатые структуры. На изображениях ниже показана микроструктура цементного теста после 5 часов гидратации. В цементном тесте, обработанном ультразвуком, длина фаз C‑S‑H составляет почти 500nm, тогда как в тесте без обработки ультразвуком длина фаз C‑S‑H составляет около 100nm.

Микроструктура цементного теста после 5 часов гидратации

с обработкой ультразвуком	без обработки ультразвуком
Портландцементное тесто (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Университет Баухаус в Веймаре

 
Перемешивание посредством кавитации, вызванной ультразвуком, приводит к более быстрому росту фаз C‑S‑H.

 
Температура гидратации

Влияние обработки мощным ультразвуком (PUS) на температурно-временные кривые цементного теста

 
Прочность на сжатие

Влияние обработки мощным ультразвуком (PUS) на прочность при сжатии призм из строительного раствора

 
Скорость ультразвукового импульса

Влияние обработки мощным ультразвуком (PUS) на скорость ультразвукового импульса в гидратирующемся цементном тесте

Рост фаз C‑S‑H коррелирует с температурой цементного теста в период гидратации (нажмите на график справа). В цементном тесте, перемешанном ультразвуком, гидратация начинается примерно на один час раньше. Более ранняя гидратация коррелирует с более ранним повышением прочности на сжатие. Повышенную скорость гидратации также можно измерить по скорости ультразвукового импульса.

В частности, при производстве сборных бетонных изделий и изделий из жестких бетонных смесей это значительно сокращает время до извлечения отформованного бетона из формы. Исследования Университета Баухаус (Германия) показали следующее сокращение сроков схватывания.

Еще одно интересное преимущество ультразвукового перемешивания – влияние на текучесть. Как показано в таблице выше, осадка конуса увеличивается примерно на 30%. Это позволяет снизить дозировку суперпластификаторов.

Интеграция ультразвуковых смесителей в процесс производства цемента

Hielscher предлагает ультразвуковые смесители для эффективного диспергирования цемента, кремнезема, золы-уноса, пигментов или углеродных нанотрубок (CNTs). Сначала любой сухой материал следует предварительно смешать с водой, чтобы получить высококонцентрированную пасту, которую при этом можно перекачивать насосом. Ультразвуковой смеситель Hielscher осуществляет деагломерацию и диспергирование частиц посредством кавитационного сдвига. В результате вся поверхность каждой частицы полностью контактирует с водой.

Ультразвуковая обработка цементного теста

В случае цементного теста гидратация начинается после обработки ультразвуком. Поэтому ультразвуковой смеситель Hielscher следует использовать в потоке, поскольку цементное тесто нельзя хранить в течение длительного времени. Схема ниже иллюстрирует этот процесс. На следующем этапе добавляют заполнитель, например песок или гравий, и смешивают его с цементным тестом. Поскольку на этом этапе частицы цемента уже хорошо диспергированы, цементное тесто хорошо смешивается с заполнителем. После этого бетон готов к заполнению форм для сборных изделий или к транспортировке. Для обеспечения более непрерывной обработки при нестабильном спросе на бетон рядом с ультразвуковым смесителем может использоваться буферный резервуар (break-up tank).
Подробнее об ультразвуковой деагломерации частиц цемента!

Ультразвуковое диспергирование кремнезема, золы-уноса и наноматериалов

Диспергирование кремнезема, золы-уноса, пигментов или других наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки, требует других интенсивностей обработки и уровней энергии. По этой причине мы рекомендуем отдельный ультразвуковой смеситель для получения хорошо диспергированной суспензии/пасты, которую затем добавляют в бетонную смесь. Нажмите на изображение выше, чтобы увидеть схему этого процесса.

Необходимое для масштабирования оборудование для ультразвукового перемешивания можно точно определить на основе испытаний в пилотном масштабе с использованием UIP1000hdT – мощного ультразвукового аппарата мощностью 1 000 Вт для пилотных испытаний. В таблице ниже приведены общие рекомендации по выбору устройств в зависимости от объема партии или расхода обрабатываемого цементного теста.

При мощности ультразвукового перемешивания до 16kW на один ультразвуковой зонд Hielscher обеспечивает мощность обработки, необходимую для применения с большими объемами. Эту технологию легко испытать, и она масштабируется линейно.