Ультразвуковое смешивание для высокоэффективного бетона

Использование микрокремнезёма и нанокремнезёма или нанотрубок повышает прочность высокоэффективного бетона на сжатие. Обработка ультразвуком – эффективный способ смешивания, смачивания и диспергирования наноматериалов в цементе или бетоне.
 

Микрокремнезём сегодня широко используется в бетоне, обеспечивая более высокую прочность на сжатие или получение бетонов, устойчивых к воздействию воды и химических веществ. Это может снизить затраты на материалы и потребление энергии. Новые наноматериалы, такие как нанокремнезём или нанотрубки, позволяют дополнительно повысить стойкость и прочность. Однако для раскрытия всего потенциала наноматериалов необходима надёжная и эффективная технология диспергирования. Ультразвуковые аппараты зондового типа обеспечивают наиболее надёжную и действенную технологию получения нанодисперсий даже в высоковязких и пастообразных суспензиях, таких как цемент и бетон.

Диспергирование инъекционного раствора на основе особо тонкодисперсного цемента ультразвуковыми смесителями

В исследовательской статье, представленной группой исследователей Draganović, авторы изучают диспергирование инъекционного раствора на основе особо тонкодисперсного цемента с использованием ультразвуковой технологии и обычных лабораторных диссольверов. Цель исследования – сравнить эффективность ультразвука – в данном исследовании конкретно ультразвукового аппарата UP400St – с традиционными методами диспергирования инъекционного раствора.

Исследователи провели серию экспериментов с использованием различных технологий диспергирования, чтобы оценить распределение частиц особо тонкодисперсного цемента по размерам (PSD) и их дзета-потенциал. Технологии диспергирования включают обработку ультразвуком с помощью аппарата UP400St, использование высокоскоростных лабораторных диссольверов и сочетание обоих методов.

Результаты показали, что ультразвуковое диспергирование с помощью аппарата UP400St обеспечивает значительно лучшее распределение частиц по размерам по сравнению с обычными лабораторными диссольверами. Ультразвуковой аппарат UP400St эффективно уменьшает агломерацию частиц особо тонкодисперсного цемента и позволяет получить более однородную и стабильную суспензию инъекционного раствора. Обработка ультразвуком улучшает распределение более мелких частиц, сужая диапазон распределения частиц по размерам.
 

Сравниваемые методы диспергирования: диссольвер Vma-Getzmann Dispermat CV-3, оснащённый диском диаметром 90 mm и системой «ротор–статор». Ультразвуковой аппарат Hielscher UP400St оснащён сонотродом H22.
(Исследование и изображения: ©Draganovic et al., 2020)

 
Кроме того, использование ультразвука в сочетании с обычными лабораторными диссольверами дополнительно повышает эффективность диспергирования, обеспечивая ещё более мелкое распределение частиц по размерам по сравнению с одной лишь обработкой ультразвуком. При совместном применении обработка ультразвуком обеспечивает микросмешивание и нанодиспергирование, а диссольвер способствует макросмешиванию, обеспечивая поступление всех частиц в зону ультразвуковой кавитации. Это позволяет лучше контролировать распределение частиц по размерам (PSD) и дзета-потенциал инъекционного раствора на основе особо тонкодисперсного цемента при периодической обработке. При использовании реактора с проточной ячейкой суспензия частиц автоматически проходит через зону интенсивной кавитации, поэтому дополнительное перемешивание становится излишним.

В целом исследование подчёркивает превосходство ультразвукового аппарата UP400St при диспергировании инъекционного раствора на основе особо тонкодисперсного цемента. Обработка ультразвуком, особенно в сочетании с обычными лабораторными диссольверами, представляет собой высокоэффективный и производительный метод получения однородной и стабильной суспензии частиц особо тонкодисперсного цемента.

Следует отметить, что в статье представлено всестороннее сравнение ультразвукового и обычных методов диспергирования, подчёркивающее превосходство обработки ультразвуком при диспергировании инъекционного раствора.
(ср. Draganović et al., 2020)
 

Ультразвуковой гомогенизатор UP400St сравнивается по эффективности диспергирования цементного инъекционного раствора с обычным лабораторным смесителем, оснащённым диском, и с применением технологии «ротор–статор». Исследование показало, что ультразвуковое диспергирование не только является эффективным методом, но даже превосходит смеситель, использующий технологию «ротор–статор».
(Исследование и график: © Draganović et al., 2020)

Исследования и разработки в области бетона

Исследования в области бетона направлены на поиск материалов и процессов, позволяющих:

• снизить затраты на материалы и энергию
• получить высокую начальную и конечную прочность
• повысить плотность и прочность на сжатие
• улучшить удобоукладываемость, перекачиваемость и способность к отделке поверхности
• повысить долговечность и снизить проницаемость
• уменьшить образование усадочных трещин, пыление и проблемы расслоения
• обеспечить химическую стойкость, например сульфатостойкость

Смешивание цемента и бетона

При улучшении свойств бетона технология смешивания столь же важна, как и его состав. Смешивание – важнейший этап производства однородного высококачественного бетона. Хотя многочисленные руководства и нормативные документы, например DIN EN 206, регламентируют состав бетона и его компонентов, сам процесс смешивания цемента и бетона оставлен на усмотрение пользователя.
Решающее значение имеет равномерное диспергирование и распределение воды, цемента и добавок вплоть до мелкого масштаба, а также достаточное диспергирование агломератов. Недостаточное диспергирование или деагломерация приводят к ухудшению свойств бетона. Из-за низкого содержания воды и высокой дозировки добавок смешивание самоуплотняющегося бетона (SCC) и бетона сверхвысокой прочности (UHPC) требует более длительного времени смешивания или более эффективной технологии смешивания.
 
Узнайте, как мощный ультразвук улучшает и ускоряет гидратацию и набор прочности цементных паст!
 

Наноматериалы в бетоне

При гидратации цемента в твердеющем бетоне образуются наноразмерные продукты гидратации, такие как гидраты кальция. Наночастицы диоксида кремния или нанотрубки превращаются в наночастицы цемента при затвердевании бетона. Более мелкие частицы уменьшают расстояние между частицами и обеспечивают более плотный и менее пористый материал. Это повышает прочность на сжатие и снижает проницаемость.

Однако существенным недостатком наноразмерных порошков и материалов является склонность к образованию агломератов при смачивании и смешивании. Если отдельные частицы недостаточно хорошо диспергированы, агломерация уменьшает открытую поверхность частиц, что приводит к ухудшению свойств бетона.

Ультразвуковое смешивание: однородное диспергирование наноматериалов в цементных пастах

Обработка ультразвуком – очень эффективный способ смешивания, диспергирования и деагломерации. На изображении ниже показан типичный результат ультразвукового диспергирования пирогенного диоксида кремния в воде.
Подробнее о цементных растворах, армированных наноматериалами с помощью ультразвукового диспергирования!

При исходном размере агломератов более 200 микрон (D50), показанном зелёной кривой, размер большинства частиц был уменьшен до менее 200 нанометров.

Ультразвуковое смешивание в любом масштабе

Hielscher предлагает ультразвуковые устройства для смешивания, предназначенные для исследований и полномасштабной обработки.

Ультразвуковые аппараты для лабораторных исследований и разработок

Лабораторные ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher – идеальный инструмент смешивания для исследований и разработок в лабораторном масштабе. Лабораторные ультразвуковые аппараты Hielscher обычно используются для ультразвукового смешивания небольших партий. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher обеспечивают точный контроль параметров и превосходную воспроизводимость при подготовке к масштабированию. Это позволяет легко смешивать различные составы и определять влияние интенсивности и продолжительности обработки ультразвуком.

Ультразвуковое смешивание в потоке на производстве

Ультразвуковое оборудование для смешивания, необходимое для масштабирования, можно точно определить по результатам лабораторного испытания. Для обработки потоков цемента или бетона большого объёма высокопроизводительные ультразвуковые аппараты обычно работают в непрерывном проточном режиме с использованием проточных реакторов. Это обеспечивает высокую однородность смешивания и безупречную обработку паст и суспензий – даже при очень высокой вязкости.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов в зависимости от объёма обрабатываемой партии или расхода: