Ультразвуковое смешивание для высокопрочного бетона

Использование микро- и нанокремнезема или нанотрубок приводит к повышению прочности бетона на сжатие с высокими эксплуатационными характеристиками. Ультразвуковое исследование является эффективным средством для смешивания, смачивания и диспергирования наноматериалов в цементе или бетоне.
 

Микрокремнезем сегодня широко используется в бетоне, что приводит к повышению прочности на сжатие или водо- и химически стойким бетонам. Это может снизить материальные затраты и потребление энергии. Новые наноматериалы, такие как нанокремнезем или нанотрубки, приводят к дальнейшему повышению устойчивости и прочности. Но для того, чтобы продемонстрировать весь потенциал наноматериалов, требуется надежный и эффективный метод диспергирования. Ультразвуковые аппараты зондового типа являются наиболее надежным и эффективным методом получения нанодисперсии даже в высоковязких и пастообразных растворах, таких как цемент и бетон.

Диспергирование микротонкого цементного раствора с помощью ультразвуковых смесителей

Исследовательская группа Драгановича представляет исследовательскую статью, в которой авторы исследуют диспергирование микротонкого цементного раствора с помощью ультразвуковой технологии и обычных лабораторных растворителей. Целью исследования является сравнение эффективности ультразвукового исследования – в исследовании конкретно ультразвуковой аппарат УП400Ст – с традиционными методами диспергирования затирки.

Исследователи провели серию экспериментов с использованием различных методов диспергирования для оценки распределения частиц по размерам (PSD) и дзета-потенциала микротонких частиц цемента. Дисперсионные методики включают в себя ультразвуковое лечение с помощью ультразвукового аппарата UP400St, высокоскоростных лабораторных диссольверов, а также комбинацию обоих методов.

Результаты показали, что ультразвуковое дисперсирование с помощью ультразвукового аппарата UP400St позволило добиться значительно лучшего распределения частиц по размерам по сравнению с обычными лабораторными растворителями. Ультразвуковой аппарат UP400St эффективно снижает агломерацию мельчайших частиц цемента и дает более однородную и стабильную суспензию цементного раствора. Ультразвуковая обработка улучшает распределение более мелких частиц, что приводит к более узкому диапазону распределения частиц по размерам.
 

Сравниваемые методы диспергирования: диссольвер Vma-Getzmann Dispermat CV-3, оснащенный 90-мм диском и роторно-статорной системой. Ультразвуковой аппарат Hielscher UP400St оснащен сонотродом H22.
(Исследование и фотографии: ©Draganovic et al., 2020)

 
Кроме того, использование ультразвука в сочетании с обычными лабораторными растворителями еще больше повышает эффективность диспергирования, достигая еще более мелкого распределения частиц по размерам по сравнению с ультразвуковой обработкой. При комбинировании ультразвук обеспечивает микросмешивание и нанодисперсию, в то время как растворитель способствует макросмешиванию, гарантируя, что все частицы попадают в зону ультразвуковой кавитации. Это позволяет лучше контролировать распределение частиц по размерам (PSD) и дзета-потенциал микротонкого цементного раствора при периодическом использовании. При использовании реактора с проточной ячейкой суспензия частиц автоматически проходит через кавитационную зону горячей точки, так что дополнительное перемешивание является излишним.

В целом, исследование подчеркивает превосходную производительность ультразвукового аппарата UP400St при диспергировании мелкодисперсного цементного раствора. Ультразвуковая обработка, особенно в сочетании с обычными лабораторными растворителями, предлагает высокоэффективный и действенный метод достижения равномерной и стабильной суспензии микродисперсных частиц цемента.

Стоит отметить, что в статье представлено всестороннее сравнение ультразвука и традиционных методов диспергирования, подчеркивающее превосходные характеристики ультразвуковой обработки при диспергировании раствора.
(ср. Draganović et al., 2020)
 

Ультразвуковой гомогенизатор UP400St Проведено сравнение по диспергирующей эффективности цементного раствора с обычным лабораторным миксером, оснащенным диском, и с использованием роторно-статорной техники. Исследование показало, что ультразвуковое диспергирование является не только эффективным методом, но и даже лучше, чем использование смесителем роторно-статорного метода.
(исследование и график: © Draganović et al., 2020)

Исследования и разработки в области бетона

Исследования бетона направлены на поиск материалов и процессов для:

• Снижение материальных затрат и затрат на электроэнергию
• Получение высокого начального и конечного сопротивления
• улучшить плотность и прочность на сжатие
• улучшить удобоукладываемость, прокачиваемость и отделку
• Повышение долговечности и снижение проницаемости
• Уменьшение усадочных трещин, проблем с пылением и расслоением
• химическая стойкость, например, сульфатная стойкость

Смешивание цемента и бетона

Когда речь идет об улучшении свойств бетона, технология смешивания так же важна, как и состав бетона. Смешивание является важным этапом в производстве однородного бетона высокого качества. Несмотря на то, что многочисленные директивы и правила, например, DIN EN 206, охватывают состав бетона и его компонентов, фактический процесс смешивания цемента и бетона остается на усмотрение пользователя.
Решающее значение имеет то, чтобы вода, цемент и добавки были равномерно диспергированы и распределены до мелкого налета, а агломераты были достаточно диспергированы. Недостаточное диспергирование или деагломерация приводит к ухудшению свойств бетона. Из-за низкого содержания воды и высокой дозировки добавок смешивание самоуплотняющегося бетона (SCC) и сверхвысокопрочного бетона (UHPC) требует более длительного времени смешивания или более эффективной технологии смешивания.

Наноматериалы в бетоне

Во время гидратации цемента в твердеющем бетоне образуются наноразмерные продукты гидратации, такие как гидраты кальция. Наночастицы кремнезема или нанотрубки превращаются в наночастицы цемента в процессе затвердевания бетона. Более мелкие частицы приводят к более короткому расстоянию между частицами и более плотному и менее пористому материалу. Это увеличивает прочность на сжатие и снижает проницаемость.

Однако основным недостатком наноразмерных порошков и материалов является склонность к образованию агломератов во время смачивания и смешивания. Если отдельные частицы не диспергированы хорошо, агломерация уменьшает открытую поверхность частиц, что приводит к ухудшению свойств бетона.

Ультразвуковое смешивание наноматериалов

Ультразвук является очень эффективным средством для смешивания, диспергирования и деагломерации. На рисунке ниже показан типичный результат ультразвукового диспергирования дымчатого диоксида кремния в воде.

Начиная с (зеленая кривая) при размере частиц агломерата более 200 микрон (D50), большая часть частиц была уменьшена до менее чем 200 нанометров.

Ультразвуковое смешивание в любых масштабах

Hielscher предлагает ультразвуковые смесительные устройства для использования в исследованиях и полномасштабной обработке.

Ультразвуковые аппараты для лабораторных исследований и разработок

Ультразвуковые лабораторные гомогенизаторы Hielscher являются идеальным инструментом для смешивания для исследований и разработок в лабораторных масштабах. Лабораторные ультразвуковые аппараты Hielscher обычно используются для ультразвукового смешивания небольших партий. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher обеспечивают точный контроль параметров и превосходную воспроизводимость при приготовлении накипи. Это позволяет легко смешивать различные составы и определять влияние ультразвука, интенсивность и продолжительность ультразвуковой обработки.

Ультразвуковое поточное смешивание в производстве

Ультразвуковое смесительное оборудование, необходимое для масштабирования, может быть точно определено на основе лабораторных испытаний. Для обработки больших объемных потоков цемента или бетона высокопроизводительные ультразвуковые аппараты обычно работают в режиме непрерывного потока с использованием проточных реакторов. Это обеспечивает высокоравномерное смешивание и безупречную обработку паст и суспензий – Даже с очень высокой вязкостью.

В таблице ниже приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов в зависимости от объема партии или расхода, подлежащего обработке: