Deaglomerácia cementových častíc pomocou výkonového ultrazvuku
Sondové sonikátory sa často používajú na deaglomeráciu cementových častíc. Táto metóda eliminuje potrebu mlecích telies, zjednodušuje proces tým, že odstraňuje potrebu filtrácie a intenzívneho čistenia, a zabezpečuje účinné zmenšovanie veľkosti častíc. Sonikácia navyše znižuje závislosť od dispergačných činidiel a využíva kompaktnejšie, energeticky úsporné zariadenia, čo z nej robí veľmi výhodné riešenie na dispergáciu a deaglomeráciu cementových častíc.
Výhody ultrazvukovej deaglomerácie cementových častíc
Cement je jedným z najdôležitejších materiálov v stavebníctve a vďaka svojim spojivovým vlastnostiam sa široko využíva. Dosiahnutie optimálnych úžitkových vlastností však vyžaduje rovnomerné rozptýlenie častíc, pretože aglomerované častice môžu nepriaznivo ovplyvniť úžitkové vlastnosti cementu. Ultrazvuková deaglomerácia sa etablovala ako účinná technika na riešenie tohto problému.
Priemyselné sonikátory na deaglomeráciu cementových častíc s vysokou kapacitou spracovania.
- Lepšia dispergácia častíc: Ultrazvuková deaglomerácia účinne disperguje cementové častice a zabezpečuje rovnomerné rozdelenie ich veľkosti. Táto rovnomernosť je kľúčová na dosiahnutie konzistentnej pevnosti a trvanlivosti cementových materiálov.
- Lepšia hydratácia: Zväčšený povrch deaglomerovaných častíc zlepšuje proces hydratácie, čo vedie k lepšiemu spojeniu a vyššej pevnosti konečného výrobku. Lepšia hydratácia tiež znižuje riziko neúplných reakcií a slabých miest v cementovej matrici.
- Lepšia spracovateľnosť: Dobre dispergované cementové častice vytvárajú lepšie spracovateľnú zmes, ktorá sa ľahšie mieša, leje a povrchovo upravuje. Táto lepšia spracovateľnosť môže viesť ku skráteniu času výstavby a zníženiu nákladov na pracovnú silu.
- Lepšie mechanické vlastnosti: Ultrazvuková deaglomerácia prispieva k vytvoreniu hustejšej a homogénnejšej mikroštruktúry v materiáloch na báze cementu. Výsledkom sú lepšie mechanické vlastnosti, ako sú pevnosť v tlaku a v ťahu.
- Zníženie spotreby prísad: Dosiahnutím lepšej dispergácie prostredníctvom ultrazvukovej deaglomerácie možno minimalizovať potrebu chemických dispergačných činidiel a ďalších prísad. Tým sa nielen znižujú náklady, ale aj vplyv výroby cementu na životné prostredie.
- Nákladová efektívnosť: Bez ohľadu na počiatočnú investíciu do priemyselného ultrazvukového zariadenia z neho dlhodobé prínosy v podobe lepšej kvality výrobku, nižšej spotreby prísad a lepších úžitkových vlastností robia nákladovo efektívne riešenie pre cementársky priemysel.
| Porovnávaný aspekt | Mletie cementových častíc v guľovom mlyne | Ultrazvuková deaglomerácia cementových častíc |
|---|---|---|
| Metóda | Využíva oceľové guľôčky alebo guľôčky z oxidu kremičitého ako mlecie telesá | Využíva ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou na vytváranie akustickej kavitácie a sonomechanických šmykových síl |
| Výmena mlecích telies | Častá výmena oceľových guľôčok alebo guľôčok z oxidu kremičitého | Bez mlecích telies, čím sa eliminujú náklady na ich výmenu |
| Filtrácia po spracovaní | Potrebná na odfiltrovanie mlecích telies | Nie je potrebná, čo zjednodušuje proces |
| Požiadavky na čistenie | Pracovne a časovo náročné čistenie mlecích telies a komory | Minimálne čistenie, ultrazvukové sondy sa ľahšie udržiavajú |
| Účinnosť v oblasti jemných častíc | Neúčinné pri časticiach v rozsahu 0 – 100 µm, časovo náročné | Vysoko účinná pri jemných časticiach vrátane rozsahu 0 – 100 µm |
| Potreba dispergačného činidla | Potrebné veľké množstvo dispergačného činidla | Znížená potreba dispergačných činidiel vďaka silnej kavitácii a šmykovým silám |
| Vlastnosti zariadenia | Veľké, rozmerné, energeticky neefektívne, vyžaduje rozsiahlu údržbu a čistenie | Kompaktné, energeticky úsporné, vyžaduje menej údržby, ľahšie sa s ním manipuluje a jeho obsluha je bezpečná |
Prípadová štúdia: dispergácia mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi pomocou ultrazvukových miešačov
Výskumný tím pod vedením Draganovića predstavuje komplexný výskum dispergácie mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi pomocou ultrazvukovej technológie v porovnaní s bežnými laboratórnymi dispergačnými miešadlami. Štúdia sa osobitne zameriava na účinnosť sonikátora UP400St v porovnaní s tradičnými metódami dispergácie injektážnej zmesi.
Výskumníci uskutočnili sériu experimentov s použitím rôznych dispergačných techník na posúdenie rozdelenia veľkosti častíc (PSD) a zeta potenciálu mikrojemných cementových častíc. Hodnotené techniky zahŕňajú ultrazvukové spracovanie sonikátorom UP400St, vysokootáčkové laboratórne dispergačné miešadlá a kombináciu oboch metód.
Výsledky ukazujú, že ultrazvuková dispergácia pomocou sonikátora UP400St výrazne zlepšuje rozdelenie veľkosti častíc v porovnaní s bežnými laboratórnymi dispergačnými miešadlami. Sonikátor UP400St účinne obmedzuje aglomeráciu mikrojemných cementových častíc, čím vytvára homogénnejšiu a stabilnejšiu injektážnu suspenziu. Ultrazvukové spracovanie zlepšuje rozdelenie menších častíc, čo vedie k užšiemu rozsahu rozdelenia veľkosti častíc.
Ultrazvukový homogenizátor UP400St sa z hľadiska účinnosti dispergácie cementovej injektážnej zmesi porovnáva s bežným laboratórnym miešadlom vybaveným diskom a s miešadlom využívajúcim rotorovo-statorovú techniku. Štúdia ukázala, že ultrazvuková dispergácia je nielen účinnou metódou, ale je dokonca lepšia než miešadlo využívajúce rotorovo-statorovú techniku.
(štúdia a grafika: © Draganović et al., 2020)
Kombinácia ultrazvuku s bežnými laboratórnymi dispergačnými miešadlami navyše zvyšuje účinnosť dispergácie, pričom sa dosahuje rozdelenie veľkosti častíc s ešte jemnejšími časticami než pri samotnom ultrazvukovom spracovaní. Táto kombinácia umožňuje lepšiu kontrolu nad PSD a zeta potenciálom mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi pri dávkovom spracovaní. V systémoch s kontinuálnym prietokom suspenzia častíc automaticky prechádza zónou intenzívnej kavitácie, čím odpadá potreba dodatočného miešania.
Štúdia zdôrazňuje vynikajúcu účinnosť sonikátora UP400St pri dispergácii mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi. Ultrazvukové spracovanie, najmä v kombinácii s bežnými laboratórnymi dispergačnými miešadlami, ponúka účinnú a efektívnu metódu na dosiahnutie rovnomernej a stabilnej suspenzie mikrojemných cementových častíc.
Tento výskum poskytuje podrobné porovnanie ultrazvukových a konvenčných dispergačných metód a poukazuje na vyššiu účinnosť sonikácie pri dispergácii injektážnej zmesi.
(porov. Draganović et al., 2020)
Porovnávané metódy dispergácie: dispergačné miešadlo Vma-Getzmann Dispermat CV-3 vybavené diskom s priemerom 90 mm, rotorovo-statorový (R/S) systém a sonikátor Hielscher UP400St vybavený sonotródou H22.
(štúdia a obrázky: ©Draganovic et al., 2020)
Sondový sonikátor UP400ST na dispergáciu mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi
(štúdia a obrázok: ©Draganovic et al., 2020)
Použitie sonikátorov v cementárskom priemysle
Využitie priaznivých účinkov vysokovýkonného ultrazvuku pri deaglomerácii cementových častíc a injektážnej zmesi otvára početné oblasti použitia v cementárskom priemysle a umožňuje zlepšiť vlastnosti materiálov a kvalitu konečného výrobku.
- Mokré mletie cementových častíc: Sonikácia pomocou sondy je vysoko účinná a energeticky efektívna metóda mletia cementových častíc. Prečítajte si viac o ultrazvukovom mokrom mletí cementu!
- Výroba vysokohodnotného betónu: Sondové sonikátory sa používajú na výrobu vysokohodnotného betónu tým, že zabezpečujú rovnomernú dispergáciu jemných cementových častíc a doplnkových cementových materiálov, ako sú popolček a kremičitý úlet. Výsledkom je betón s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami a trvanlivosťou.
- Vývoj nanokompozitov: Vo výskume a vývoji sondové sonikátory uľahčujú začleňovanie nanočastíc do cementových matríc, čím vznikajú nanokompozity so zlepšenými vlastnosťami, ako sú zvýšená pevnosť, húževnatosť a odolnosť proti degradácii vplyvom prostredia.
- Optimalizácia účinnosti prísad: Ultrazvuková deaglomerácia pomáha optimalizovať účinnosť chemických prísad, ako sú superplastifikátory a prevzdušňovacie prísady, tým, že zabezpečuje ich rovnomerné rozloženie v cementovej matrici. To vedie k lepšej spracovateľnosti a lepším úžitkovým vlastnostiam konečného produktu.
Vysokovýkonné sonikátory na dispergáciu a deaglomeráciu cementových častíc
Ultrazvuková deaglomerácia pomocou sondových sonikátorov ponúka cementárskemu priemyslu významné výhody. Zlepšením dispergácie častíc, hydratácie a spracovateľnosti prispievajú tieto zariadenia k výrobe vysokokvalitných cementových materiálov. Presné riadenie, škálovateľnosť a všestrannosť sondových sonikátorov z nich robia cenné nástroje pre výskum aj priemyselné aplikácie, ktoré podporujú inovácie a efektívnosť výroby cementu.
Hielscher Ultrasonic dodáva vysokovýkonné sonikátory na akejkoľvek výkonovej úrovni na spracovanie cementových častíc a cementových injektážnych zmesí, od menších dávok na výskum + vývoj až po spracovanie veľkých množstiev za jednotku času pri priemyselnej deaglomerácii cementu vo výrobnom meradle.
- vysoká účinnosť
- najmodernejšia technológia
- spoľahlivosť a robustnosť
- nastaviteľné, presné riadenie procesu
- vsádzkové a inline spracovanie
- pre akýkoľvek objem
- inteligentný softvér
- inteligentné funkcie (napr. programovateľnosť, zaznamenávanie údajov, diaľkové ovládanie)
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- nízke nároky na údržbu
- CIP (čistenie na mieste)
Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia s najmodernejšou technológiou a používateľsky prívetivou obsluhou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú samozrejme v zhode s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:
| Objem vsádzky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergáciu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.
Literatúra / Referencie
- 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.
Užitočné informácie
Čo je cement?
Cement je jemná prášková látka, ktorá v stavebníctve slúži ako spojivo. Po zmiešaní s vodou prechádza chemickou reakciou nazývanou hydratácia, pri ktorej tvrdne na pevný materiál. Pozostáva predovšetkým z vápenca, ílu, lastúr a oxidu kremičitého a je kľúčovou zložkou betónu, malty a ďalších stavebných materiálov. Schopnosť cementu tvrdnúť a spájať iné materiály z neho robí nevyhnutný materiál pri výstavbe budov, ciest, mostov a ďalšej infraštruktúry. Najbežnejším druhom cementu je portlandský cement, ktorý sa široko používa vďaka svojej pevnosti a všestrannosti.
Prečo je deaglomerácia cementových častíc dôležitá?
Deaglomerácia cementových častíc je dôležitá, pretože zabezpečuje rovnomernú distribúciu veľkosti častíc, čím zlepšuje úžitkové vlastnosti a kvalitu materiálov na báze cementu. Správna deaglomerácia zvyšuje účinnosť hydratácie, čo vedie k pevnejšiemu a trvanlivejšiemu betónu. Zlepšuje aj spracovateľnosť cementových zmesí, čím uľahčuje ich miešanie, liatie a povrchovú úpravu. Dobre dispergované častice navyše znižujú potrebu chemických prísad, znižujú výrobné náklady a minimalizujú vplyv na životné prostredie. Účinná deaglomerácia je celkovo kľúčová na dosiahnutie optimálnych mechanických vlastností a dlhodobej trvanlivosti v stavebných projektoch.
Ako sa deaglomerujú cementové častice?
Cementové častice sa deaglomerujú rôznymi metódami, pričom ultrazvuková deaglomerácia patrí medzi najúčinnejšie techniky. Pri tomto procese sonda ponorená do cementovej suspenzie vysiela vysokofrekvenčné ultrazvukové vlny. Tieto vlny vytvárajú intenzívne kavitačné bubliny, ktoré kolabujú s vysokou energiou a vytvárajú silné šmykové sily a rázové vlny. Tieto sily rozrušujú aglomerované cementové častice a zabezpečujú rovnomernú disperziu. Medzi ďalšie metódy patrí mechanické miešanie, mletie a používanie dispergačných činidiel, ultrazvuková deaglomerácia je však uprednostňovaná pre svoju účinnosť a schopnosť dosiahnuť jemnú a rovnomernú distribúciu častíc.
Akú úlohu zohráva voda pri spracovaní cementu?
Voda zohráva pri spracovaní cementu kľúčovú úlohu. Hydratuje rôzne minerály v slinku, čo cementovej paste dodáva potrebnú tekutosť. Riadenie obsahu vody si však vyžaduje citlivé vyváženie. Nadmerné množstvo vody môže viesť k problémom, ako je odlučovanie vody (keď sa voda oddeľuje zo zmesi), a k zníženej pevnosti v tlaku. Naopak, nedostatok vody môže znížiť spracovateľnosť, čím sa s cementovou zmesou ťažšie pracuje a výsledné výrobky majú nižšiu pevnosť.
Ako fungujú sondové sonikátory?
Sondové sonikátory sú špecifickou triedou ultrazvukových zariadení určených na dispergáciu a deaglomeráciu častíc v rôznych suspenziách vrátane cementových. Tieto zariadenia používajú sondu alebo ultrazvukový nadstavec, ktorý vysiela ultrazvukové vlny priamo do média a vytvára kavitačné bubliny, ktoré implodujú s vysokou energiou, čo vedie k deaglomerácii častíc.
Sondové sonikátory fungujú na princípe generovania ultrazvukových vĺn zvyčajne v rozsahu od 20 do 30kHz. Sonda, nazývaná aj sonotróda, je tyč vyrobená z materiálov, ako je titán, ktorá sa ponára do cementovej suspenzie. Po aktivácii sonda kmitá na ultrazvukových frekvenciách a vytvára intenzívnu akustickú kavitáciu. Táto kavitácia zahŕňa tvorbu a prudký kolaps mikroskopických bublín v suspenzii, pri ktorom vznikajú silné šmykové sily a rázové vlny. Tieto sily rozrušujú aglomerované častice a podporujú rovnomernú disperziu.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnej až po priemyselnú veľkosť.