Ultrazvukové miešanie cementovej pasty na betón

Ultrazvukové miešanie cementovej pasty ponúka veľké výhody pre lisovne prefabrikátov, suché liatie a betonárne. Medzi tieto výhody patrí kratší počiatočný a konečný čas nastavenia, nižšie dávkovanie superplastifikátora, rýchlejšia a úplnejšia hydratácia, ako aj vyššia pevnosť v tlaku.

Tradičné technológie miešania betónu, ako napr “Miešanie na ceste” alebo rotačné miešačky poskytujú nedostatočný miešací účinok na rozptýlenie aglomerátov cementových častíc a iných cementových materiálov, ako je popolček alebo oxid kremičitý. Zatiaľ čo vonkajšie častice takýchto aglomerátov sú vystavené vode, vnútorné povrchy častíc zostávajú suché. To má za následok pomalú a neúplnú hydratáciu.

Výhody technológie ultrazvukového miešania betónu

Ultrazvuková dispergácia je najpokročilejšou technológiou na deaglomeráciu a disperziu materiálov veľkosti mikrónov a nanoveľkosti v kvapalinách. Ultrazvukové miešanie využíva kavitačné šmykové sily, ktoré sú účinnejšie pri miešaní jemných materiálov ako bežné rotačné miešadlá a miešačky rotor-stator. V prípade cementu, oxidu kremičitého, popolčeka, pigmentov alebo CNT sa výkon týchto materiálov výrazne zvyšuje ultrazvukovou disperziou, pretože zlepšuje distribúciu častíc a kontakt s vodou.

Počas hydratácie – reakcie cementu s vodou – fázy CSH vytvárajú ihličkovité štruktúry. Obrázky nižšie ukazujú mikroštruktúru v cementovej paste po 5 hodinách hydratácie. V ultrazvukovej cementovej paste sú fázy CSH dlhé takmer 500 nm, zatiaľ čo v nesonikovanej paste sú fázy CSH okolo 100 nm.

Mikroštruktúra cementovej pasty po 5 hodinách hydratácie

s ultrazvukovým spracovaním	bez ultrazvukového spracovania
Portlandská cementová pasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Univerzita Bauhaus Weimar

 
Miešanie ultrazvukom indukovanou kavitáciou vedie k rýchlejšiemu rastu C-S-H-fáz.

 
Teplota hydratácie

Vplyv výkonovej ultrasonikácie (PUS) na časovo-teplotné krivky cementových pást

 
Pevnosť v tlaku

Vplyv výkonovej ultrazvukovej signalizácie (PUS) na tlakovú pevnosť maltových hranolov

 
Ultrazvuková rýchlosť pulzu

Vplyv výkonovej ultrazvukovej ultrazvuku (PUS) na rýchlosť ultrazvukových impulzov hydratačných cementových pást

Rast C-S-H-fáz koreluje s teplotou v cementovej paste počas hydratačného obdobia (kliknite na obrázku vpravo). V ultrazvukovo zmiešanej cementovej paste hydratácia začína približne o hodinu skôr. Skoršia hydratácia koreluje so skorším zvýšením kompresnej sily. Zvýšenú rýchlosť hydratácie možno merať aj rýchlosťou ultrazvukového pulzu.

Najmä v prípade prefabrikátov a suchého betónu to vedie k výrazne kratšiemu času do odobratia liateho betónu z formy. Štúdie Univerzity Bauhaus (Nemecko) ukázali nasledujúce skrátenie stanovených časov.

Ďalšou zaujímavou výhodou ultrazvukového miešania je vplyv na tekutosť. Ako je uvedené v tabuľke vyššie, prepad sa zvyšuje o približne 30 %. To umožňuje znížiť dávkovanie superplastifikátorov.

Procesná integrácia ultrazvukových miešačiek do výroby cementu

Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukové miešačky na efektívne rozptýlenie cementu, oxidu kremičitého, popolčeka, pigmentov alebo CNT. Po prvé, akýkoľvek suchý materiál by mal byť vopred zmiešaný s vodou, aby sa vytvorila vysoko koncentrovaná, ale čerpateľná pasta. Ultrazvukový mixér Hielscher deaglomeruje a disperguje častice pomocou kavitačného strihu. Vďaka tomu je celý povrch každej častice úplne vystavený vode.

Ultrazvukové spracovanie cementovej pasty

V prípade cementovej pasty sa hydratácia začína po ultrazvukovom spracovaní. Preto by sa ultrazvukový mixér Hielscher mal používať inline, pretože cementovú pastu nie je možné dlho skladovať. Schematický nákres nižšie znázorňuje proces. V ďalšom kroku sa pridá kamenivo, ako je piesok alebo štrk, a zmieša sa s cementovou pastou. Keďže častice cementu sú už v tomto štádiu dobre rozptýlené, cementová pasta sa dobre mieša s kamenivom. Betón je potom pripravený na plnenie do foriem na prefabrikáty alebo na prepravu. Rozbíjacia nádrž vedľa ultrazvukového miešača sa môže použiť na nepretržitejšie spracovanie v prípade nestabilnej potreby betónu.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej deaglomerácii cementových častíc!

Ultrazvuková dispergácia oxidu kremičitého, popolčeka a nanomateriálov

Dispergovanie oxidu kremičitého, popolčeka, pigmentov alebo iných nanomateriálov, ako sú uhlíkové nanotrubice, si vyžaduje iné intenzity spracovania a energetické úrovne. Z tohto dôvodu odporúčame samostatný ultrazvukový mixér na výrobu dobre rozptýlenej kaše/pasty, ktorá sa potom pridáva do betónovej zmesi. Kliknutím na obrázok vyššie zobrazíte schematický nákres tohto procesu.

Ultrazvukové miešacie zariadenie potrebné na škálovanie je možné presne určiť na základe pilotných testov pomocou UIP1000hdT, čo je 1 000-wattový výkonný ultrazvuk v pilotnej mierke. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené všeobecné odporúčania pre zariadenia v závislosti od objemu dávky alebo prietoku cementovej pasty, ktorá sa má spracovať.

S ultrazvukovým zmiešavacím výkonom až 16 kW na jednu ultrazvukovú sondu ponúka spoločnosť Hielscher výpočtový výkon potrebný pre veľkoobjemové aplikácie. Táto technológia sa ľahko testuje a lineárne sa rozširuje.