Ultrazvukové miešanie cementovej kaše na výrobu betónu

Ultrazvukové miešanie cementovej kaše prináša veľké výhody pre výrobu prefabrikátov vo formách, výrobu betónových výrobkov zo zavlhnutých zmesí a betonárne. Medzi tieto výhody patrí kratší čas začiatku a konca tuhnutia, nižšie dávkovanie superplastifikátora, rýchlejšia a úplnejšia hydratácia, ako aj vyššia pevnosť v tlaku.

Tradičné technológie miešania betónu, ako napríklad „miešanie počas prepravy“ alebo rotačné miešačky, neposkytujú dostatočný miešací účinok na rozptýlenie aglomerátov cementových častíc a ďalších cementových prímesí, ako je popolček alebo oxid kremičitý. Zatiaľ čo vonkajšie častice takýchto aglomerátov sú vystavené vode, povrchy častíc vo vnútri zostávajú suché. Výsledkom je pomalá a neúplná hydratácia.

Výhody technológie ultrazvukového miešania pre betón

Ultrazvuková dispergácia je najpokročilejšou technológiou na deaglomeráciu a dispergáciu materiálov s mikrometrovými a nanometrovými rozmermi v kvapalinách. Ultrazvukové miešanie využíva kavitačné šmykové sily, ktoré sú pri miešaní jemnozrnných materiálov účinnejšie než bežné rotačné miešačky a rotorovo-statorové miešače. Pri cemente, oxide kremičitom, popolčeku, pigmentoch alebo CNT sa úžitkové vlastnosti týchto materiálov ultrazvukovou dispergáciou výrazne zlepšujú, pretože zlepšuje rozloženie častíc a ich kontakt s vodou.

Počas hydratácie – reakcie cementu s vodou – vytvárajú fázy C‑S‑H ihlicovité štruktúry. Nasledujúce obrázky znázorňujú mikroštruktúru cementovej kaše po 5 hodinách hydratácie. V cementovej kaši spracovanej ultrazvukom dosahujú fázy C‑S‑H dĺžku takmer 500nm, zatiaľ čo v kaši nespracovanej ultrazvukom majú fázy C‑S‑H dĺžku približne 100nm.

Mikroštruktúra cementovej kaše po 5 hodinách hydratácie

s ultrazvukovým spracovaním	bez ultrazvukového spracovania
Kaša z portlandského cementu (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Univerzita Bauhaus vo Weimare

 
Miešanie pomocou kavitácie vyvolanej ultrazvukom vedie k rýchlejšiemu rastu fáz C‑S‑H.

 
Teplota pri hydratácii

Vplyv výkonovej sonikácie (PUS) na časovo-teplotné krivky cementových kaší

 
Pevnosť v tlaku

Vplyv výkonovej sonikácie (PUS) na pevnosť maltových hranolov v tlaku

 
Rýchlosť ultrazvukového impulzu

Vplyv výkonovej sonikácie (PUS) na rýchlosť ultrazvukového impulzu v hydratujúcich cementových kašiach

Rast fáz C‑S‑H koreluje s teplotou cementovej kaše počas hydratácie (kliknite na graf vpravo). V cementovej kaši miešanej ultrazvukom sa hydratácia začína približne o jednu hodinu skôr. Skoršia hydratácia koreluje so skorším nárastom pevnosti v tlaku. Zvýšenú rýchlosť hydratácie možno merať aj pomocou rýchlosti ultrazvukového impulzu.

Najmä pri prefabrikovanom betóne a betónových výrobkoch zo zavlhnutých zmesí to vedie k výraznému skráteniu času, po ktorom možno betón vybrať z formy. Štúdie Univerzity Bauhaus (Nemecko) preukázali nasledujúce skrátenie časov tuhnutia.

Ďalšou zaujímavou výhodou ultrazvukového miešania je jeho vplyv na tekutosť. Ako ukazuje tabuľka vyššie, sadnutie kužeľa sa zvyšuje približne o 30%. To umožňuje znížiť dávkovanie superplastifikátorov.

Integrácia ultrazvukových miešačov do procesu výroby cementu

Hielscher ponúka ultrazvukové miešače na účinnú dispergáciu cementu, oxidu kremičitého, popolčeka, pigmentov alebo CNT. Najprv by sa mal každý suchý materiál predmiešať s vodou tak, aby vznikla vysoko koncentrovaná, ale stále čerpateľná kaša. Ultrazvukový miešač Hielscher deaglomeruje a disperguje častice pomocou kavitačného šmyku. Výsledkom je úplný kontakt celého povrchu každej častice s vodou.

Ultrazvukové spracovanie cementovej kaše

V prípade cementovej kaše sa hydratácia začína po ultrazvukovom spracovaní. Ultrazvukový miešač Hielscher by sa preto mal používať priamo v potrubí, keďže cementovú kašu nemožno dlhodobo skladovať. Nasledujúca schéma znázorňuje tento proces. V ďalšom kroku sa pridá kamenivo, napríklad piesok alebo štrk, a zmieša sa s cementovou kašou. Keďže cementové častice sú v tejto fáze už dobre rozptýlené, cementová kaša sa dobre premieša s kamenivom. Betón je potom pripravený na plnenie do foriem na prefabrikáty alebo na prepravu. Nádrž označovaná ako „break-up tank“ vedľa ultrazvukového miešača sa môže použiť na zabezpečenie plynulejšieho spracovania pri kolísavom dopyte po betóne.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej deaglomerácii cementových častíc!

Ultrazvuková dispergácia oxidu kremičitého, popolčeka a nanomateriálov

Dispergácia oxidu kremičitého, popolčeka, pigmentov alebo iných nanomateriálov, ako sú uhlíkové nanorúrky, vyžaduje iné intenzity spracovania a úrovne energie. Z tohto dôvodu odporúčame samostatný ultrazvukový miešač na prípravu dobre dispergovanej suspenzie/kaše, ktorá sa potom pridáva do betónovej zmesi. Kliknutím na obrázok vyššie zobrazíte schému tohto procesu.

Ultrazvukové miešacie zariadenie potrebné na zväčšenie výrobného meradla možno presne určiť na základe poloprevádzkových skúšok pomocou UIP1000hdT, výkonného poloprevádzkového sonikátora s výkonom 1 000 wattov. Nasledujúca tabuľka uvádza všeobecné odporúčania zariadení v závislosti od objemu dávky alebo objemového prietoku spracúvanej cementovej kaše.

S ultrazvukovým miešacím výkonom až 16kW na jednu ultrazvukovú sondu ponúka Hielscher spracovateľský výkon potrebný pre veľkoobjemové aplikácie. Túto technológiu možno ľahko otestovať a jej výrobné meradlo sa dá lineárne zväčšovať.