Ultrazvukové miešanie pre vysokovýkonný betón
Použitie mikro- a nanooxidu kremičitého alebo nanotrubíc vedie k zlepšeniu pevnosti vysokovýkonného betónu v tlaku. Ultrazvuk je účinným prostriedkom na miešanie, zmáčanie a rozptyľovanie nanomateriálov v cemente alebo betóne.
Mikrooxid kremičitý je dnes široko používaný v betóne, čo vedie k vyššej pevnosti v tlaku alebo betónom odolným voči vode a chemikáliám. To môže znížiť náklady na materiál a spotrebu energie. Nové nanomateriály, ako je nanooxid kremičitý alebo nanotrubice, vedú k ďalšiemu zlepšeniu odolnosti a pevnosti. Na to, aby sa naplno prejavil potenciál nanomateriálov, je však potrebná spoľahlivá a účinná disperzná technika. Sonikátory sondového typu sú najspoľahlivejšou a najúčinnejšou technikou na výrobu nanodisperzie, a to aj vo vysoko viskóznych a pastovitých suspenziách, ako je cement a betón.
Disperzia mikrojemnej cementovej škárovacej hmoty pomocou ultrazvukových miešačiek
Výskumný tím Draganovića predstavuje výskumný článok, autori skúmajú disperziu mikrojemnej cementovej zálievky pomocou ultrazvukovej technológie a konvenčných laboratórnych rozpúšťačov. Cieľom štúdie je porovnať výkon ultrazvuku – v štúdii konkrétne sonikátor UP400St – tradičnými metódami disperzie škárovacej hmoty.
Vedci uskutočnili sériu experimentov s použitím rôznych disperzných techník na vyhodnotenie distribúcie veľkosti častíc (PSD) a zeta potenciálu mikrojemných cementových častíc. Disperzné techniky zahŕňajú ultrazvukové ošetrenie pomocou soniátora UP400St, vysokorýchlostné laboratórne rozpúšťače a kombináciu oboch metód.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultrazvuková inline disperzia pre priemyselnú inline výrobu vysokovýkonného cementu a betónu.
Výsledky ukázali, že ultrazvuková disperzia pomocou sonikátora UP400St dosiahla výrazne lepšiu distribúciu veľkosti častíc v porovnaní s konvenčnými laboratórnymi rozpúšťačmi. Sonikátor UP400St účinne znižuje aglomeráciu mikrojemných cementových častíc a vytvára homogénnejšiu a stabilnejšiu suspenziu injektážnej hmoty. Ultrazvukové ošetrenie zlepšuje distribúciu menších častíc, čo vedie k užšiemu rozsahu distribúcie veľkosti častíc.
Porovnané disperzné metódy: Rozpúšťač Vma-Getzmann dispermat CV-3 vybavený 90 mm diskom a systémom rotor-stator. Ultrazvukový prístroj Hielscher UP400St vybavené sonotrodou H22.
(Štúdia a obrázky: ©Draganovic et al., 2020)
Okrem toho použitie ultrazvuku v kombinácii s konvenčnými laboratórnymi rozpúšťačmi ďalej zlepšuje účinnosť disperzie a dosahuje ešte jemnejšiu distribúciu veľkosti častíc v porovnaní so samotnou ultrazvukovou úpravou. V kombinácii poskytuje sonikácia mikromiešanie a nanodisperziu, zatiaľ čo rozpúšťač prispieva k makromiešaniu, čím sa zabezpečuje, že všetky častice sa dostanú do zóny ultrazvukovej kavitácie. To umožňuje lepšiu kontrolu nad distribúciou veľkosti častíc (PSD) a zeta potenciálom mikrojemnej cementovej škárovacej hmoty v dávkovej prevádzke. Pri použití reaktora s prietokovou bunkou suspenzia častíc automaticky prechádza kavitačnou zónou horúceho miesta, takže dodatočné miešanie je zbytočné.
Celkovo štúdia zdôrazňuje vynikajúci výkon sonikátora UP400St pri dispergovaní mikrojemnej cementovej zálievky. Ultrazvukové ošetrenie, najmä v kombinácii s konvenčnými laboratórnymi rozpúšťačmi, ponúka vysoko účinnú a efektívnu metódu na dosiahnutie rovnomernej a stabilnej suspenzie mikrojemných častíc cementu.
Stojí za zmienku, že článok poskytuje komplexné porovnanie medzi ultrazvukom a konvenčnými disperznými metódami, pričom zdôrazňuje vynikajúci výkon sonikácie v disperzii injektážnej hmoty.
(porovnaj Draganović a kol., 2020)
Ultrazvukový homogenizátor UP400St sa porovnáva z hľadiska disperznej účinnosti cementovej škárovacej hmoty s bežným laboratórnym miešadlom vybaveným kotúčom a s použitím techniky rotor-stator. Štúdia ukázala, že ultrazvuková disperzia je nielen účinná metóda, ale je dokonca lepšia ako mixér využívajúci techniku rotor-stator.
(štúdia a grafika: © Draganović et al., 2020)
Výskum a vývoj betónu
Výskum konkrétneho výskumu hľadá materiály a procesy na:
- znížiť náklady na materiál a energiu
- Získajte vysokú počiatočnú a konečnú odolnosť
- zlepšiť hustotu a pevnosť v tlaku
- zlepšiť spracovateľnosť, čerpateľnosť a dokončovateľnosť
- zlepšiť odolnosť a znížiť priepustnosť
- znížiť problémy so zmršťovaním, prachom a delamináciou
- chemická odolnosť, napr. odolnosť voči síranom
Miešanie cementu a betónu
Pokiaľ ide o zlepšenie vlastností betónu, technológia miešania je rovnako dôležitá ako zloženie betónu. Miešanie je základným krokom pri výrobe jednotného, vysoko kvalitného betónu. Aj keď sa na zloženie betónu a jeho zložiek vzťahujú mnohé smernice a predpisy, napr. DIN EN 206, samotný proces miešania cementu a betónu je ponechaný na používateľa.
Je rozhodujúce, aby voda, cement a prímesi boli rovnomerne rozptýlené a rozložené do jemného rozsahu a aby aglomeráty boli dostatočne rozptýlené. Nedostatočné rozptylovanie alebo deaglomerácia má za následok horšie vlastnosti betónu. Vzhľadom na nízky obsah vody a vysoké dávkovanie prísad si miešanie samozhutniteľného betónu (SCC) a betónu s ultra vysokou pevnosťou (UHPC) vyžaduje dlhší čas miešania alebo efektívnejšiu technológiu miešania.
Nanomateriály v betóne
Počas hydratácie cementu sa v tvrdnúcom betóne tvoria hydratačné produkty, ako sú hydráty vápnika. Nano častice oxidu kremičitého alebo nanorúrok sa počas tuhnutia betónu menia na nano častice cementu. Menšie častice vedú k kratšej vzdialenosti častíc a hustejšiemu a menej pórovitému materiálu. To zvyšuje pevnosť v tlaku a znižuje priepustnosť.
Hlavnou nevýhodou prášku a materiálov nanoveľkosti je však tendencia vytvárať aglomeráty počas zmáčania a miešania. Pokiaľ jednotlivé častice nie sú dobre rozptýlené, aglomerácia znižuje exponovaný povrch častíc, čo vedie k horším vlastnostiam betónu.
Ultrazvukový procesor UIP16000 je vysokovýkonný homogenizátor na disperziu cementu a betónu
Ultrazvukové miešanie nanomateriálov
Ultrazvuk je veľmi účinný prostriedok na miešanie, dispergovanie a deaglomeráciu. Obrázok nižšie ukazuje typický výsledok ultrazvukového rozptýlenia dymového oxidu kremičitého vo vode.
Počnúc (zelená krivka) pri veľkosti častíc aglomerátu viac ako 200 mikrónov (D50) bola väčšina častíc redukovaná na menej ako 200 nanometrov.
Ultrazvukové miešanie v akomkoľvek meradle
Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukové miešacie zariadenia na použitie vo výskume a spracovaní v plnom rozsahu.
Sonikátory pre laboratórny výskum a vývoj
Ultrazvukové laboratórne homogenizátory Hielscher sú dokonalým miešacím nástrojom pre výskum a vývoj v laboratórnom meradle. Hielscherove laboratórne sonikátory sa zvyčajne používajú na ultrazvukové miešanie malých dávok. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher ponúkajú presnú kontrolu parametrov a vynikajúcu reprodukovateľnosť pri príprave vodného kameňa. To uľahčuje miešanie rôznych formulácií a určenie vplyvu intenzity ultrazvuku a trvania sonikácie.
Ultrazvukové inline miešanie vo výrobe
Ultrazvukové miešacie zariadenie potrebné na zvýšenie mierky je možné presne určiť na základe laboratórneho testu. Na spracovanie veľkých objemových prúdov cementu alebo betónu sa vysokovýkonné ultrazvukové prístroje zvyčajne prevádzkujú v režime kontinuálneho prietoku pomocou prietokových reaktorov. To umožňuje vysoko rovnomerné miešanie a bezchybné spracovanie pást a suspenzií – aj pri veľmi vysokej viskozite.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov v závislosti od objemu dávky alebo prietoku, ktorý sa má spracovať:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
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.
Inline miešanie cementu pomocou sonikátora
Ultrazvukové mixéry Hielscher sa zvyčajne inštalujú in-line. Materiál sa čerpá do nádoby ultrazvukového reaktora. Tam je vystavený intenzívnej ultrazvukovej kavitácii. Inline sonikácia eliminuje obchádzanie, pretože všetky častice prechádzajú zmiešavacou komorou po definovanej ceste. Preto ultrazvuk zvyčajne posúva krivku distribúcie veľkosti častíc, a nie ju rozširuje.
Robustný a ľahko čistiteľný
Ultrazvukový miešací reaktor sa skladá z prietokovej cely a sonotrody. Nie sú potrebné žiadne ložiská. Reaktory s prietokovými bunkami (nehrdzavejúca oceľ) majú jednoduchú geometriu a dajú sa ľahko rozobrať a vyčistiť. Neexistujú žiadne malé otvory ani skryté rohy.
Ďalšie aplikácie ultrazvuku pre cement a betón
Použitie ultrazvukových prístrojov Hielscher pri príprave cementov a betónov sa neobmedzuje len na miešanie a rozptyľovanie cementových premixov alebo betónov. Ultrazvuk je veľmi účinným prostriedkom na odplyňovanie kvapalín a kalov. Tým sa znižuje počet a objem plynových bublín zachytených v betóne po vytvrdnutí.
Ultrazvukové sitové trepačky zlepšiť priepustnosť a kvalitu práškového sitovania malých častíc. Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukom miešané sitá pre laboratórne a priemyselné aplikácie.
Konkrétne základné informácie
Betón sa skladá z cementu, napr. portlandského cementu a iných cementových materiálov, ako je popolček a troskový cement, kameniva (štrk, vápenec, žula, piesok), vody a chemických prímesí. Typické prímesi zahŕňajú urýchľovače alebo spomaľovače, zmäkčovadlá, pigmenty, výpary oxidu kremičitého alebo metakaolín s vysokou reaktivitou (HRM). Mikrooxid kremičitý je typickou prímesou v betóne. Jeho nevýhodou sú relatívne vysoké náklady a kontaminácia ovplyvňujúca zdravie operátorov a pracovníkov.