Ultrazvukové miešanie vysokohodnotného betónu
Používanie mikro- a nanooxidu kremičitého alebo nanorúrok vedie k zlepšeniu pevnosti vysokohodnotného betónu v tlaku. Sonikácia je účinný spôsob miešania, zmáčania a dispergovania nanomateriálov v cemente alebo betóne.
Mikrooxid kremičitý sa dnes vo veľkej miere používa v betóne, čo vedie k vyššej pevnosti v tlaku alebo k betónom odolným voči vode a chemikáliám. To môže znížiť náklady na materiál a spotrebu energie. Nové nanomateriály, ako sú nanooxid kremičitý alebo nanorúrky, vedú k ďalšiemu zlepšeniu odolnosti a pevnosti. Na plné využitie potenciálu nanomateriálov je však potrebná spoľahlivá a účinná dispergačná technika. Sondové sonikátory predstavujú najspoľahlivejšiu a najúčinnejšiu techniku na vytváranie nanodisperzií, a to aj vo vysoko viskóznych a pastovitých suspenziách, ako sú cement a betón.
Dispergovanie mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi pomocou ultrazvukových miešačov
Výskumný tím Draganovića vo svojom výskumnom článku skúma dispergovanie mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi pomocou ultrazvukovej technológie a bežných laboratórnych dissolverov. Cieľom štúdie je porovnať účinnosť ultrazvuku – v štúdii konkrétne sonikátora UP400St – s tradičnými metódami dispergovania injektážnej zmesi.
Výskumníci uskutočnili sériu experimentov s použitím rôznych dispergačných techník na vyhodnotenie distribúcie veľkosti častíc (PSD) a zeta potenciálu mikrojemných cementových častíc. Dispergačné techniky zahŕňajú ultrazvukové spracovanie pomocou sonikátora UP400St, vysokootáčkové laboratórne dissolvery a kombináciu oboch metód.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultrazvukové dispergovanie v prietokovom režime na priemyselnú výrobu vysokohodnotného cementu a betónu v prietokovom režime.
Výsledky ukázali, že ultrazvukovým dispergovaním pomocou sonikátora UP400St sa dosiahla výrazne lepšia distribúcia veľkosti častíc v porovnaní s bežnými laboratórnymi dissolvermi. Sonikátor UP400St účinne znižuje aglomeráciu mikrojemných cementových častíc a vytvára homogénnejšiu a stabilnejšiu injektážnu suspenziu. Ultrazvukové spracovanie zlepšuje distribúciu menších častíc, čo vedie k užšiemu rozsahu distribúcie veľkosti častíc.
Porovnávané dispergačné metódy: dissolver Vma-Getzmann Dispermat CV-3 vybavený diskom s priemerom 90 mm a systémom rotor–stator. Ultrazvukové zariadenie Hielscher UP400St vybavené sonotródou H22.
(Štúdia a obrázky: ©Draganovic et al., 2020)
Okrem toho použitie ultrazvuku v kombinácii s bežnými laboratórnymi dissolvermi ďalej zvyšuje účinnosť dispergovania a dosahuje ešte jemnejšiu distribúciu veľkosti častíc v porovnaní so samotným ultrazvukovým spracovaním. Pri ich kombinácii sonikácia zabezpečuje mikromiešanie a nanodispergovanie, zatiaľ čo dissolver prispieva k makromiešaniu a zabezpečuje, aby sa všetky častice dostali do zóny ultrazvukovej kavitácie. To umožňuje lepšiu kontrolu nad distribúciou veľkosti častíc (PSD) a zeta potenciálom mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi pri dávkovom spracovaní. Pri použití reaktora s prietokovou celou prechádza suspenzia častíc automaticky zónou intenzívnej kavitácie, takže dodatočné miešanie je zbytočné.
Celkovo štúdia zdôrazňuje vynikajúcu účinnosť sonikátora UP400St pri dispergovaní mikrojemnej cementovej injektážnej zmesi. Ultrazvukové spracovanie, najmä v kombinácii s bežnými laboratórnymi dissolvermi, ponúka vysoko účinnú a efektívnu metódu na dosiahnutie rovnomernej a stabilnej suspenzie mikrojemných cementových častíc.
Treba poznamenať, že článok poskytuje komplexné porovnanie ultrazvukových a bežných dispergačných metód a zdôrazňuje vyššiu účinnosť sonikácie pri dispergovaní injektážnej zmesi.
(porov. Draganović et al., 2020)
Ultrazvukový homogenizátor UP400St sa z hľadiska účinnosti dispergovania cementovej injektážnej zmesi porovnáva s bežným laboratórnym miešadlom vybaveným diskom a s miešadlom využívajúcim techniku rotor–stator. Štúdia ukázala, že ultrazvukové dispergovanie je nielen účinnou metódou, ale je dokonca lepšie ako miešadlo využívajúce techniku rotor–stator.
(štúdia a grafika: © Draganović et al., 2020)
Výskum a vývoj betónu
Výskum betónu hľadá materiály a postupy na:
- zníženie nákladov na materiál a energiu
- dosiahnutie vysokej počiatočnej a konečnej pevnosti
- zlepšenie hustoty a pevnosti v tlaku
- zlepšenie spracovateľnosti, čerpateľnosti a možnosti povrchovej úpravy
- zlepšenie trvanlivosti a zníženie priepustnosti
- obmedzenie trhlín zo zmrašťovania, prašnosti a problémov s oddeľovaním vrstiev
- chemickú odolnosť, napr. odolnosť voči síranom
Miešanie cementu a betónu
Pri zlepšovaní vlastností betónu je technológia miešania rovnako dôležitá ako jeho zloženie. Miešanie je nevyhnutným krokom pri výrobe rovnomerného, vysokokvalitného betónu. Hoci mnohé smernice a predpisy, napr. DIN EN 206, upravujú zloženie betónu a jeho zložiek, samotný proces miešania cementu a betónu sa ponecháva na používateľa.
Rozhodujúce je, aby voda, cement a prísady boli rovnomerne dispergované a rozložené až na jemnej úrovni a aby boli aglomeráty dostatočne rozptýlené. Nedostatočné dispergovanie alebo deaglomerácia vedú k horším vlastnostiam betónu. Vzhľadom na nízky obsah vody a vysoké dávkovanie prísad si miešanie samozhutniteľného betónu (SCC) a betónu s ultravysokou pevnosťou (UHPC) vyžaduje dlhší čas miešania alebo účinnejšiu technológiu miešania.
Zistite, ako výkonový ultrazvuk zlepšuje a urýchľuje hydratáciu a rozvoj pevnosti cementových pást!
Nanomateriály v betóne
Počas hydratácie cementu vznikajú v tvrdnúcom betóne produkty hydratácie s nanometrovými rozmermi, ako sú hydráty vápnika. Nanočastice oxidu kremičitého alebo nanorúrky sa počas tuhnutia betónu menia na nanočastice cementu. Menšie častice vedú ku kratším vzdialenostiam medzi časticami a k hustejšiemu a menej pórovitému materiálu. Tým sa zvyšuje pevnosť v tlaku a znižuje priepustnosť.
Významnou nevýhodou práškov a materiálov s nanometrovými rozmermi je však tendencia vytvárať aglomeráty počas zmáčania a miešania. Ak jednotlivé častice nie sú dobre dispergované, aglomerácia zmenšuje odkrytý povrch častíc, čo vedie k horším vlastnostiam betónu.
Ultrazvukový procesor UIP16000 je vysokovýkonný homogenizátor na dispergovanie cementu a betónu
Ultrazvukové miešanie: homogénne dispergovanie nanomateriálov v cementových pastách
Ultrazvukové spracovanie je veľmi účinným prostriedkom na miešanie, dispergovanie a deaglomeráciu. Obrázok nižšie ukazuje typický výsledok ultrazvukového dispergovania pyrogénneho oxidu kremičitého vo vode.
Prečítajte si viac o cementových maltách vystužených nanomateriálmi pomocou ultrazvukového dispergovania!
Z počiatočnej veľkosti aglomerovaných častíc viac ako 200 mikrometrov (D50) (zelená krivka) sa väčšina častíc zmenšila na menej ako 200 nanometrov.
Ultrazvukové miešanie v akomkoľvek meradle
Hielscher ponúka ultrazvukové miešacie zariadenia na použitie vo výskume a pri spracovaní v plnom prevádzkovom meradle.
Sonikátory na laboratórny výskum a vývoj
Ultrazvukové laboratórne homogenizátory Hielscher sú ideálnym nástrojom na miešanie pri výskume a vývoji v laboratórnom meradle. Laboratórne sonikátory Hielscher sa zvyčajne používajú na ultrazvukové miešanie malých dávok. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher ponúkajú presné riadenie parametrov a vynikajúcu reprodukovateľnosť pri príprave prenosu procesu do väčšieho meradla. Vďaka tomu možno jednoducho miešať rôzne formulácie a určovať vplyv intenzity ultrazvukového spracovania a trvania sonikácie.
Ultrazvukové prietokové miešanie vo výrobe
Ultrazvukové miešacie zariadenie potrebné na zväčšenie výrobnej mierky možno presne určiť na základe laboratórnej skúšky. Na spracovanie veľkých objemových prúdov cementu alebo betónu sa vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia zvyčajne prevádzkujú v režime kontinuálneho prietoku s použitím prietokových reaktorov. To umožňuje vysoko rovnomerné miešanie a bezchybné spracovanie pást a suspenzií – aj pri veľmi vysokých viskozitách.
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení v závislosti od objemu spracúvanej dávky alebo prietoku:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 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 |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení 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.
Prietokové miešanie cementu pomocou sonikátora
Ultrazvukové miešače Hielscher sa zvyčajne inštalujú do prietokového systému. Materiál sa čerpá do nádoby ultrazvukového reaktora. Tam je vystavený intenzívnej ultrazvukovej kavitácii. Prietoková sonikácia eliminuje obtekanie miešacej komory, pretože všetky častice prechádzajú miešacou komorou po definovanej dráhe. Ultrazvukové spracovanie preto zvyčajne posúva krivku distribúcie veľkosti častíc namiesto toho, aby ju rozširovalo.
Robustné a ľahko čistiteľné
Ultrazvukový miešací reaktor sa skladá z prietokovej cely a sonotród. Nie sú potrebné žiadne ložiská. Reaktory s prietokovou celou (z nehrdzavejúcej ocele) majú jednoduchú geometriu a dajú sa ľahko rozobrať a vyčistiť. Nemajú žiadne malé otvory ani skryté kúty.
Ďalšie aplikácie ultrazvuku pri spracovaní cementu a betónu
Použitie ultrazvukových zariadení Hielscher pri príprave cementov a betónov sa neobmedzuje na miešanie a dispergovanie cementových predzmesí alebo betónov. Ultrazvuk je veľmi účinným prostriedkom na odplyňovanie kvapalín a suspenzií. Tým sa znižuje počet a objem plynových bublín zachytených v betóne po vytvrdnutí.
Ultrazvukové preosievače zvyšujú kapacitu a kvalitu preosievania práškov s malými časticami. Hielscher ponúka ultrazvukom rozkmitávané sitá na laboratórne a priemyselné použitie.
Základné informácie o betóne
Betón sa skladá z cementu, napr. portlandského cementu, a ďalších cementových spojív, ako sú popolček a troskový cement, kameniva (štrk, vápenec, žula, piesok), vody a chemických prísad. Medzi typické prísady patria urýchľovače alebo spomaľovače tuhnutia, plastifikátory, pigmenty, kremičitý úlet alebo vysoko reaktívny metakaolín (HRM). Mikrosilika je typickou prísadou do betónu. Jej nevýhodou sú pomerne vysoké náklady a kontaminácia ovplyvňujúca zdravie obsluhy a pracovníkov.