Ultrazvočno mešanje cementne paste za beton

Ultrazvočno mešanje cementne paste prinaša velike koristi pri izdelavi prefabriciranih elementov v kalupih, proizvodnji betona iz suhe mešanice in v betonarnah. Te koristi vključujejo krajši čas začetka in konca vezanja, manjši odmerek superplastifikatorja, hitrejšo in popolnejšo hidratacijo ter večjo tlačno trdnost.

Tradicionalne tehnologije mešanja betona, kot so »mešanje med prevozom« ali rotacijski mešalniki, ne zagotavljajo zadostnega mešalnega učinka za dispergiranje aglomeratov cementnih delcev in drugih cementnih materialov, kot sta elektrofiltrski pepel ali silicijev dioksid. Medtem ko so zunanji delci takšnih aglomeratov izpostavljeni vodi, površine notranjih delcev ostajajo suhe. To povzroči počasno in nepopolno hidratacijo.

Prednosti tehnologije ultrazvočnega mešanja za beton

Ultrazvočno dispergiranje je najnaprednejša tehnologija za deaglomeracijo in dispergiranje materialov mikrometrske in nanometrske velikosti v tekočinah. Ultrazvočno mešanje uporablja kavitacijske strižne sile, ki so pri mešanju drobnih materialov učinkovitejše od običajnih rotacijskih mešalnikov in mešalnikov rotor–stator. Pri cementu, silicijevem dioksidu, elektrofiltrskem pepelu, pigmentih ali ogljikovih nanocevkah (CNT) ultrazvočno dispergiranje znatno izboljša lastnosti teh materialov, saj izboljša porazdelitev delcev in njihov stik z vodo.

Med hidratacijo – reakcijo cementa z vodo – faze C‑S‑H tvorijo igličaste strukture. Spodnje slike prikazujejo mikrostrukturo cementne paste po 5 urah hidratacije. V ultrazvočno obdelani cementni pasti so faze C‑S‑H dolge skoraj 500nm, medtem ko so v pasti brez ultrazvočne obdelave dolge približno 100nm.

Mikrostruktura cementne paste po 5 urah hidratacije

z ultrazvočno obdelavo	brez ultrazvočne obdelave
Portlandska cementna pasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Univerza Bauhaus v Weimarju

 
Mešanje s kavitacijo, ki jo povzroča ultrazvok, vodi do hitrejše rasti faz C‑S‑H.

 
Temperatura hidratacije

Vpliv visokozmogljive sonikacije (PUS) na časovno-temperaturne krivulje cementnih past

 
Tlačna trdnost

Vpliv visokozmogljive sonikacije (PUS) na tlačno trdnost maltnih prizem

 
Hitrost ultrazvočnega impulza

Vpliv visokozmogljive sonikacije (PUS) na hitrost ultrazvočnega impulza v cementnih pastah med hidratacijo

Rast faz C‑S‑H je povezana s temperaturo v cementni pasti med hidratacijo (kliknite na graf na desni). V ultrazvočno zmešani cementni pasti se hidratacija začne približno eno uro prej. Zgodnejša hidratacija je povezana z zgodnejšim povečanjem tlačne trdnosti. Povečano hitrost hidratacije je mogoče izmeriti tudi s hitrostjo ultrazvočnega impulza.

Zlasti pri prefabriciranem betonu in betonu iz suhe mešanice to znatno skrajša čas, preden je mogoče vliti beton odstraniti iz kalupa. Raziskave Univerze Bauhaus (Nemčija) so pokazale naslednje skrajšanje časov vezanja.

Druga zanimiva prednost ultrazvočnega mešanja je vpliv na tekočnost. Kot je prikazano v zgornji preglednici, se posed poveča za približno 30%. To omogoča zmanjšanje odmerka superplastifikatorjev.

Vključitev ultrazvočnih mešalnikov v proces proizvodnje cementa

Hielscher ponuja ultrazvočne mešalnike za učinkovito dispergiranje cementa, silicijevega dioksida, elektrofiltrskega pepela, pigmentov ali ogljikovih nanocevk (CNT). Najprej je treba vsak suh material predhodno zmešati z vodo, da nastane pasta z visoko koncentracijo, ki jo je še vedno mogoče črpati. Ultrazvočni mešalnik Hielscher deaglomerira in dispergira delce s kavitacijskim strigom. Tako je celotna površina vsakega delca v celoti izpostavljena vodi.

Ultrazvočna obdelava cementne paste

Pri cementni pasti se hidratacija začne po ultrazvočni obdelavi. Zato je treba ultrazvočni mešalnik Hielscher uporabljati v pretočnem sistemu, saj cementne paste ni mogoče dolgo skladiščiti. Spodnja shema prikazuje proces. V naslednjem koraku se doda agregat, kot sta pesek ali prod, in zmeša s cementno pasto. Ker so cementni delci na tej stopnji že dobro dispergirani, se cementna pasta dobro zmeša z agregatom. Beton je nato pripravljen za polnjenje v kalupe za prefabricirane elemente ali za prevoz. Rezervoar break-up ob ultrazvočnem mešalniku se lahko uporablja za bolj neprekinjeno obdelavo pri neenakomernem povpraševanju po betonu.
Preberite več o ultrazvočni deaglomeraciji cementnih delcev!

Ultrazvočno dispergiranje silicijevega dioksida, elektrofiltrskega pepela in nanomaterialov

Dispergiranje silicijevega dioksida, elektrofiltrskega pepela, pigmentov ali drugih nanomaterialov, kot so ogljikove nanocevke, zahteva drugačne intenzivnosti obdelave in ravni energije. Zato priporočamo ločen ultrazvočni mešalnik za pripravo dobro dispergirane suspenzije/paste, ki se nato doda betonski mešanici. Za shematski prikaz tega procesa kliknite na zgornjo sliko.

Opremo za ultrazvočno mešanje, potrebno za povečanje obsega proizvodnje, je mogoče natančno določiti na podlagi preskusov v pilotnem merilu z uporabo UIP1000hdT, ki je zmogljiv sonikator za pilotno merilo z močjo 1.000 vatov. Spodnja preglednica prikazuje splošna priporočila glede naprav glede na prostornino šarže ali pretok cementne paste, ki jo je treba obdelati.

Z do 16kW moči ultrazvočnega mešanja na posamezno ultrazvočno sondo Hielscher zagotavlja moč obdelave, potrebno za uporabo pri velikih količinah. To tehnologijo je preprosto preskusiti in omogoča linearno povečanje obsega proizvodnje.