Ultrazvočno mešanje za visoko zmogljiv beton
Uporaba mikro- in nanosilicijevega dioksida ali nanocevk vodi k izboljšanju tlačne trdnosti visokozmogljivega betona. Ultrazvočna razširitev je učinkovito sredstvo za mešanje, vlaženje in razprševanje nanomaterialov v cementu ali betonu.
Mikro silicijev dioksid se danes pogosto uporablja v betonu, kar vodi do višje tlačne trdnosti ali betonov, odpornih na vodo in kemikalije. To lahko zmanjša materialne stroške in porabo energije. Novi nanomateriali, kot so nanosilicijev dioksid ali nanocevke, vodijo k nadaljnjemu izboljšanju odpornosti in trdnosti. Da pa bi pokazali celoten potencial nanomaterialov, je potrebna zanesljiva in učinkovita disperzijska tehnika. Sondni sonikatorji so najbolj zanesljiva in učinkovita tehnika za proizvodnjo nano-disperzije, tudi v zelo viskoznih in pastoznih suspenzijah, kot sta cement in beton.
Disperzija mikrofine cementne fugirne mase z ultrazvočnimi mešalniki
Raziskovalna skupina Draganovića predstavlja raziskovalni članek, avtorji raziskujejo disperzijo mikrofine cementne mase z uporabo ultrazvočne tehnologije in konvencionalnih laboratorijskih raztapljačev. Cilj študije je primerjati učinkovitost ultrazvoka – v študiji natančneje sonicator UP400St – s tradicionalnimi metodami disperzije fugirne mase.
Raziskovalci so izvedli vrsto poskusov z uporabo različnih disperzijskih tehnik za oceno porazdelitve velikosti delcev (PSD) in zeta potenciala mikrofinih cementnih delcev. Disperzijske tehnike vključujejo ultrazvočno obdelavo z uporabo ultrazvočnega aparata UP400St, hitre laboratorijske raztapljače in kombinacijo obeh metod.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultrazvočna inline disperzija za industrijsko inline proizvodnjo visoko zmogljivega cementa in betona.
Rezultati so pokazali, da je ultrazvočna disperzija z uporabo sonicatorja UP400St dosegla bistveno boljšo porazdelitev velikosti delcev v primerjavi z običajnimi laboratorijskimi raztapljači. Sonicator UP400St učinkovito zmanjšuje aglomeracijo mikrofinih cementnih delcev in proizvaja bolj homogeno in stabilno suspenzijo fugirne mase. Ultrazvočno zdravljenje izboljša porazdelitev manjših delcev, kar ima za posledico ožji razpon porazdelitve velikosti delcev.
Primerjane disperzijske metode: raztapljač Vma-Getzmann Dispermat CV-3, opremljen z 90-milimetrskim diskom in sistemom rotor-stator. Ultrazvočni aparat Hielscher UP400St opremljen s sonotrodo H22.
(Študija in slike: ©Draganović et al., 2020)
Poleg tega uporaba ultrazvoka v kombinaciji s konvencionalnimi laboratorijskimi raztapljači še dodatno izboljša učinkovitost disperzije in doseže še finejšo porazdelitev velikosti delcev v primerjavi s samo ultrazvočno obdelavo. V kombinaciji ultrazvočna razbijanje zagotavlja mikro-mešanje in nano-disperzijo, medtem ko raztapljalec prispeva k makro-mešanju, ki zagotavlja, da so vsi delci v ultrazvočno kavitacijsko cono. To omogoča boljši nadzor nad porazdelitvijo velikosti delcev (PSD) in zeta potencialom mikrofine cementne fugirne mase v šaržnem delovanju. Pri uporabi reaktorja s pretočnimi celicami suspenzija delcev samodejno prehaja skozi kavitacijsko območje vroče točke, tako da je dodatno mešanje odveč.
Na splošno študija poudarja vrhunsko zmogljivost sonicatorja UP400St pri razprševanju mikrofine cementne fugirne mase. Ultrazvočna obdelava, zlasti v kombinaciji z običajnimi laboratorijskimi raztapljači, ponuja zelo učinkovito in učinkovito metodo za doseganje enakomerne in stabilne suspenzije mikrofinih cementnih delcev.
Treba je omeniti, da članek ponuja celovito primerjavo med ultrazvokom in običajnimi disperzijskimi metodami, s poudarkom na vrhunski učinkovitosti ultrazvočne razbijanja v disperziji fugirne mase.
(prim. Draganović et al., 2020)
Ultrazvočni homogenizator UP400St se primerja glede na učinkovitost disperzije cementne fugirne mase z navadnim laboratorijskim mešalnikom, opremljenim z diskom, in z uporabo tehnike rotor-stator. Študija je pokazala, da ultrazvočna disperzija ni le učinkovita metoda, ampak je celo boljša od mešalnika z uporabo tehnike rotor-stator.
(študija in grafika: © Draganović et al., 2020)
Konkretne raziskave in razvoj
Konkretne raziskave iščejo materiale in procese za:
- zmanjšati materialne stroške in stroške energije
- Pridobite visoko začetno in končno odpornost
- izboljšati gostoto in tlačno trdnost
- izboljšati obdelovalnost, črpalnost in končno obdelavo
- izboljšati vzdržljivost in zmanjšati prepustnost
- zmanjšati krčne razpoke, težave s prašenjem in razslojevanjem
- kemična odpornost, npr. odpornost na sulfate
Mešanje cementa in betona
Ko gre za izboljšanje lastnosti betona, je tehnologija mešanja enako pomembna kot sestava betona. Mešanje je bistven korak pri proizvodnji enotnega, visokokakovostnega betona. Čeprav številne smernice in predpisi, npr. DIN EN 206, pokrivajo sestavo betona in njegovih sestavin, je dejanski postopek mešanja cementa in mešanja betona prepuščen uporabniku.
Odločilno je, da so voda, cement in primesi enakomerno razpršeni in porazdeljeni do finega obsega ter da so aglomerati dovolj razpršeni. Nezadostna disperzija ali deaglomeracija ima za posledico slabše lastnosti betona. Zaradi nizke vsebnosti vode in visokega odmerka primesi je za mešanje samozbijajočega se betona (SCC) in betona z ultra visoko trdnostjo (UHPC) potreben daljši čas mešanja ali učinkovitejša tehnologija mešanja.
Nanomateriali v betonu
Med hidracijo cementa se v utrjevalnem betonu tvorijo hidracijski produkti na nanolestvici, kot so kalcijevi hidrati. Nano delci silicijevega dioksida ali nanocevk se med strjevanjem betona spremenijo v nano delce cementa. Manjši delci vodijo do krajše razdalje delcev ter gostejšega in manj poroznega materiala. To poveča tlačno trdnost in zmanjša prepustnost.
Glavna pomanjkljivost nanovelikosti prahu in materialov pa je nagnjenost k nastajanju aglomeratov med vlaženjem in mešanjem. Če posamezni delci niso dobro razpršeni, aglomeracija zmanjša izpostavljeno površino delcev, kar vodi do slabših lastnosti betona.
Ultrazvočni procesor UIP16000 je visoko zmogljiv homogenizator za disperzijo cementa in betona
Ultrazvočno mešanje nanomaterialov
Ultrasonication je zelo učinkovito sredstvo za mešanje, razprševanje in deaglomeracijo. Spodnja slika prikazuje tipičen rezultat ultrazvočne disperzije dimljenega silicijevega dioksida v vodi.
Začenši (zelena krivulja) pri velikosti delcev aglomerata več kot 200 mikronov (D50) je bila večina delcev zmanjšana na manj kot 200 nanometrov.
Ultrazvočno mešanje v kateri koli meri
Hielscher ponuja ultrazvočne mešalne naprave za uporabo v raziskavah in celoviti obdelavi.
Sonicatorji za laboratorijske raziskave in razvoj
Hielscher ultrazvočni laboratorijski homogenizatorji so odlično orodje za mešanje za raziskave in razvoj v laboratorijskem merilu. Hielscher laboratorijski sonikatorji se običajno uporabljajo za ultrazvočno mešanje majhnih serij. Hielscher ultrazvočni homogenizatorji ponujajo natančen nadzor parametrov in odlično ponovljivost za pripravo lestvice. To omogoča enostavno mešanje različnih formulacij in določanje vpliva intenzivnosti ultrazvočne razbijanje in trajanja ultrazvočne obdelave.
Ultrazvočno inline mešanje v proizvodnji
Ultrazvočno mešalno opremo, potrebno za povečanje, lahko natančno določimo na podlagi laboratorijskega testa. Za obdelavo velikih volumnov tokov cementa ali betona se visoko zmogljivi ultrazvočni aparati običajno uporabljajo v načinu neprekinjenega pretoka z uporabo pretočnih reaktorjev. To omogoča zelo enakomerno mešanje in brezhibno obdelavo paste in gnojevk – tudi z zelo visokimi viskoznostmi.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov, odvisno od prostornine serije ali pretoka, ki ga je treba obdelati:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura / Reference
- 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 mešanje cementa z uporabo sonikatorja
Hielscher ultrazvočni mešalniki so običajno nameščeni v liniji. Material se črpa v ultrazvočno reaktorsko posodo. Tam je izpostavljen intenzivni ultrazvočni kavitaciji. Inline ultrazvočno razbijanje odpravlja obhod, saj vsi delci prehajajo skozi mešalno komoro po določeni poti. Zato ultrazvočno razglašenje običajno premakne krivuljo porazdelitve velikosti delcev, namesto da bi jo razširilo.
Robusten in enostaven za čiščenje
Ultrazvočni mešalni reaktor je sestavljen iz pretočne celice in sonotrodov. Ležaji niso potrebni. Reaktorji s pretočnimi celicami (nerjaveče jeklo) imajo preprosto geometrijo in jih je mogoče enostavno razstaviti in očistiti. Ni majhnih odprtin ali skritih vogalov.
Druge aplikacije ultrazvoka za cement in beton
Uporaba Hielscher ultrazvočnih naprav pri pripravi cementov in betonov ni omejena na mešanje in razprševanje cementnih premiksov ali betonov. Ultrazvok je zelo učinkovito sredstvo za razplinjevanje tekočin in gnojevk. To zmanjša število in prostornino plinskih mehurčkov, ujetih v beton po utrjevanju.
Ultrazvočni stresalniki izboljšati prepustnost in kakovost sejanja prahu za majhne delce. Hielscher ponuja ultrazvočno mešana sita za laboratorijske in industrijske aplikacije.
Konkretne osnovne informacije
Beton je sestavljen iz cementa, npr. portlandskega cementa in drugih cementnih materialov, kot so leteči pepel in žlindrni cement, agregata (gramoz, apnenec, granit, pesek), vode in kemičnih primesí. Tipične primesi vključujejo pospeševalce ali zaviralce, mehčalce, pigmente, silicijeve dare ali metakaolin z visoko reaktivnostjo (HRM). Mikro silicijev dioksid je tipičen dodatek v betonu. Njegova pomanjkljivost so razmeroma visoki stroški in kontaminacija, ki vpliva na zdravje operaterjev in delavcev.