Ultrazvočno mešanje za visokozmogljiv beton
Uporaba mikrosilike in nanosilike ali nanocevk izboljša tlačno trdnost visokozmogljivega betona. Ultrazvočna obdelava je učinkovito sredstvo za mešanje, omočenje in dispergiranje nanomaterialov v cementu ali betonu.
Mikrosilika se danes pogosto uporablja v betonu, kar omogoča višjo tlačno trdnost ali izdelavo betonov, odpornih proti vodi in kemikalijam. To lahko zmanjša stroške materiala in porabo energije. Novi nanomateriali, kot so nanosilika ali nanocevke, dodatno izboljšajo odpornost in trdnost. Da pa bi nanomateriali lahko v celoti izkazali svoj potencial, je potrebna zanesljiva in učinkovita tehnika dispergiranja. Sonikatorji s sondo so najzanesljivejša in najučinkovitejša tehnika za pripravo nanodisperzij, tudi v zelo viskoznih in pastoznih suspenzijah, kot sta cement in beton.
Dispergiranje injekcijske mase iz zelo fino mletega cementa z ultrazvočnimi mešalniki
Raziskovalna skupina Draganovića predstavlja raziskovalni članek, v katerem avtorji preučujejo dispergiranje injekcijske mase iz zelo fino mletega cementa z ultrazvočno tehnologijo in običajnimi laboratorijskimi dispergatorji z diskom. Cilj študije je primerjati učinkovitost ultrazvoka – v študiji konkretno sonikatorja UP400St – s tradicionalnimi metodami dispergiranja injekcijske mase.
Raziskovalci so izvedli vrsto poskusov z različnimi tehnikami dispergiranja, da bi ocenili porazdelitev velikosti delcev (PSD) in zeta potencial delcev zelo fino mletega cementa. Tehnike dispergiranja vključujejo ultrazvočno obdelavo s sonikatorjem UP400St, visokohitrostne laboratorijske dispergatorje z diskom in kombinacijo obeh metod.
MultiSonoReactor MSR-4: Ultrazvočno dispergiranje v pretočnem sistemu za industrijsko pretočno proizvodnjo visokozmogljivega cementa in betona.
Rezultati so pokazali, da je ultrazvočno dispergiranje s sonikatorjem UP400St doseglo bistveno boljšo porazdelitev velikosti delcev v primerjavi z običajnimi laboratorijskimi dispergatorji z diskom. Sonikator UP400St učinkovito zmanjša aglomeracijo delcev zelo fino mletega cementa ter ustvari bolj homogeno in stabilno suspenzijo injekcijske mase. Ultrazvočna obdelava izboljša porazdelitev manjših delcev, kar vodi do ožjega razpona porazdelitve velikosti delcev.
Primerjane metode dispergiranja: dispergator Vma-Getzmann Dispermat CV-3, opremljen z 90-mm diskom in sistemom rotor–stator. Ultrazvočna naprava Hielscher UP400St, opremljena s sonotrodo H22.
(Študija in slike: ©Draganovic et al., 2020)
Poleg tega uporaba ultrazvoka v kombinaciji z običajnimi laboratorijskimi dispergatorji z diskom dodatno izboljša učinkovitost dispergiranja in omogoča še finejšo porazdelitev velikosti delcev kot sama ultrazvočna obdelava. Pri kombinirani uporabi sonikacija zagotavlja mikromešanje in nanodispergiranje, dispergator z diskom pa prispeva k makromešanju ter zagotavlja, da vsi delci dosežejo območje ultrazvočne kavitacije. To omogoča boljši nadzor nad porazdelitvijo velikosti delcev (PSD) in zeta potencialom injekcijske mase iz zelo fino mletega cementa pri šaržni obdelavi. Pri uporabi reaktorja s pretočno celico suspenzija delcev samodejno prehaja skozi območje intenzivne kavitacije, zato je dodatno mešanje odveč.
Na splošno študija poudarja boljšo učinkovitost sonikatorja UP400St pri dispergiranju injekcijske mase iz zelo fino mletega cementa. Ultrazvočna obdelava, zlasti v kombinaciji z običajnimi laboratorijskimi dispergatorji z diskom, ponuja zelo učinkovito in gospodarno metodo za pripravo enakomerne in stabilne suspenzije delcev zelo fino mletega cementa.
Omeniti velja, da članek ponuja celovito primerjavo ultrazvočnih in običajnih metod dispergiranja ter poudarja boljšo učinkovitost sonikacije pri dispergiranju injekcijske mase.
(prim. Draganović et al., 2020)
Ultrazvočni homogenizator UP400St se glede učinkovitosti dispergiranja cementne injekcijske mase primerja z običajnim laboratorijskim mešalnikom, opremljenim z diskom, in s tehniko rotor–stator. Študija je pokazala, da ultrazvočno dispergiranje ni le učinkovita metoda, temveč je celo boljše od mešalnika, ki uporablja tehniko rotor–stator.
(študija in grafični prikaz: © Draganović et al., 2020)
Raziskave in razvoj betona
Raziskave betona iščejo materiale in postopke za:
- zmanjšanje stroškov materiala in energije
- doseganje visoke začetne in končne odpornosti
- izboljšanje gostote in tlačne trdnosti
- izboljšanje obdelovalnosti, črpljivosti in možnosti končne obdelave
- izboljšanje trajnosti in zmanjšanje prepustnosti
- zmanjšanje razpok zaradi krčenja, prašenja in težav z razslojevanjem
- kemično odpornost, npr. odpornost proti sulfatom
Mešanje cementa in betona
Pri izboljševanju lastnosti betona je tehnologija mešanja prav tako pomembna kot sestava betona. Mešanje je bistven korak pri proizvodnji enakomernega, visokokakovostnega betona. Čeprav številne smernice in predpisi, npr. DIN EN 206, obravnavajo sestavo betona in njegovih sestavin, je sam postopek mešanja cementa in betona prepuščen uporabniku.
Odločilno je, da so voda, cement in dodatki enakomerno dispergirani in porazdeljeni vse do drobnega merila ter da so aglomerati dovolj dispergirani. Nezadostno dispergiranje ali deaglomeracija povzroči slabše lastnosti betona. Zaradi nizke vsebnosti vode in visokega odmerka dodatkov mešanje samozgoščevalnega betona (SCC) in betona z izjemno visoko trdnostjo (UHPC) zahteva daljši čas mešanja ali učinkovitejšo tehnologijo mešanja.
Spoznajte, kako visokozmogljivi ultrazvok izboljša in pospeši hidratacijo ter razvoj trdnosti cementnih past!
Nanomateriali v betonu
Med hidratacijo cementa v strjujočem se betonu nastajajo hidratacijski produkti nanometrskih velikosti, kot so kalcijevi hidrati. Nanodelci silicijevega dioksida ali nanocevke se med strjevanjem betona spremenijo v nanodelce cementa. Manjši delci omogočajo manjše razdalje med delci ter gostejši in manj porozen material. To poveča tlačno trdnost in zmanjša prepustnost.
Velika pomanjkljivost praškov in materialov nanometrskih velikosti pa je nagnjenost k tvorbi aglomeratov med omočenjem in mešanjem. Če posamezni delci niso dobro dispergirani, aglomeracija zmanjša izpostavljeno površino delcev, kar povzroči slabše lastnosti betona.
Ultrazvočni procesor UIP16000 je visokozmogljiv homogenizator za dispergiranje cementa in betona
Ultrazvočno mešanje: homogeno dispergiranje nanomaterialov v cementnih pastah
Ultrazvočna obdelava je zelo učinkovito sredstvo za mešanje, dispergiranje in deaglomeracijo. Spodnja slika prikazuje tipičen rezultat ultrazvočnega dispergiranja pirogenega silicijevega dioksida v vodi.
Preberite več o cementnih maltah, ojačenih z nanomateriali, z uporabo ultrazvočnega dispergiranja!
Pri začetni velikosti delcev aglomeratov več kot 200 mikrometrov (D50) (zelena krivulja) je bila večina delcev zmanjšana na manj kot 200 nanometrov.
Ultrazvočno mešanje v poljubnem merilu
Hielscher ponuja ultrazvočne mešalne naprave za uporabo v raziskavah in pri obdelavi v polnem proizvodnem merilu.
Sonikatorji za laboratorijske raziskave in razvoj
Ultrazvočni laboratorijski homogenizatorji Hielscher so popolno orodje za mešanje pri raziskavah in razvoju v laboratorijskem merilu. Laboratorijski sonikatorji Hielscher se običajno uporabljajo za ultrazvočno mešanje majhnih šarž. Ultrazvočni homogenizatorji Hielscher omogočajo natančen nadzor parametrov in odlično ponovljivost pri pripravi prenosa v večje merilo. Tako je preprosto mešati različne formulacije ter določiti vpliv intenzivnosti ultrazvočne obdelave in trajanja sonikacije.
Ultrazvočno mešanje v pretočnem sistemu v proizvodnji
Ultrazvočno mešalno opremo, potrebno za prenos v večje merilo, je mogoče natančno določiti na podlagi laboratorijskega preskusa. Za obdelavo velikih volumskih tokov cementa ali betona visokozmogljivi ultrazvočni procesorji običajno delujejo v načinu neprekinjenega pretoka z uporabo pretočnih reaktorjev. To omogoča zelo enakomerno mešanje ter brezhibno obdelavo past in suspenzij – tudi pri zelo visokih viskoznostih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev glede na prostornino šarže ali pretok, ki ga je treba obdelati:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Literatura / Viri
- 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.
Mešanje cementa v pretočnem sistemu s sonikatorjem
Ultrazvočni mešalniki Hielscher so običajno nameščeni v pretočni sistem. Material se črpa v posodo ultrazvočnega reaktorja. Tam je izpostavljen intenzivni ultrazvočni kavitaciji. Sonikacija v pretočnem sistemu odpravlja obvodni tok, saj vsi delci prehajajo skozi mešalno komoro po določeni poti. Zato ultrazvočna obdelava običajno premakne krivuljo porazdelitve velikosti delcev, namesto da bi jo razširila.
Robustni in preprosti za čiščenje
Ultrazvočni mešalni reaktor je sestavljen iz pretočne celice in sonotrod. Ležaji niso potrebni. Reaktorji s pretočno celico (iz nerjavnega jekla) imajo preproste geometrijske oblike in jih je mogoče zlahka razstaviti ter očistiti. Nimajo majhnih odprtin ali skritih kotov.
Druge uporabe ultrazvoka za cement in beton
Uporaba ultrazvočnih naprav Hielscher pri pripravi cementov in betonov ni omejena na mešanje in dispergiranje cementnih predmešanic ali betonov. Ultrazvok je zelo učinkovito sredstvo za razplinjevanje tekočin in suspenzij. S tem se zmanjšata število in prostornina plinskih mehurčkov, ujetih v betonu po strditvi.
Ultrazvočni stresalniki sit izboljšajo zmogljivost in kakovost sejanja praškov z majhnimi delci. Hielscher ponuja ultrazvočno vzbujana sita za laboratorijsko in industrijsko uporabo.
Osnovne informacije o betonu
Beton je sestavljen iz cementa, npr. portlandskega cementa, in drugih cementnih veziv, kot sta elektrofiltrski pepel in žlindrin cement, agregata (prod, apnenec, granit, pesek), vode in kemičnih dodatkov. Tipični dodatki vključujejo pospeševalce ali zaviralce vezanja, plastifikatorje, pigmente, mikrosiliko ali visoko reaktivni metakaolin (HRM). Mikrosilika je tipičen dodatek v betonu. Njeni pomanjkljivosti sta razmeroma visoka cena in onesnaženje, ki vpliva na zdravje upravljavcev in delavcev.