Ultraljud blandning av cementpasta för betong

Ultraljudsblandningen av cementpasta ger stora fördelar för prefabricerad gjutning, torrgjutning och betonganläggningar. Dessa fördelar inkluderar kortare initiala och slutliga härdningstider, lägre dos av supermjukgörare, snabbare och mer fullständig hydrering samt högre tryckhållfasthet.

Traditionella betongblandningstekniker, t.ex. “på vägen- blandning” eller roterande blandare, ger otillräcklig blandningsverkan för att dispergera agglomerat av cementpartiklar och andra cementbaserade material, såsom flygaska eller kiseldioxid. Medan de yttre partiklarna i sådana agglomerat utsätts för vatten, förblir de inre partikelytorna torra. Detta resulterar i långsam och ofullständig hydrering.

Fördelar med ultraljudsblandningsteknik för betong

Ultraljudsdispersion är den mest avancerade tekniken för att deagglomerera och dispergera material i mikronstorlek och nanostorlek i vätskor. Ultraljudsblandning använder kavitationella skjuvkrafter som är mer effektiva vid blandning av fina material än konventionella roterande blandare och rotor-statorblandare. För cement, kiseldioxid, flygaska, pigment eller CNT ökar prestandan hos dessa material avsevärt genom ultraljudsdispergering, eftersom det förbättrar partikelfördelningen och kontakten med vatten.

Under hydratiseringen - reaktionen av cement med vatten - växer C-S-H-faser nålliknande strukturer. Bilderna nedan visar mikrostrukturen i cementpasta efter 5 timmars hydrering. I den ultraljudscementpasta är CSH-faserna nästan 500 nm långa, medan i den oljudsbehandlade pastan är CSH-faserna cirka 100 nm.

Mikrostruktur av cementpasta efter 5 timmars hydratiseringstid

med ultraljudsbehandling	utan ultraljudsbehandling
Portlandcementpasta (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Bauhaus Universität Weimar

 
Blandning genom ultraljudsinducerad kavitation leder till snabbare tillväxt av C-S-H-faser.

 
Hydreringstemperatur

Inverkan av Power Ultrasonication (PUS) på tid-temperatur kurvor av cementpastor

 
Kompressionshållfasthet

Inverkan av Power Ultrasonication (PUS) på tryckhållfastheten hos murbrukprismor

 
Ultraljud pulshastighet

Inverkan av Power Ultrasonication (PUS) på ultraljudspulshastighet av hydratiserande cementpastor

Tillväxten av C-S-H-faser korrelerar med temperaturen i cementpastan under hydratiseringsperioden (klicka på bilden till höger). I den ultraljudsblandade cementpastan Vätsketillförseln börjar ungefär en timme tidigare. Tidigare hydrering korrelerar med tidigare ökning av kompressionshållfastheten. Den ökade hydreringshastigheten kan också mätas med ultraljudets pulshastighet.

Särskilt för prefabricerad och torrgjuten betong leder detta till betydligt kortare tid tills den gjutna betongen kan tas ut ur formen. Studier från Bauhaus-universitetet (Tyskland) visade följande minskning av inställda tider.

En annan intressant fördel med ultraljudsblandning är påverkan på fluiditeten. Som framgår av tabellen ovan ökar nedgången med ca 30 %. Detta möjliggör minskad dosering av supermjukgörare.

Processintegration av ultraljudsblandare i cementproduktion

Hielscher erbjuder ultraljudsblandare för effektiv dispergering av cement, kiseldioxid, flygaska, pigment eller CNT. Först bör allt torrt material förblandas med vatten för att bilda en hög koncentration men ändå pumpbar pasta. Hielscher ultraljudsblandare deagglomererar och dispergerar partiklarna med hjälp av kavitationsskjuvning. Som ett resultat är hela ytan på varje partikel helt exponerad för vatten.

Ultraljudsbearbetning av cementpasta

När det gäller cementpasta börjar hydrering efter ultraljudsbearbetning. Därför bör Hielscher ultraljudsblandare användas inline, eftersom cementpastan inte kan lagras under långa perioder. Den schematiska ritningen nedan illustrerar processen. I nästa steg tillsätts ballasten, såsom sand eller grus, och blandas med cementpastan. Eftersom cementpartiklarna redan är väl dispergerade i det skedet, blandar sig cementpastan väl med ballasten. Betongen är sedan redo att fyllas i prefabricerade formar eller för transport. En uppbrytningstank bredvid ultraljudsblandaren kan användas för att bearbeta mer kontinuerligt vid instabil efterfrågan på betong.
Läs mer om ultraljudsdeagglomerering av cementpartiklar!

Ultraljudsdispersion av kiseldioxid, flygaska och nanomaterial

Dispersion av kiseldioxid, flygaska, pigment eller andra nanomaterial, t.ex. kolnanorör, kräver andra bearbetningsintensiteter och energinivåer. Av denna anledning rekommenderar vi en separat ultraljudsblandare för att producera en väl dispergerad slurry/pasta som sedan tillsätts till betongblandningen. Klicka på bilden ovan för en schematisk ritning av denna process.

Den ultraljudsblandningsutrustning som behövs för uppskalning kan bestämmas exakt baserat på tester i pilotskala med hjälp av UIP1000hdT, som är en 1 000-watts kraftfull ultraljudssonik i pilotskala. Tabellen nedan visar allmänna enhetsrekommendationer beroende på batchvolymen eller flödeshastigheten för cementpasta som ska bearbetas.

Med upp till 16 kW ultraljudsblandningseffekt per enskild ultraljudssond erbjuder Hielscher den processorkraft som krävs för högvolymsapplikationer. Denna teknik är lätt att testa och skalas upp linjärt.