Ultraljudsblandning av cementpasta för betong

Ultraljudsblandning av cementpasta ger stora fördelar vid gjutning av prefabricerade element, gjutning med jordfuktig betong och i betongfabriker. Dessa fördelar omfattar kortare tider till bindningens början och slut, lägre dosering av superplasticerare, snabbare och mer fullständig hydratisering samt högre tryckhållfasthet.

Traditionella tekniker för betongblandning, såsom blandning under transport eller roterande blandare, ger otillräcklig blandningsverkan för att dispergera agglomerat av cementpartiklar och andra cementbaserade bindemedelsmaterial, såsom flygaska eller kiseldioxid. Medan de yttre partiklarna i sådana agglomerat exponeras för vatten förblir de inre partikelytorna torra. Detta leder till långsam och ofullständig hydratisering.

Fördelar med ultraljudsblandningsteknik för betong

Ultraljudsdispergering är den mest avancerade tekniken för att deagglomerera och dispergera material i mikro- och nanostorlek i vätskor. Ultraljudsblandning använder skjuvkrafter som uppstår genom kavitation och som är effektivare vid blandning av finkorniga material än konventionella roterande blandare och rotor–statorblandare. För cement, kiseldioxid, flygaska, pigment eller CNT:er förbättras materialens prestanda avsevärt genom ultraljudsdispergering, eftersom den förbättrar partikelfördelningen och kontakten med vatten.

Under hydratiseringen – cementens reaktion med vatten – utvecklar C‑S‑H‑faser nålliknande strukturer. Bilderna nedan visar mikrostrukturen i cementpasta efter 5 timmars hydratisering. I den ultraljudsbehandlade cementpastan är C‑S‑H‑faserna nästan 500nm långa, medan C‑S‑H‑faserna i den obehandlade pastan är omkring 100nm.

Cementpastans mikrostruktur efter 5 timmars hydratiseringstid

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

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

 
Hydratiseringstemperatur

Inverkan av högeffektsultraljudsbehandling (PUS) på cementpastors tid–temperaturkurvor

 
Tryckhållfasthet

Inverkan av högeffektsultraljudsbehandling (PUS) på bruksprismors tryckhållfasthet

 
Ultraljudets pulshastighet

Inverkan av högeffektsultraljudsbehandling (PUS) på ultraljudets pulshastighet i hydratiserande cementpastor

Tillväxten av C‑S‑H-faser korrelerar med temperaturen i cementpastan under hydratiseringsperioden (klicka på diagrammet till höger). I den ultraljudsblandade cementpastan börjar hydratiseringen cirka en timme tidigare. Tidigare hydratisering korrelerar med en tidigare ökning av tryckhållfastheten. Den ökade hydratiseringshastigheten kan också mätas med hjälp av ultraljudets pulshastighet.

Särskilt för prefabricerad betong och betong gjuten med jordfuktig konsistens leder detta till en avsevärt kortare tid innan den gjutna betongen kan tas ur formen. Studier vid Bauhaus-universitetet (Tyskland) visade följande minskning av bindningstiderna.

En annan intressant fördel med ultraljudsblandning är dess inverkan på flytbarheten. Som framgår av tabellen ovan ökar sättmåttet med cirka 30%. Detta möjliggör en lägre dosering av superplasticerare.

Processintegrering av ultraljudsblandare i cementproduktionen

Hielscher erbjuder ultraljudsblandare för effektiv dispergering av cement, kiseldioxid, flygaska, pigment eller CNT:er. Först bör allt torrt material förblandas med vatten till en högkoncentrerad men ändå pumpbar pasta. Hielschers ultraljudsblandare deagglomererar och dispergerar partiklarna genom skjuvning som uppstår vid kavitation. Därmed exponeras hela ytan på varje partikel fullständigt för vatten.

Ultraljudsbehandling av cementpasta

För cementpasta börjar hydratiseringen efter ultraljudsbehandlingen. Därför bör Hielschers ultraljudsblandare användas inline, eftersom cementpastan inte kan lagras under långa perioder. Den schematiska ritningen nedan illustrerar processen. I nästa steg tillsätts ballast, såsom sand eller grus, och blandas med cementpastan. Eftersom cementpartiklarna redan är väl dispergerade i detta skede blandas cementpastan väl med ballasten. Betongen är sedan klar att fyllas i formar för prefabricerade element eller transporteras. En tank av typen ”break-up tank” bredvid ultraljudsblandaren kan användas för att möjliggöra mer kontinuerlig bearbetning vid ojämn efterfrågan på betong.
Läs mer om deagglomerering av cementpartiklar med ultraljud!

Ultraljudsdispergering av kiseldioxid, flygaska och nanomaterial

Dispergering av kiseldioxid, flygaska, pigment eller andra nanomaterial, såsom kolnanorör, kräver andra behandlingsintensiteter och energinivåer. Därför rekommenderar vi en separat ultraljudsblandare för att framställa 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 utifrån försök i pilotskala med UIP1000hdT, en kraftfull ultraljudsapparat för pilotskala med en effekt på 1 000 watt. Tabellen nedan visar allmänna rekommendationer för apparater beroende på satsvolymen eller flödeshastigheten för den cementpasta som ska behandlas.

Med upp till 16kW ultraljudsblandningseffekt per enskild ultraljudssond erbjuder Hielscher den bearbetningseffekt som krävs för tillämpningar med stora volymer. Denna teknik är lätt att testa och kan skalas upp linjärt.