Ultraljudsblandning för högpresterande betong

Användningen av mikro- och nanokiseldioxid eller nanorör leder till förbättringar av tryckhållfastheten hos högpresterande betong. Ultraljud är ett effektivt medel för blandning, vätning och dispergering av nanomaterial i cement eller betong.
 

Mikrokiseldioxid används i stor utsträckning i betong idag, vilket leder till högre tryckhållfasthet eller vatten- och kemikaliebeständig betong. Det kan minska materialkostnaderna och energianvändningen. Nya nanomaterial, t.ex. nanokiseldioxid eller nanorör, leder till ytterligare förbättringar av motståndskraft och styrka. Men för att kunna uppvisa nanomaterialens fulla potential krävs en tillförlitlig och effektiv dispersionsteknik. Sond-typ sonikatorer är den mest pålitliga och effektiva tekniken för att producera nanodispersion, även i mycket viskösa och pastaliknande uppslamningar som cement och betong.

Mikrofin cementinjekteringsbruk dispersion med ultraljudsblandare

Draganovićs forskargrupp presenterar en forskningsartikel, författarna undersöker dispersionen av mikrofin cementinjekteringsbruk med hjälp av ultraljudsteknik och konventionella laboratorieupplösare. Studien syftar till att jämföra ultraljudets prestanda – i studien specifikt sonikator UP400St – med traditionella metoder för injekteringsbruksdispersion.

Forskarna genomförde en serie experiment med olika dispersionstekniker för att utvärdera partikelstorleksfördelningen (PSD) och zetapotentialen hos de mikrofina cementpartiklarna. Dispersionsteknikerna inkluderar ultraljudsbehandling med UP400St sonikator, höghastighets laboratorieupplösare och kombinationen av båda metoderna.

Resultaten visade att ultraljudsdispersion med hjälp av sonikator UP400St uppnådde signifikant bättre partikelstorleksfördelning jämfört med konventionella laboratorieupplösare. Sonicator UP400St minskar effektivt agglomereringen av mikrofina cementpartiklar och ger en mer homogen och stabil injekteringssuspension. Ultraljudsbehandlingen förbättrar fördelningen av mindre partiklar, vilket resulterar i ett smalare partikelstorleksfördelningsområde.
 

Jämförda dispersionsmetoder: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 upplösningsapparat utrustad med en 90 mm skiva och ett rotor-statorsystem. Hielscher UP400St ultraljudsapparat utrustad med en H22 sonotrode.
(Studie och bilder: ©Draganovic et al., 2020)

 
Dessutom förbättrar användningen av ultraljud i kombination med konventionella laboratorieupplösare ytterligare dispersionseffektiviteten och uppnår en ännu finare partikelstorleksfördelning jämfört med enbart ultraljudsbehandling. När det kombineras, ger ultraljudsbehandling mikro-blandning och nano-dispersion, medan upplösaren bidrar till makro-blandning säkerställa att alla partiklar i ultraljud kavitationszonen. Detta möjliggör bättre kontroll över partikelstorleksfördelningen (PSD) och zetapotentialen för den mikrofina cementinjekteringsbruket i batchdrift. När du använder en flödescellsreaktor passerar partikelsuspensionen automatiskt den kavitationella hot spot-zonen så att den extra omrörningen blir överflödig.

Sammantaget belyser studien den överlägsna prestandan hos sonikatorn UP400St vid dispergering av mikrofin cementbruk. Ultraljudsbehandlingen, särskilt i kombination med konventionella laboratorieupplösningsmedel, erbjuder en mycket effektiv och effektiv metod för att uppnå en enhetlig och stabil suspension av mikrofina cementpartiklar.

Det är värt att notera att artikeln ger en omfattande jämförelse mellan ultraljud och konventionella dispersionsmetoder, vilket belyser den överlägsna prestandan för ultraljudsbehandling vid injekteringsbruksdispersion.
(jfr Draganović et al., 2020)
 

Homogenisatorn med ultraljud UP400St jämförs med avseende på dispersionseffektivitet för cementinjekteringsbruk med en vanlig laboratorieblandare utrustad med en skiva och med användning av rotor-stator-tekniken. Studien visade att ultraljudsdispersion inte bara är en effektiv metod utan till och med är bättre än en blandare som använder rotor-stator-tekniken.
(studie och grafik: © Draganović et al., 2020)

Konkret forskning och utveckling

Konkret forskning letar efter material och processer för att:

• Minska material- och energikostnader
• få högt initialt och slutligt motstånd
• förbättra densitet och tryckhållfasthet
• förbättra bearbetbarheten, pumpbarheten och efterbehandlingsbarheten
• Förbättra hållbarheten och minska permeabiliteten
• Minska krympsprickor, dammning och delamineringsproblem
• Kemisk beständighet, t.ex. sulfatbeständighet

Blandning av cement och betong

När det gäller förbättringar av betongens egenskaper är blandningstekniken lika viktig som betongens sammansättning. Blandning är ett viktigt steg i produktionen av enhetlig betong av hög kvalitet. Även om många riktlinjer och föreskrifter, t.ex. DIN EN 206, täcker sammansättningen av betong och dess komponenter, överlåts själva processen för cementblandning och betongblandning till användaren.
Det är av avgörande betydelse att vatten, cement och tillsatsmedel är jämnt fördelat och fördelat ner till en fin skala och att agglomerat är tillräckligt fördelat. Otillräcklig dispergering eller deagglomeration resulterar i sämre betongegenskaper. På grund av den låga vattenhalten och den höga doseringen av tillsatsmedel kräver blandningen av självkompakterande betong (SCC) och ultrahöghållfast betong (UHPC) en längre blandningstid eller en effektivare blandningsteknik.

Nanomaterial i betong

Under hydratiseringen av cementen bildas hydratiseringsprodukter i nanoskala, såsom kalciumhydrater, i den härdande betongen. Nanopartiklar av kiseldioxid eller nanorör förvandlas till nanopartiklar av cement under stelningen av betongen. Mindre partiklar leder till kortare partikelavstånd och ett tätare och mindre poröst material. Detta ökar tryckhållfastheten och minskar permeabiliteten.

En stor nackdel med pulver och material i nanostorlek är dock tendensen att bilda agglomerat under vätning och blandning. Om inte de enskilda partiklarna är väl dispergerade minskar agglomerationen den exponerade partikelytan, vilket leder till sämre betongegenskaper.

Ultraljudsblandning av nanomaterial

Ultraljud är ett mycket effektivt medel för blandning, dispergering och deagglomerering. Bilden nedan visar ett typiskt resultat av ultraljudsdispersion av rökt kiseldioxid i vatten.

Med utgångspunkt (grön kurva) vid en agglomeratpartikelstorlek på mer än 200 mikron (D50) reducerades de flesta partiklarna till mindre än 200 nanometer.

Ultraljudsblandning i vilken skala som helst

Hielscher erbjuder ultraljudsblandningsanordningar för användning inom forskning och fullskalig bearbetning.

Sonikatorer för laboratorieforskning och utveckling

Hielscher ultraljudshomogenisatorer för laboratorier är det perfekta blandningsverktyget för forskning och utveckling i labbskala. Hielscher lab sonikatorer används vanligtvis för ultraljud blandning av små partier. Hielscher ultraljudshomogenisatorer erbjuder en exakt parameterkontroll och utmärkt reproducerbarhet för förberedelse av uppskalningen. Detta gör det enkelt att blanda olika formuleringar och bestämma effekten av ultraljudsintensitet och varaktighet av ultraljudsbehandling.

Ultraljud inline blandning i produktionen

Den ultraljudsblandningsutrustning som behövs för uppskalning kan bestämmas exakt baserat på laboratorietestet. För bearbetning av stora volymströmmar av cement eller betong drivs högpresterande ultraljudsapparater vanligtvis i kontinuerligt flödesläge med hjälp av genomströmningsreaktorer. Detta möjliggör en mycket jämn blandning och felfri bearbetning av pastor och slam – även med mycket höga viskositeter.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater beroende på batchvolymen eller flödeshastigheten som ska bearbetas: