Ultraljudsblandning för högpresterande betong

Användningen av mikro- och nanokiseldioxid eller nanorör förbättrar tryckhållfastheten hos högpresterande betong. Ultraljudsbehandling är en effektiv metod för blandning, vätning och dispergering av nanomaterial i cement eller betong.
 

Mikrokiseldioxid används i stor utsträckning i betong i dag och ger högre tryckhållfasthet eller vatten- och kemikaliebeständig betong. Det kan minska materialkostnaderna och energianvändningen. Nya nanomaterial, såsom nanokiseldioxid eller nanorör, ger ytterligare förbättringar av beständighet och hållfasthet. För att nanomaterialens fulla potential ska kunna utnyttjas krävs dock en tillförlitlig och effektiv dispergeringsteknik. Ultraljudsapparater av sondtyp är den mest tillförlitliga och verkningsfulla tekniken för att framställa nanodispersioner, även i högviskösa och pastaliknande suspensioner såsom cement och betong.

Dispergering av mikrofint cementinjekteringsbruk med ultraljudsblandare

I forskningsartikeln från Draganovićs forskargrupp undersöker författarna dispergering av mikrofint cementinjekteringsbruk med ultraljudsteknik och konventionella laboratoriedissolvrar. Studien syftar till att jämföra prestandan hos ultraljud – i studien specifikt ultraljudsapparaten UP400St – med traditionella metoder för dispergering av injekteringsbruk.

Forskarna genomförde en serie experiment med olika dispergeringstekniker för att utvärdera partikelstorleksfördelningen (PSD) och zetapotentialen hos de mikrofina cementpartiklarna. Dispergeringsteknikerna omfattar ultraljudsbehandling med ultraljudsapparaten UP400St, högvarviga laboratoriedissolvrar och en kombination av båda metoderna.

Resultaten visade att ultraljudsdispergering med ultraljudsapparaten UP400St gav en betydligt bättre partikelstorleksfördelning jämfört med konventionella laboratoriedissolvrar. Ultraljudsapparaten UP400St minskar effektivt agglomereringen av mikrofina cementpartiklar och ger en mer homogen och stabil injekteringsbrukssuspension. Ultraljudsbehandlingen förbättrar fördelningen av mindre partiklar, vilket ger ett snävare intervall för partikelstorleksfördelningen.
 

Jämförda dispergeringsmetoder: Vma-Getzmann Dispermat CV-3-dissolver utrustad med en 90-mm-skiva och ett rotor-stator-system. Hielscher UP400St-ultraljudsapparat utrustad med en H22-sonotrod.
(Studie och bilder: ©Draganovic et al., 2020)

 
Dessutom förbättrar användningen av ultraljud i kombination med konventionella laboratoriedissolvrar dispergeringseffektiviteten ytterligare och ger en ännu finare partikelstorleksfördelning jämfört med enbart ultraljudsbehandling. När metoderna kombineras ger ultraljudsbehandlingen mikroblandning och nanodispergering, medan dissolvern bidrar till makroblandningen och säkerställer att alla partiklar kommer in i ultraljudets kavitationszon. Detta möjliggör bättre kontroll över partikelstorleksfördelningen (PSD) och zetapotentialen hos det mikrofina cementinjekteringsbruket vid satsvis drift. När en flödescellsreaktor används passerar partikelsuspensionen automatiskt genom den intensivaste kavitationszonen, vilket gör ytterligare omrörning överflödig.

Sammantaget framhäver studien ultraljudsapparaten UP400St:s överlägsna prestanda vid dispergering av mikrofint cementinjekteringsbruk. Ultraljudsbehandlingen erbjuder, särskilt i kombination med konventionella laboratoriedissolvrar, en mycket verkningsfull och effektiv metod för att åstadkomma en enhetlig och stabil suspension av mikrofina cementpartiklar.

Det är värt att notera att artikeln ger en omfattande jämförelse mellan ultraljud och konventionella dispergeringsmetoder och framhäver ultraljudsbehandlingens överlägsna prestanda vid dispergering av injekteringsbruk.
(jfr Draganović et al., 2020)
 

Ultraljudshomogenisatorn UP400St jämförs med avseende på dispergeringseffektiviteten för cementinjekteringsbruk med en vanlig laboratorieblandare utrustad med en skiva samt med rotor–statorteknik. Studien visade att ultraljudsdispergering inte bara är en effektiv metod utan till och med är bättre än en blandare som använder rotor–statorteknik.
(studie och diagram: © Draganović et al., 2020)

Forskning och utveckling inom betong

Betongforskningen söker material och processer för att:

• minska materialkostnader och energikostnader
• uppnå hög tidig hållfasthet och sluthållfasthet
• förbättra densitet och tryckhållfasthet
• förbättra bearbetbarhet, pumpbarhet och ytbehandlingsegenskaper
• förbättra beständigheten och minska permeabiliteten
• minska problem med krympsprickor, damning och delaminering
• kemisk beständighet, t.ex. sulfatbeständighet

Blandning av cement och betong

När det gäller att förbättra betongens egenskaper är blandningstekniken lika viktig som betongens sammansättning. Blandning är ett avgörande steg i produktionen av enhetlig betong av hög kvalitet. Även om många riktlinjer och föreskrifter, t.ex. DIN EN 206, omfattar betongens sammansättning och dess beståndsdelar, överlåts själva processen för cementblandning och betongblandning åt användaren.
Det är avgörande att vatten, cement och tillsatsmedel dispergeras och fördelas jämnt ända ner till fin skala och att agglomerat dispergeras tillräckligt. Otillräcklig dispergering eller deagglomerering ger sämre betongegenskaper. På grund av den låga vattenhalten och den höga doseringen av tillsatsmedel kräver blandning av självkompakterande betong (SCC) och ultrahöghållfast betong (UHPC) längre blandningstid eller effektivare blandningsteknik.
 
Läs om hur effektultraljud förbättrar och påskyndar hydratiseringen och hållfasthetsutvecklingen hos cementpastor!
 

Nanomaterial i betong

Under cementets hydratisering bildas hydratiseringsprodukter i nanoskala, såsom kalciumhydrater, i den hårdnande betongen. Nanopartiklar av kiseldioxid eller nanorör omvandlas till nanopartiklar av cement när betongen stelnar. Mindre partiklar ger kortare avstånd mellan partiklarna 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 de enskilda partiklarna inte är väl dispergerade minskar agglomereringen den exponerade partikelytan, vilket ger sämre betongegenskaper.

Ultraljudsblandning: homogen dispergering av nanomaterial i cementpastor

Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv metod för blandning, dispergering och deagglomerering. Bilden nedan visar ett typiskt resultat av ultraljudsdispergering av pyrogen kiseldioxid i vatten.
Läs mer om nanoförstärkta cementbruk med ultraljudsdispergering!

Från en ursprunglig agglomeratpartikelstorlek på mer än 200 mikrometer (D50) (grön kurva) minskades de flesta partiklarna till mindre än 200 nanometer.

Ultraljudsblandning i alla skalor

Hielscher erbjuder ultraljudsblandare för användning inom forskning och bearbetning i full skala.

Ultraljudsapparater för forskning och utveckling i laboratoriet

Hielschers ultraljudshomogenisatorer för laboratorier är det perfekta blandningsverktyget för forskning och utveckling i laboratorieskala. Hielschers ultraljudsapparater för laboratorier används vanligtvis för ultraljudsblandning av små satser. Hielschers ultraljudshomogenisatorer erbjuder exakt parameterkontroll och utmärkt reproducerbarhet inför uppskalningen. Detta gör det enkelt att blanda olika formuleringar och fastställa hur ultraljudsbehandlingens intensitet och varaktighet påverkar resultatet.

Ultraljudsblandning inline i produktionen

Den ultraljudsblandningsutrustning som behövs för uppskalning kan fastställas exakt utifrån laboratorietestet. För bearbetning av stora volymflöden av cement eller betong körs högpresterande ultraljudsapparater vanligtvis i kontinuerligt flödesläge med genomströmningsreaktorer. Detta möjliggör mycket jämn blandning och problemfri bearbetning av pastor och suspensioner – även vid mycket höga viskositeter.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater beroende på den satsvolym eller det flöde som ska bearbetas: