การผสมด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับคอนกรีตสมรรถนะสูง
การใช้ไมโครซิลิกาและนาโนซิลิกาหรือนาโนทิวบ์ช่วยเพิ่มกำลังอัดของคอนกรีตสมรรถนะสูง การใช้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิผลในการผสม การทำให้เปียก และการกระจายวัสดุนาโนในซีเมนต์หรือคอนกรีต
ปัจจุบันมีการใช้ไมโครซิลิกาในคอนกรีตอย่างแพร่หลาย ทำให้คอนกรีตมีกำลังอัดสูงขึ้นหรือทนต่อน้ำและสารเคมี ซึ่งสามารถลดต้นทุนวัสดุและการใช้พลังงานได้ วัสดุนาโนชนิดใหม่ เช่น นาโนซิลิกาหรือนาโนทิวบ์ ช่วยเพิ่มความต้านทานและความแข็งแรงให้ดียิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม การแสดงศักยภาพของวัสดุนาโนอย่างเต็มที่จำเป็นต้องใช้เทคนิคการกระจายที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้และให้ประสิทธิผลสูงที่สุดในการผลิตสารกระจายตัวระดับนาโน แม้ในสารแขวนลอยข้นที่มีความหนืดสูงและมีลักษณะคล้ายเพสต์ เช่น ซีเมนต์และคอนกรีต
การกระจายน้ำปูนเกราต์ซีเมนต์ละเอียดพิเศษด้วยเครื่องผสมอัลตราซาวนด์
ในบทความวิจัยที่นำเสนอโดยทีมวิจัยของ Draganović ผู้เขียนศึกษาการกระจายน้ำปูนเกราต์ซีเมนต์ละเอียดพิเศษโดยใช้เทคโนโลยีอัลตราซาวนด์และเครื่องกวนกระจายแบบทั่วไปในห้องปฏิบัติการ การศึกษานี้มีเป้าหมายเพื่อเปรียบเทียบสมรรถนะของอัลตราซาวนด์ – โดยในการศึกษานี้ใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ UP400St โดยเฉพาะ – กับวิธีการกระจายน้ำปูนเกราต์แบบดั้งเดิม
นักวิจัยดำเนินการทดลองหลายชุดโดยใช้เทคนิคการกระจายที่แตกต่างกัน เพื่อประเมินการกระจายขนาดอนุภาค (PSD) และศักย์ซีตาของอนุภาคซีเมนต์ละเอียดพิเศษ เทคนิคการกระจายประกอบด้วยการใช้อัลตราซาวนด์ด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์ UP400St เครื่องกวนกระจายความเร็วสูงในห้องปฏิบัติการ และการใช้ทั้งสองวิธีร่วมกัน
MultiSonoReactor MSR-4: การกระจายด้วยอัลตราซาวนด์แบบอินไลน์สำหรับการผลิตซีเมนต์และคอนกรีตสมรรถนะสูงแบบอินไลน์ในระดับอุตสาหกรรม
ผลการศึกษาพบว่าการกระจายด้วยอัลตราซาวนด์โดยใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ UP400St ให้การกระจายขนาดอนุภาคที่ดีกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับเครื่องกวนกระจายแบบทั่วไปในห้องปฏิบัติการ เครื่องอัลตราซาวนด์ UP400St ลดการเกาะกลุ่มของอนุภาคซีเมนต์ละเอียดพิเศษได้อย่างมีประสิทธิผล และผลิตสารแขวนลอยน้ำปูนเกราต์ที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีเสถียรภาพมากขึ้น การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการกระจายของอนุภาคขนาดเล็ก ส่งผลให้ช่วงการกระจายขนาดอนุภาคแคบลง
วิธีการกระจายที่นำมาเปรียบเทียบ: เครื่องกวนกระจาย Vma-Getzmann Dispermat CV-3 ที่ติดตั้งจานขนาด 90-mm และระบบโรเตอร์–สเตเตอร์. อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ Hielscher UP400St ที่ติดตั้งโซโนโทรด H22
(การศึกษาและภาพ: ©Draganovic และคณะ, 2020)
นอกจากนี้ การใช้อัลตราซาวนด์ร่วมกับเครื่องกวนกระจายแบบทั่วไปในห้องปฏิบัติการยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายให้ดียิ่งขึ้น ทำให้ได้การกระจายขนาดอนุภาคที่ละเอียดยิ่งกว่าการใช้อัลตราซาวนด์เพียงอย่างเดียว เมื่อใช้ร่วมกัน อัลตราซาวนด์ทำหน้าที่ผสมในระดับจุลภาคและกระจายในระดับนาโน ขณะที่เครื่องกวนกระจายช่วยผสมในระดับมหภาค เพื่อให้มั่นใจว่าอนุภาคทั้งหมดเข้าสู่บริเวณคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ วิธีนี้ช่วยให้ควบคุมการกระจายขนาดอนุภาค (PSD) และศักย์ซีตาของน้ำปูนเกราต์ซีเมนต์ละเอียดพิเศษได้ดียิ่งขึ้นในการทำงานแบบแบตช์ เมื่อใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์ไหล สารแขวนลอยอนุภาคจะผ่านบริเวณที่เกิดคาวิเทชันอย่างเข้มข้นโดยอัตโนมัติ จึงไม่จำเป็นต้องกวนเพิ่มเติม
โดยรวมแล้ว การศึกษานี้แสดงให้เห็นสมรรถนะที่เหนือกว่าของเครื่องอัลตราซาวนด์ UP400St ในการกระจายน้ำปูนเกราต์ซีเมนต์ละเอียดพิเศษ การใช้อัลตราซาวนด์ โดยเฉพาะเมื่อใช้ร่วมกับเครื่องกวนกระจายแบบทั่วไปในห้องปฏิบัติการ เป็นวิธีที่ให้ประสิทธิผลและประสิทธิภาพสูงในการทำให้ได้สารแขวนลอยของอนุภาคซีเมนต์ละเอียดพิเศษที่สม่ำเสมอและมีเสถียรภาพ
ควรกล่าวถึงด้วยว่าบทความนี้เปรียบเทียบวิธีการกระจายด้วยอัลตราซาวนด์กับวิธีการกระจายแบบทั่วไปอย่างครอบคลุม โดยแสดงให้เห็นสมรรถนะที่เหนือกว่าของการใช้อัลตราซาวนด์ในการกระจายน้ำปูนเกราต์
(ดูประกอบ Draganović และคณะ, 2020)
เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์ UP400St ได้รับการเปรียบเทียบด้านประสิทธิภาพการกระจายน้ำปูนเกราต์ซีเมนต์กับเครื่องผสมทั่วไปในห้องปฏิบัติการที่ติดตั้งจาน และกับการใช้เทคนิคโรเตอร์–สเตเตอร์ การศึกษาพบว่าการกระจายด้วยอัลตราซาวนด์ไม่เพียงเป็นวิธีที่มีประสิทธิผลเท่านั้น แต่ยังดีกว่าเครื่องผสมที่ใช้เทคนิคโรเตอร์–สเตเตอร์ด้วย
(การศึกษาและกราฟิก: © Draganović และคณะ, 2020)
การวิจัยและพัฒนาคอนกรีต
การวิจัยคอนกรีตมุ่งค้นหาวัสดุและกระบวนการเพื่อ:
- ลดต้นทุนวัสดุและต้นทุนพลังงาน
- ให้ได้ความต้านทานสูงทั้งในระยะแรกและระยะสุดท้าย
- เพิ่มความหนาแน่นและกำลังอัด
- ปรับปรุงความสามารถในการทำงาน การสูบ และการตกแต่งผิว
- เพิ่มความทนทานและลดความสามารถในการซึมผ่าน
- ลดปัญหารอยร้าวจากการหดตัว การเกิดฝุ่นที่ผิว และการแยกชั้น
- ความทนทานต่อสารเคมี เช่น ความทนทานต่อซัลเฟต
การผสมซีเมนต์และคอนกรีต
ในการปรับปรุงคุณสมบัติของคอนกรีต เทคโนโลยีการผสมมีความสำคัญเทียบเท่ากับองค์ประกอบของคอนกรีต การผสมเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตคอนกรีตที่สม่ำเสมอและมีคุณภาพสูง แม้จะมีแนวทางและข้อกำหนดมากมาย เช่น DIN EN 206 ที่ครอบคลุมองค์ประกอบของคอนกรีตและส่วนประกอบต่าง ๆ แต่กระบวนการผสมซีเมนต์และการผสมคอนกรีตที่ใช้จริงยังขึ้นอยู่กับผู้ใช้
ปัจจัยสำคัญคือ น้ำ ซีเมนต์ และสารผสมเพิ่มต้องกระจายตัวและกระจายอยู่ทั่วอย่างสม่ำเสมอจนถึงระดับละเอียด และกลุ่มอนุภาคที่เกาะกันต้องได้รับการกระจายอย่างเพียงพอ การกระจายหรือการสลายกลุ่มอนุภาคที่ไม่เพียงพอทำให้คอนกรีตมีคุณสมบัติด้อยลง เนื่องจากมีปริมาณน้ำต่ำและใช้สารผสมเพิ่มในปริมาณสูง การผสมคอนกรีตอัดแน่นได้ด้วยตัวเอง (SCC) และคอนกรีตกำลังสูงพิเศษ (UHPC) จึงต้องใช้เวลาผสมนานขึ้นหรือใช้เทคโนโลยีการผสมที่มีประสิทธิผลมากขึ้น
เรียนรู้ว่าอัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยปรับปรุงและเร่งการเกิดปฏิกิริยาไฮเดรชันและการพัฒนากำลังของซีเมนต์เพสต์ได้อย่างไร!
วัสดุนาโนในคอนกรีต
ระหว่างปฏิกิริยาไฮเดรชันของซีเมนต์ ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาไฮเดรชันในระดับนาโน เช่น แคลเซียมไฮเดรต จะก่อตัวขึ้นในคอนกรีตที่กำลังแข็งตัว อนุภาคนาโนของซิลิกาหรือนาโนทิวบ์เปลี่ยนเป็นอนุภาคนาโนของซีเมนต์ระหว่างการแข็งตัวของคอนกรีต อนุภาคที่เล็กลงทำให้ระยะห่างระหว่างอนุภาคสั้นลง และทำให้วัสดุมีความหนาแน่นมากขึ้นและมีรูพรุนน้อยลง ซึ่งเพิ่มกำลังอัดและลดความสามารถในการซึมผ่าน
อย่างไรก็ตาม ข้อเสียสำคัญของผงและวัสดุขนาดนาโนคือแนวโน้มที่จะเกาะกลุ่มระหว่างการทำให้เปียกและการผสม หากอนุภาคแต่ละอนุภาคกระจายตัวได้ไม่ดี การเกาะกลุ่มจะลดพื้นที่ผิวอนุภาคที่เปิดสัมผัส ทำให้คอนกรีตมีคุณสมบัติด้อยลง
เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ UIP16000 เป็นเครื่องโฮโมจีไนเซอร์สมรรถนะสูงสำหรับการกระจายซีเมนต์และคอนกรีต
การผสมด้วยอัลตราซาวนด์: การกระจายวัสดุนาโนอย่างเป็นเนื้อเดียวกันในซีเมนต์เพสต์
การใช้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิผลสูงมากในการผสม การกระจาย และการสลายกลุ่มอนุภาค ภาพด้านล่างแสดงผลลัพธ์ทั่วไปของการกระจายฟูมด์ซิลิกาในน้ำด้วยอัลตราซาวนด์
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับมอร์ตาร์ซีเมนต์เสริมแรงด้วยวัสดุนาโนโดยใช้การกระจายด้วยอัลตราซาวนด์!
จากขนาดอนุภาคที่เกาะกลุ่มเริ่มต้น (เส้นโค้งสีเขียว) มากกว่า 200 ไมครอน (D50) อนุภาคส่วนใหญ่ถูกลดขนาดลงจนเล็กกว่า 200 นาโนเมตร
การผสมด้วยอัลตราซาวนด์ในทุกระดับขนาด
Hielscher นำเสนออุปกรณ์ผสมอัลตราซาวนด์สำหรับใช้ในการวิจัยและการดำเนินกระบวนการเต็มขนาด
เครื่องอัลตราซาวนด์สำหรับการวิจัยและพัฒนาในห้องปฏิบัติการ
เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์สำหรับห้องปฏิบัติการของ Hielscher เป็นเครื่องมือผสมที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวิจัยและพัฒนาในระดับห้องปฏิบัติการ เครื่องอัลตราซาวนด์สำหรับห้องปฏิบัติการของ Hielscher มักใช้ในการผสมแบตช์ขนาดเล็กด้วยอัลตราซาวนด์ เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher ให้การควบคุมพารามิเตอร์ที่แม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำที่ดีเยี่ยม เพื่อเตรียมการขยายขนาดการผลิต จึงทำให้ผสมสูตรต่าง ๆ และประเมินผลของความเข้มและระยะเวลาในการใช้อัลตราซาวนด์ได้ง่าย
การผสมด้วยอัลตราซาวนด์แบบอินไลน์ในการผลิต
สามารถกำหนดอุปกรณ์ผสมอัลตราซาวนด์ที่จำเป็นสำหรับการขยายขนาดการผลิตได้อย่างแม่นยำจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ สำหรับการดำเนินกระบวนการกับกระแสซีเมนต์หรือคอนกรีตปริมาณมาก โดยทั่วไปจะใช้งานเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงในโหมดการไหลต่อเนื่องโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่าน วิธีนี้ทำให้ผสมได้อย่างสม่ำเสมอสูงและดำเนินกระบวนการกับเพสต์และสารแขวนลอยข้นได้อย่างไร้ข้อบกพร่อง – แม้จะมีความหนืดสูงมาก
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการดำเนินกระบวนการโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา โดยขึ้นอยู่กับปริมาตรแบตช์หรืออัตราการไหลที่จะดำเนินกระบวนการ:
| ปริมาตรแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 ถึง 150L | 3 ถึง 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่านี้ | ชุดเครื่อง UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
เอกสาร / เอกสารอ้างอิง
- 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.
การผสมซีเมนต์แบบอินไลน์ด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์
โดยทั่วไป เครื่องผสมอัลตราซาวนด์ของ Hielscher จะติดตั้งแบบอินไลน์ วัสดุถูกสูบเข้าไปในภาชนะเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์ ซึ่งวัสดุจะได้รับคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ที่เข้มข้น การใช้อัลตราซาวนด์แบบอินไลน์ขจัดการไหลลัดผ่าน เนื่องจากอนุภาคทั้งหมดผ่านห้องผสมตามเส้นทางที่กำหนด ดังนั้น โดยทั่วไปการใช้อัลตราซาวนด์จะทำให้เส้นโค้งการกระจายขนาดอนุภาคเลื่อนตำแหน่ง แทนที่จะทำให้เส้นโค้งกว้างขึ้น
แข็งแรงทนทานและทำความสะอาดง่าย
เครื่องปฏิกรณ์ผสมอัลตราซาวนด์ประกอบด้วยเซลล์ไหลและโซโนโทรด ไม่จำเป็นต้องใช้ตลับลูกปืน เครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์ไหล (เหล็กกล้าไร้สนิม) มีรูปทรงเรียบง่าย และสามารถถอดแยกชิ้นส่วนและทำความสะอาดได้ง่าย ไม่มีช่องเปิดขนาดเล็กหรือมุมอับ
การประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์ด้านอื่นสำหรับซีเมนต์และคอนกรีต
การใช้อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher ในการเตรียมซีเมนต์และคอนกรีตไม่ได้จำกัดเฉพาะการผสมและการกระจายส่วนผสมซีเมนต์สำเร็จรูปหรือคอนกรีตเท่านั้น อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิผลสูงมากในการกำจัดก๊าซออกจากของเหลวและสารแขวนลอยข้น ซึ่งช่วยลดจำนวนและปริมาตรฟองก๊าซที่ติดค้างอยู่ในคอนกรีตหลังแข็งตัว
เครื่องเขย่าตะแกรงอัลตราซาวนด์ ช่วยเพิ่มอัตราปริมาณงานและคุณภาพของการร่อนผงที่มีอนุภาคขนาดเล็ก Hielscher นำเสนอตะแกรงที่สั่นด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม
ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับคอนกรีต
คอนกรีตประกอบด้วยซีเมนต์ เช่น ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ และวัสดุประสานชนิดอื่น เช่น เถ้าลอยและปูนซีเมนต์ตะกรัน มวลรวม (กรวด หินปูน หินแกรนิต ทราย) น้ำ และสารผสมเพิ่มทางเคมี สารผสมเพิ่มที่ใช้ทั่วไป ได้แก่ สารเร่งหรือสารหน่วงการก่อตัว สารเพิ่มความเป็นพลาสติก สารสี ซิลิกาฟูม หรือเมตาคาโอลินที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง (HRM) ไมโครซิลิกาเป็นสารผสมเพิ่มที่ใช้ทั่วไปในคอนกรีต ข้อเสียคือมีต้นทุนค่อนข้างสูงและมีการปนเปื้อนที่ส่งผลต่อสุขภาพของผู้ปฏิบัติงานและคนงาน