Yüksek Performanslı Beton İçin Ultrasonik Karıştırma
Mikro ve nano silika veya nanotüplerin kullanımı, yüksek performanslı betonun basınç dayanımında iyileşmeler sağlar. Sonikasyon, nanomalzemelerin çimento veya beton içinde karıştırılması, ıslatılması ve disperse edilmesi için etkili bir yöntemdir.
Mikro silika günümüzde betonda yaygın olarak kullanılmakta ve daha yüksek basınç dayanımına sahip veya suya ve kimyasallara dayanıklı betonlar elde edilmesini sağlamaktadır. Bu, malzeme maliyetlerini ve enerji kullanımını azaltabilir. Nano silika veya nanotüpler gibi yeni nanomalzemeler, direnç ve dayanımda daha fazla iyileşme sağlar. Ancak nanomalzemelerin tüm potansiyelini ortaya koyabilmesi için güvenilir ve verimli bir dispersiyon tekniği gereklidir. Prob tipi sonikatörler, çimento ve beton gibi yüksek viskoziteli ve macun kıvamındaki bulamaçlarda bile nano dispersiyon üretmek için en güvenilir ve etkili tekniktir.
Ultrasonik Karıştırıcılarla Mikro İncelikte Çimento Enjeksiyon Harcının Dispersiyonu
Draganović’in araştırma ekibinin sunduğu araştırma makalesinde yazarlar, ultrason teknolojisi ve geleneksel laboratuvar çözücü karıştırıcıları kullanarak mikro incelikte çimento enjeksiyon harcının dispersiyonunu incelemektedir. Çalışma, ultrasonun – çalışmada özellikle UP400St sonikatörünün – performansını geleneksel enjeksiyon harcı dispersiyon yöntemleriyle karşılaştırmayı amaçlamaktadır.
Araştırmacılar, mikro incelikteki çimento parçacıklarının parçacık boyutu dağılımını (PSD) ve zeta potansiyelini değerlendirmek için farklı dispersiyon teknikleri kullanarak bir dizi deney gerçekleştirmiştir. Dispersiyon teknikleri arasında UP400St sonikatörüyle ultrason uygulaması, yüksek hızlı laboratuvar çözücü karıştırıcıları ve her iki yöntemin birleşimi yer almaktadır.
MultiSonoReactor MSR-4: Yüksek performanslı çimento ve betonun endüstriyel hat içi üretimi için ultrasonik hat içi dispersiyon.
Sonuçlar, UP400St sonikatörüyle gerçekleştirilen ultrasonik dispersiyonun geleneksel laboratuvar çözücü karıştırıcılarına kıyasla önemli ölçüde daha iyi bir parçacık boyutu dağılımı sağladığını göstermiştir. UP400St sonikatörü, mikro incelikteki çimento parçacıklarının aglomerasyonunu etkili bir şekilde azaltır ve daha homojen ve kararlı bir enjeksiyon harcı süspansiyonu üretir. Ultrason uygulaması, daha küçük parçacıkların dağılımını iyileştirerek daha dar bir parçacık boyutu dağılım aralığı sağlar.
Karşılaştırılan dispersiyon yöntemleri: 90-mm disk ve rotor-stator sistemiyle donatılmış Vma-Getzmann Dispermat CV-3 çözücü karıştırıcısı. Hielscher UP400St ultrason cihazı H22 sonotrotuyla donatılmıştır.
(Çalışma ve görseller: ©Draganovic et al., 2020)
Ayrıca, ultrasonun geleneksel laboratuvar çözücü karıştırıcılarıyla birlikte kullanılması, dispersiyon verimliliğini daha da artırarak yalnızca ultrason uygulamasına kıyasla daha da ince bir parçacık boyutu dağılımı sağlar. Birlikte kullanıldıklarında sonikasyon mikro karıştırmayı ve nano dispersiyonu sağlarken, çözücü karıştırıcı makro karıştırmaya katkıda bulunarak tüm parçacıkların ultrasonik kavitasyon bölgesine girmesini sağlar. Bu, kesikli çalışmada mikro incelikte çimento enjeksiyon harcının parçacık boyutu dağılımı (PSD) ve zeta potansiyeli üzerinde daha iyi kontrol sağlar. Bir akış hücresi reaktörü kullanıldığında, parçacık süspansiyonu kavitasyonun yoğunlaştığı bölgeden otomatik olarak geçtiği için ek karıştırma gereksizdir.
Genel olarak çalışma, mikro incelikte çimento enjeksiyon harcının dispersiyonunda UP400St sonikatörünün üstün performansını vurgulamaktadır. Ultrason uygulaması, özellikle geleneksel laboratuvar çözücü karıştırıcılarıyla birlikte kullanıldığında, mikro incelikteki çimento parçacıklarının homojen ve kararlı bir süspansiyonunu elde etmek için son derece etkili ve verimli bir yöntem sunar.
Makalenin, enjeksiyon harcı dispersiyonunda sonikasyonun üstün performansını vurgulayarak ultrason ile geleneksel dispersiyon yöntemleri arasında kapsamlı bir karşılaştırma sunduğunu belirtmek gerekir.
(bkz. Draganović et al., 2020)
UP400St ultrasonik homojenizatörü çimento enjeksiyon harcının dispersiyon verimliliği açısından diskle donatılmış sıradan bir laboratuvar karıştırıcısıyla ve rotor-stator tekniği kullanılarak karşılaştırılmaktadır. Çalışma, ultrasonik dispersiyonun yalnızca etkili bir yöntem olmakla kalmayıp rotor-stator tekniğini kullanan bir karıştırıcıdan bile daha iyi olduğunu göstermiştir.
(Çalışma ve grafik: © Draganović et al., 2020)
Beton Araştırma ve Geliştirme
Beton araştırmaları, şu amaçlara yönelik malzeme ve süreçler arar:
- malzeme maliyetlerini ve enerji maliyetlerini azaltmak
- yüksek başlangıç ve nihai direnç elde etmek
- yoğunluğu ve basınç dayanımını artırmak
- işlenebilirliği, pompalanabilirliği ve yüzey bitirme kolaylığını iyileştirmek
- dayanıklılığı artırmak ve geçirgenliği azaltmak
- rötre çatlaklarını, tozumayı ve tabaka ayrılması sorunlarını azaltmak
- kimyasal direnç, örneğin sülfat direnci
Çimento ve Beton Karıştırma
Beton özelliklerinin iyileştirilmesi söz konusu olduğunda, karıştırma teknolojisi beton bileşimi kadar önemlidir. Karıştırma, homojen ve yüksek kaliteli beton üretiminde temel bir adımdır. DIN EN 206 gibi çok sayıda kılavuz ve düzenleme betonun ve bileşenlerinin bileşimini kapsasa da çimento karıştırma ve beton karıştırmanın fiilî süreci kullanıcıya bırakılmıştır.
Su, çimento ve katkıların ince ölçeğe kadar eşit biçimde disperse edilip dağıtılması ve aglomeraların yeterince disperse edilmesi belirleyicidir. Yetersiz dispersiyon veya deaglomerasyon, beton özelliklerinin daha düşük düzeyde olmasına yol açar. Düşük su içeriği ve yüksek katkı dozajı nedeniyle kendiliğinden yerleşen betonun (SCC) ve ultra yüksek dayanımlı betonun (UHPC) karıştırılması, daha uzun bir karıştırma süresi veya daha etkili bir karıştırma teknolojisi gerektirir.
Güç ultrasonunun çimento hamurlarının hidratasyonunu ve dayanımını nasıl iyileştirdiğini ve hızlandırdığını öğrenin!
Betonda Nanomalzemeler
Çimentonun hidratasyonu sırasında sertleşen betonda kalsiyum hidratlar gibi nano ölçekli hidratasyon ürünleri oluşur. Silika nanoparçacıkları veya nanotüpler, betonun katılaşması sırasında çimento nanoparçacıklarına dönüşür. Daha küçük parçacıklar, parçacıklar arasındaki mesafenin kısalmasını ve daha yoğun, daha az gözenekli bir malzeme oluşmasını sağlar. Bu, basınç dayanımını artırır ve geçirgenliği azaltır.
Bununla birlikte, nano boyutlu toz ve malzemelerin önemli bir dezavantajı, ıslatma ve karıştırma sırasında aglomera oluşturma eğilimidir. Tek tek parçacıklar iyi disperse edilmediği sürece aglomerasyon, parçacıkların açıkta kalan yüzeyini azaltarak beton özelliklerinin daha düşük düzeyde olmasına yol açar.
UIP16000 ultrasonik işlemcisi, çimento ve betonun dispersiyonu için yüksek performanslı bir homojenizatördür
Ultrasonik Karıştırma: Nanomalzemelerin Çimento Hamurlarında Homojen Dispersiyonu
Sonikasyon, karıştırma, dispersiyon ve deaglomerasyon için çok etkili bir yöntemdir. Aşağıdaki görsel, pirojenik silikanın suda ultrasonik dispersiyonunun tipik bir sonucunu göstermektedir.
Ultrasonik dispersiyon kullanılarak hazırlanan nano takviyeli çimento harçları hakkında daha fazla bilgi edinin!
Başlangıçta (yeşil eğri) aglomera parçacık boyutu 200 mikrondan (D50) büyükken, parçacıkların çoğunun boyutu 200 nanometrenin altına indirilmiştir.
Her Ölçekte Ultrasonik Karıştırma
Hielscher, araştırmalarda ve tam ölçekli işlemede kullanılmak üzere ultrasonik karıştırma cihazları sunar.
Laboratuvar Araştırma ve Geliştirme Çalışmaları İçin Sonikatörler
Hielscher ultrasonik laboratuvar homojenizatörleri, laboratuvar ölçeğinde araştırma ve geliştirme için mükemmel karıştırma araçlarıdır. Hielscher laboratuvar sonikatörleri genellikle küçük partilerin ultrasonik karıştırılmasında kullanılır. Hielscher ultrasonik homojenizatörleri, ölçek büyütmeye hazırlık için hassas parametre kontrolü ve mükemmel tekrarlanabilirlik sunar. Bu, farklı formülasyonların karıştırılmasını ve sonikasyon yoğunluğu ile sonikasyon süresinin etkisinin belirlenmesini kolaylaştırır.
Üretimde Ultrasonik Hat İçi Karıştırma
Ölçek büyütme için gereken ultrasonik karıştırma ekipmanı, laboratuvar testine dayanarak tam olarak belirlenebilir. Büyük hacimli çimento veya beton akışlarını işlemek için yüksek performanslı sonikatörler genellikle içinden akış geçen reaktörler kullanılarak sürekli akış modunda çalıştırılır. Bu, çok homojen karıştırmaya ve hamur ve bulamaçların kusursuz biçimde işlenmesine olanak tanır – çok yüksek viskozitelerde bile.
Aşağıdaki tablo, işlenecek parti hacmine veya debiye bağlı olarak sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| uygulanamaz | daha yüksek | cihaz kümesi: UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Literatür / Kaynaklar
- 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.
Sonikatör Kullanılarak Çimentonun Hat İçi Karıştırılması
Hielscher ultrasonik karıştırıcıları genellikle hat içine kurulur. Malzeme ultrasonik reaktör kabına pompalanır. Burada yoğun ultrasonik kavitasyona maruz kalır. Tüm parçacıklar belirli bir yolu izleyerek karıştırma odasından geçtiği için hat içi sonikasyon, malzemenin karıştırma odasını atlayarak geçmesini ortadan kaldırır. Bu nedenle sonikasyon genellikle parçacık boyutu dağılım eğrisini genişletmek yerine kaydırır.
Sağlam ve Kolay Temizlenebilir
Ultrasonik karıştırma reaktörü, akış hücresinden ve sonotrotlardan oluşur. Rulman gerekmez. Akış hücresi reaktörleri (paslanmaz çelik) basit geometrilere sahiptir ve kolayca sökülüp temizlenebilir. Küçük açıklıklar veya gizli köşeler yoktur.
Çimento ve Beton İçin Ultrasonun Diğer Uygulamaları
Çimento ve betonların hazırlanmasında Hielscher ultrasonik cihazlarının kullanımı, çimento ön karışımlarının veya betonların karıştırılması ve disperse edilmesiyle sınırlı değildir. Ultrason, sıvıların ve bulamaçların gazının giderilmesi için çok etkili bir yöntemdir. Bu, sertleşmeden sonra beton içinde hapsolmuş gaz kabarcıklarının sayısını ve hacmini azaltır.
Ultrasonik elek sarsıcıları küçük parçacıklar için toz eleme işleminin işleme kapasitesini ve kalitesini artırır. Hielscher, laboratuvar ve endüstriyel uygulamalar için ultrasonik olarak titreştirilen elekler sunar.
Beton Hakkında Temel Bilgiler
Beton; örneğin Portland çimentosu gibi çimentolardan ve uçucu kül ve cüruf çimentosu gibi diğer çimentolu malzemelerden, agregadan (çakıl, kireç taşı, granit, kum), sudan ve kimyasal katkılardan oluşur. Tipik katkılar arasında hızlandırıcılar veya geciktiriciler, akışkanlaştırıcılar, pigmentler, silika dumanı veya Yüksek Reaktiviteli Metakaolin (HRM) bulunur. Mikro silika, betonda tipik bir katkıdır. Dezavantajı, nispeten yüksek maliyeti ve operatörlerin ve işçilerin sağlığını etkileyen kontaminasyondur.