Використання мікро- та нанозмішів або нанотрубок призводить до поліпшення міцності на стиск високопродуктивного бетону. Ультразвукове дослідження є ефективним засобом для змішування, змочування та диспергування наноматеріалів у цементі або бетоні.
 

Мікрокремнезем сьогодні широко використовується в бетоні, що призводить до підвищення міцності на стиск або водо- та хімічно стійких бетонів. Це може зменшити матеріальні витрати та споживання енергії. Нові наноматеріали, такі як нанокремнезем або нанотрубки, призводять до подальшого поліпшення стійкості і міцності. Але для того, щоб продемонструвати весь потенціал наноматеріалів, потрібна надійна та ефективна дисперсійна техніка. Ультразвукові апарати зондового типу є найбільш надійною та ефективною технікою для отримання нанодисперсії, навіть у високов'язких і пастоподібних суспензіях, таких як цемент і бетон.

Дисперсія мікротонкої цементної затирки з ультразвуковими змішувачами

Дослідницька група Драгановича представляє дослідницьку статтю, автори досліджують дисперсність мікротонкої цементної затірки за допомогою ультразвукової технології та звичайних лабораторних розчинників. Дослідження спрямоване на порівняння показників ультразвуку – у дослідженні, зокрема ультразвуковий пристрій UP400St – при традиційних методах диспергування затірки.

Дослідники провели серію експериментів, використовуючи різні методи дисперсії, щоб оцінити гранулометричний склад частинок (PSD) і дзета-потенціал частинок мікротонкого цементу. Дисперсійні методи включають ультразвукове лікування за допомогою ультразвукового апарату UP400St, високошвидкісних лабораторних розчинників та комбінацію обох методів.

Результати показали, що ультразвукова дисперсія за допомогою ультразвукового пристрою UP400St досягла значно кращого розподілу розміру частинок порівняно зі звичайними лабораторними розчинниками. Ультразвуковий пристрій UP400St ефективно зменшує агломерацію мікродисперсних частинок цементу та виробляє більш однорідну та стабільну затирочну суспензію. Ультразвукове лікування покращує розподіл менших частинок, що призводить до вужчого діапазону розподілу розмірів частинок.
 

Порівняльні методи дисперсії: розчинник Vma-Getzmann Dispermat CV-3, оснащений 90-мм диском і системою ротор-статор. Hielscher UP400St ультразвуковий апарат оснащений сонотродом H22.
(Дослідження та фотографії: ©Draganovic et al., 2020)

 
Крім того, використання ультразвуку в поєднанні зі звичайними лабораторними розчинниками ще більше покращує ефективність дисперсії, досягаючи ще більш дрібного розподілу розмірів частинок порівняно з лише ультразвуковим лікуванням. У поєднанні ультразвукова обробка забезпечує мікрозмішування та нанодисперсію, тоді як розчинник сприяє макрозмішуванню, забезпечуючи потрапляння всіх частинок у зону ультразвукової кавітації. Це дозволяє краще контролювати гранулометричний склад (PSD) та дзета-потенціал мікротонкого цементного розчину під час періодичної роботи. При використанні реактора стільникового потоку суспензія частинок автоматично проходить кавітаційну зону гарячої точки, так що додаткове перемішування є зайвим.

В цілому, дослідження підкреслює чудову продуктивність ультразвукового апарату UP400St при диспергуванні мікротонкого цементного розчину. Ультразвукове лікування, особливо в поєднанні зі звичайними лабораторними розчинниками, пропонує високоефективний і ефективний метод досягнення рівномірної і стабільної суспензії мікродисперсних частинок цементу.

Варто зазначити, що в статті наведено всебічне порівняння між ультразвуком та звичайними методами дисперсії, підкреслюючи чудову продуктивність ультразвукової обробки в дисперсії затірки.
(пор. Драганович та ін., 2020)
 

Ультразвуковий гомогенізатор UP400St порівнюється щодо дисперсійної ефективності цементного розчину зі звичайним лабораторним змішувачем, оснащеним диском, та з використанням роторно-статорної методики. Дослідження показало, що ультразвукова дисперсія є не тільки ефективним методом, але навіть краще, ніж змішувач, що використовує техніку ротор-статор.
(дослідження та графіка: © Draganović et al., 2020)

Конкретні дослідження та розробки

Конкретні дослідження шукають матеріали та процеси для:

• зменшити матеріальні витрати та витрати на енергію
• отримати високий вихідний і остаточний опір
• поліпшити щільність і силу стиснення
• покращує працездатність, прокачуваність та обробку
• підвищують міцність і зменшують проникність
• зменшити усадкові тріщини, проблеми з напилюванням і відшаруванням
• хімічна стійкість, наприклад, сульфатна стійкість

Цемент та бетонна змішування

Коли мова йде про поліпшення властивостей бетону, технологія змішування настільки ж важлива, як конкретний склад. Змішування є важливим кроком у виробництві однорідного, високоякісного бетону. Незважаючи на те, що багато положень та правил, наприклад DIN EN 206, стосуються складу бетону та його компонентів, фактичний процес змішування та змішування бетону залишається користувачеві.
Вирішальне значення має те, що вода, цемент та домішки рівномірно розподілені і розподіляються до дрібного масштабу і агломерати достатньо дисперговані. Недостатня диспергація або деагломерація призводить до зниження властивостей бетону. Завдяки низькому вмісту води та високим дозам домішок, змішування самоуплотняющегося бетону (СКС) та надвисокоміцного бетону (УНПЧ) вимагає більшого часу змішування або більш ефективної технології змішування.

Наноматеріали в бетоні

Під час гідратації цементу в нанорозмірних продуктах гідратації, таких як гідрати кальцію, утворюються в твердіючому бетоні. Наночастинки кремнезему або нанотрубок перетворюються в наночастинки цементу під час затвердіння бетону. Більш дрібні частинки призводять до меншої відстані частинок і більш щільного і менш пористого матеріалу. Це підвищує міцність на стиск і знижує проникність.

Проте основним недоліком нанорозмірних порошків і матеріалів є тенденція утворення агломератів під час зволоження та змішування. Якщо окремі частинки не розсіяні, агломерація знижує поверхню відкритих частинок, що призводить до зниження властивостей бетону.

Ультразвукове змішування наноматеріалів

Ультразвукове дослідження є дуже ефективним засобом для змішування, диспергування та деагломерації. На малюнку нижче показаний типовий результат ультразвукового розсіювання димленого кремнезему у воді.

Починаючи (зелена крива) при розмірах частинок агломерату більше 200 мікрон (D50) більшість часток зменшилася до менш ніж 200 нанометрів.

Ультразвукове змішування в будь-якій масштабі

Hielscher пропонує ультразвукові змішувальні пристрої для використання в дослідженні та повномасштабної обробки.

Ультразвукові апарати для лабораторних досліджень та розробок

Ультразвукові лабораторні гомогенізатори Hielscher є ідеальним інструментом змішування для досліджень та розробок у лабораторному масштабі. Лабораторні ультразвукові апарати Hielscher зазвичай використовуються для ультразвукового змішування невеликих партій. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher пропонують точний контроль параметрів і відмінну відтворюваність для підготовки масштабу. Це дозволяє легко змішувати різні формулювання та визначати вплив інтенсивності ультразвуку та тривалості ультразвукової обробки.

Ультразвукове вбудоване змішування у виробництві

Ультразвукове змішувальне обладнання, необхідне для збільшення масштабу, може бути точно визначено на основі лабораторного тесту. Для обробки великих об'ємних потоків цементу або бетону високопродуктивні ультразвукові апарати зазвичай працюють у режимі безперервного потоку з використанням проточних реакторів. Це дозволяє забезпечити високорівномірне змішування і бездоганну обробку паст і шламів – Навіть з дуже високою в'язкістю.

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів залежно від обсягу партії або витрати для обробки: