Ультразвукове змішування для високоефективного бетону

Використання мікро- та нанокремнезему або нанотрубок призводить до підвищення міцності на стиск високоефективного бетону. Ультразвук є ефективним засобом для змішування, змочування та диспергування наноматеріалів у цементі або бетоні.
 

Сьогодні мікрокремнезем широко використовується в бетоні, що призводить до підвищення міцності на стиск або бетонів, стійких до води та хімічних речовин. Це може зменшити матеріальні витрати та споживання енергії. Нові наноматеріали, такі як нанокремнезем або нанотрубки, призводять до подальшого покращення опору та міцності. Але для того, щоб продемонструвати весь потенціал наноматеріалів, потрібна надійна та ефективна техніка дисперсії. Ультразвукові апарати зондового типу є найбільш надійною та ефективною технікою для отримання нанодисперсії, навіть у високов'язких та пастоподібних суспензіях, таких як цемент та бетон.

Дисперсія мікродисперсного цементного розчину з ультразвуковими міксерами

Дослідницька група Драгановича представила наукову статтю, в якій автори досліджують дисперсність мікродисперсного цементного розчину за допомогою ультразвукової технології та звичайних лабораторних розчинників. Дослідження спрямоване на порівняння показників ультразвукового дослідження – в дослідженні конкретно ультразвуковий апарат UP400St – з традиційними методами дисперсії затірки.

Дослідники провели серію експериментів, використовуючи різні методи дисперсії, щоб оцінити розподіл частинок за розміром (PSD) і дзета-потенціал мікродисперсних частинок цементу. Методи дисперсії включають лікування ультразвуком з використанням соніка UP400St, високошвидкісні лабораторні розчинники та комбінацію обох методів.

Результати показали, що ультразвукове диспергування за допомогою ультразвукового апарату UP400St дозволило досягти значно кращого розподілу частинок за розміром у порівнянні зі звичайними лабораторними розчинниками. Звуковик UP400St ефективно знижує агломерацію мікродисперсних частинок цементу і виробляє більш однорідну і стабільну суспензію затірки. Ультразвукове лікування покращує розподіл більш дрібних частинок, що призводить до більш вузького діапазону розподілу частинок за розміром.
 

Порівняльні методи дисперсії: дисольвер Vma-Getzmann Dispermat CV-3 оснащений 90-міліметровим диском і системою ротор-статор. Апарат УЗД Hielscher UP400St оснащений сонотродом H22.
(Дослідження та ілюстрації: ©Драганович та ін., 2020)

 
Крім того, використання ультразвуку в поєднанні зі звичайними лабораторними дисольверами ще більше покращує ефективність диспергування, досягаючи ще більш тонкого розподілу частинок за розміром порівняно з лише ультразвуковим лікуванням. У поєднанні ультразвук забезпечує мікрозмішування та нанодисперсію, тоді як дисольвер сприяє макроперемішуванню, забезпечуючи потрапляння всіх частинок у зону ультразвукової кавітації. Це дозволяє краще контролювати розподіл частинок за розміром (PSD) і дзета-потенціал мікродисперсного цементного розчину в періодичній роботі. При використанні реактора з проточними елементами суспензія частинок автоматично проходить зону кавітаційної гарячої точки, тому додаткове перемішування є зайвим.

В цілому, дослідження підкреслює чудову ефективність ультразвукового апарату UP400St в диспергуванні мікродисперсного цементного розчину. Ультразвукова терапія, особливо в поєднанні зі звичайними лабораторними розчинниками, пропонує високоефективний і результативний метод досягнення однорідної і стабільної суспензії мікродисперсних частинок цементу.

Варто зазначити, що в статті наводиться всебічне порівняння між ультразвуковими та звичайними методами дисперсії, що підкреслює чудові показники ультразвуку при дисперсії розчинів.
(пор. Драганович та ін., 2020)
 

Ультразвуковий гомогенізатор UP400St порівнюється по ефективності дисперсії цементного розчину зі звичайним лабораторним міксером, оснащеним диском, і з використанням роторно-статорної методики. Дослідження показало, що ультразвукова дисперсія є не тільки ефективним методом, але навіть кращою, ніж міксер за технологією ротор-статор.
(дослідження та графіка: © Draganović et al., 2020)

Конкретні дослідження та розробки

Конкретні дослідження шукають матеріали та процеси для:

• знизити матеріальні витрати та витрати на енергію
• отримати високий початковий і кінцевий опір
• покращують щільність і міцність на стиск
• поліпшити оброблюваність, прокачування та обробність
• підвищують довговічність і зменшують прохідність
• зменшити усадочні тріщини, проблеми з пилом і розшаруванням
• хімічна стійкість, наприклад, резистентність до сульфатів

Змішування цементу та бетону

Коли мова йде про поліпшення властивостей бетону, технологія змішування так само важлива, як і склад бетону. Замішування є важливим етапом у виробництві однорідного бетону високої якості. Незважаючи на те, що численні директиви та нормативні акти, наприклад, DIN EN 206, охоплюють склад бетону та його компонентів, фактичний процес змішування цементу та змішування бетону залишається на розсуд користувача.
Вирішальне значення має те, що вода, цемент і домішки рівномірно розподіляються і розподіляються аж до дрібного масштабу, а агломери - в достатній мірі. Недостатнє диспергування або деагломерація призводить до погіршення властивостей бетону. У зв'язку з низьким вмістом води та високим дозуванням домішок змішування самоущільнювального бетону (SCC) та бетону надвисокої міцності (UHPC) вимагає більш тривалого часу змішування або більш ефективної технології змішування.

Наноматеріали в бетоні

Під час гідратації цементу в твердуючому бетоні утворюються нанорозмірні продукти гідратації, такі як гідрати кальцію. Наночастинки кремнезему або нанотрубок перетворюються в наночастинки цементу під час застигання бетону. Більш дрібні частинки призводять до меншої відстані між частинками і більш щільного і менш пористого матеріалу. Це підвищує міцність на стиск і знижує проникність.

Однак основним недоліком нанорозмірного порошку та матеріалів є схильність до утворення агломератів під час змочування та змішування. Якщо окремі частинки добре не диспергуються, агломерація зменшує поверхню відкритих частинок, що призводить до погіршення властивостей бетону.

Ультразвукове змішування наноматеріалів

Ультразвук є дуже ефективним засобом для змішування, диспергування і деагломерації. На малюнку нижче показаний типовий результат ультразвукового диспергування димчастого кремнезему у воді.

На старті (зелена крива) при розмірі частинок агломерату більше 200 мкм (D50) більшість частинок редукувалася до менш ніж 200 нанометрів.

Ультразвукове змішування в будь-якому масштабі

Hielscher пропонує ультразвукові змішувальні пристрої для використання в дослідженнях і повномасштабній обробці.

Ультразвукові апарати для лабораторних досліджень і розробок

Ультразвукові лабораторні гомогенізатори Hielscher є ідеальним інструментом для змішування для досліджень і розробок в лабораторних масштабах. Лабораторні ультразвукові апарати Hielscher зазвичай використовуються для ультразвукового змішування невеликих партій. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher забезпечують точний контроль параметрів і чудову відтворюваність для приготування шкали. Це дозволяє легко змішувати різні склади і визначати вплив ультразвуку, інтенсивність і тривалість ультразвуку.

Ультразвукове вбудоване змішування на виробництві

Ультразвукове змішувальне обладнання, необхідне для масштабування, можна точно визначити на основі лабораторних досліджень. Для обробки потоків цементу або бетону великого обсягу високопродуктивні ультразвукові апарати зазвичай експлуатуються в режимі безперервного потоку з використанням проточних реакторів. Це дозволяє проводити високорівномірне змішування та бездоганну обробку паст і суспензій – навіть з дуже високою в'язкістю.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових апаратів залежно від обсягу партії або швидкості потоку, що підлягає обробці: