Ультразвукове змішування для високопродуктивного бетону

Використання мікро- та нанокремнезему або нанотрубок призводить до покращення міцності на стиск високопродуктивного бетону. Ультразвукова обробка є ефективним засобом для змішування, змочування та диспергування наноматеріалів у цементі або бетоні.

Мікрокремнезем широко використовується в бетоні сьогодні, що призводить до отримання бетону з вищою міцністю на стиск або водостійкого та хімічно стійкого бетону. Це може знизити витрати на матеріали та енергоспоживання. Нові наноматеріали, такі як нанокремнезем або нанотрубки, забезпечують подальше покращення стійкості та міцності. Але для того, щоб виявити повний потенціал наноматеріалів, потрібна надійна та ефективна техніка диспергування. Зондові ультразвукові гомогенізатори є найнадійнішою та найефективнішою технікою для отримання нанодисперсій навіть у високоскладних та пастоподібних суспензіях, таких як цемент і бетон.

Дисперсія мікродрібного цементного розчину за допомогою ультразвукових змішувачів

Дослідницька група Draganović у своїй науковій статті досліджує диспергування мікродрібного цементного розчину за допомогою ультразвукової технології та звичайних лабораторних диспергаторів. Мета дослідження – порівняти ефективність ультразвуку – у дослідженні конкретно гомогенізатора UP400St – із традиційними методами диспергування розчину.

Дослідники провели серію експериментів, використовуючи різні техніки диспергування, щоб оцінити розподіл частинок за розміром (PSD) та дзета-потенціал мікродрібних частинок цементу. Техніки диспергування включають ультразвукову обробку за допомогою гомогенізатора UP400St, високоскладні лабораторні диспергатори та комбінацію обох методів.

Результати показали, що ультразвукове диспергування за допомогою гомогенізатора UP400St досягло значно кращого розподілу частинок за розміром порівняно зі звичайними лабораторними диспергаторами. Гомогенізатор UP400St ефективно зменшує агломерацію мікродрібних частинок цементу та виробляє більш гомогенну та стабільну суспензію розчину. Ультразвукова обробка покращує розподіл менших частинок, що призводить до вужчого діапазону розподілу частинок за розміром.

Порівняння методів диспергування: диспергатор Vma-Getzmann Dispermat CV-3, оснащений 90-mm диском та роторно-статорною системою. Ультразвуковий пристрій Hielscher UP400St оснащений сонотродом H22.
(Дослідження та зображення: ©Draganovic et al., 2020)

Крім того, використання ультразвуку в поєднанні зі звичайними лабораторними диспергаторами ще більше покращує ефективність диспергування, досягаючи навіть більш дрібного розподілу частинок за розміром порівняно з лише ультразвуковою обробкою. У поєднанні ультразвукова обробка забезпечує мікрозмішування та нанодиспергування, тоді як диспергатор сприяє макрозмішуванню, гарантуючи, що всі частинки потрапляють у зону ультразвукової кавітації. Це дозволяє краще контролювати розподіл частинок за розміром (PSD) та дзета-потенціал мікродрібного цементного розчину в режимі партійної обробки. При використанні проточної комірки суспензія частинок автоматично проходить через гарячу зону кавітації, тому додаткове перемішування є зайвим.

Загалом дослідження підкреслює переважну ефективність гомогенізатора UP400St у диспергуванні мікродрібного цементного розчину. Ультразвукова обробка, особливо в поєднанні зі звичайними лабораторними диспергаторами, пропонує високоефективний та ефективний метод для отримання однорідної та стабільної суспензії мікродрібних частинок цементу.

Варто зазначити, що стаття надає комплексне порівняння між ультразвуковими та звичайними методами диспергування, підкреслюючи переважну ефективність ультразвукової обробки при диспергуванні розчину.
(див. Draganović et al., 2020)

Ультразвуковий гомогенізатор UP400St порівнюється щодо ефективності диспергування цементного розчину зі звичайним лабораторним змішувачем, оснащеним диском, і з використанням роторно-статорної технології. Дослідження показало, що ультразвукове диспергування є не лише ефективним методом, а навіть кращим за змішувач, що використовує роторно-статорну технологію.
(дослідження та графік: © Draganović et al., 2020)

Дослідження та розробки в галузі бетону

Дослідження бетону шукають матеріали та процеси для:

• зменшення витрат на матеріали та енергію
• отримання високого початкового та кінцевого опору
• покращення щільності та міцності на стиск
• покращення оброблюваності, насосності та можливості обробки поверхні
• покращення довговічності та зменшення проникності
• зменшення проблем із тріщинами від усадки, пилінням та розшаруванням
• хімічної стійкості, наприклад, стійкості до сульфатів

Змішування цементу та бетону

Коли йдеться про покращення властивостей бетону, технологія змішування є такою ж важливою, як і склад бетону. Змішування є необхідним етапом у виробництві однорідного бетону високої якості. Хоча численні рекомендації та норми, наприклад, DIN EN 206, охоплюють склад бетону та його компонентів, фактичний процес змішування цементу та бетону залишається на розсуд користувача.
Вирішальним є те, що вода, цемент та добавки рівномірно диспергуються та розподіляються до дрібного масштабу, а агломерати достатньо диспергуються. Недостатнє диспергування або деагломерація призводять до гірших властивостей бетону. Через низький вміст води та високе дозування добавок змішування самоуплотнюваного бетону (SCC) та бетону надвисокої міцності (UHPC) вимагає довшого часу змішування або більш ефективної технології змішування.

Дізнайтеся, як потужний ультразвук покращує та прискорює гідратацію та міцність цементних паст!
 

Наноматеріали в бетоні

Під час гідратації цементу нанорозмірні продукти гідратації, такі як гідрати кальцію, утворюються в тверднучому бетоні. Наночастинки кремнезему або нанотрубки перетворюються на наночастинки цементу під час затвердіння бетону. Менші частинки призводять до коротшої відстані між частинками та більш щільного та менш пористого матеріалу. Це збільшує міцність на стиск і зменшує проникність.

Однак основним недоліком порошків та матеріалів нанорозміру є схильність до утворення агломератів під час змочування та змішування. Якщо окремі частинки не дисперговані добре, агломерація зменшує відкриту поверхню частинок, що призводить до гірших властивостей бетону.

Ультразвукове змішування: однорідне диспергування наноматеріалів у цементних пастах

Ультразвукова обробка є дуже ефективним засобом для змішування, диспергування та деагломерації. На зображенні нижче показано типовий результат ультразвукового диспергування пірогенного кремнезему у воді.
Дізнайтеся більше про цементні розчини, армовані наноматеріалами, з використанням ультразвукового диспергування!

Починаючи (зелена крива) з розміру агломератних частинок понад 200 мікрон (D50), більшість частинок були зменшені до менш ніж 200 нанометрів.

Ультразвукове змішування в будь-якому масштабі

Hielscher пропонує пристрої для ультразвукового змішування для використання в дослідженнях та повномасштабній обробці.

Соникатори для лабораторних досліджень та розробок

Ультразвукові лабораторні гомогенізатори Hielscher є ідеальним інструментом для змішування в дослідженнях та розробках у лабораторному масштабі. Лабораторні соникатори Hielscher зазвичай використовуються для ультразвукового змішування малих партій. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher пропонують точний контроль параметрів та чудову відтворюваність для підготовки до масштабування. Це полегшує змішування різних рецептур та визначення впливу інтенсивності ультразвукової обробки та тривалості сонікації.

Ультразвукове потокове змішування у виробництві

Обладнання для ультразвукового змішування, необхідне для масштабування, можна точно визначити на основі лабораторних випробувань. Для обробки великих об’ємних потоків цементу або бетону високоефективні ультразвукові гомогенізатори зазвичай експлуатуються в режимі безперервного потоку з використанням проточних реакторів. Це забезпечує високооднорідне змішування та бездоганну обробку паст і суспензій – навіть із дуже високою в’язкістю.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових гомогенізаторів залежно від об’єму партії або об’ємної витрати, що підлягають обробці: