Trộn bằng siêu âm cho bê tông hiệu năng cao

Việc sử dụng silica micro và nano hoặc ống nano giúp cải thiện cường độ chịu nén của bê tông hiệu năng cao. Xử lý bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để trộn, làm ướt và phân tán vật liệu nano trong xi măng hoặc bê tông.
 

Silica micro hiện được sử dụng rộng rãi trong bê tông, giúp tăng cường độ chịu nén hoặc tạo ra bê tông có khả năng chống thấm nước và kháng hóa chất. Điều đó có thể giảm chi phí vật liệu và mức tiêu thụ năng lượng. Các vật liệu nano mới, như silica nano hoặc ống nano, giúp cải thiện hơn nữa khả năng chống chịu và cường độ. Tuy nhiên, để phát huy toàn bộ tiềm năng của vật liệu nano, cần có một kỹ thuật phân tán đáng tin cậy và hiệu quả. Sử dụng thiết bị siêu âm dạng đầu dò là kỹ thuật đáng tin cậy nhất và hiệu quả nhất để tạo ra hệ phân tán nano, ngay cả trong các huyền phù có độ nhớt cao và dạng hồ như xi măng và bê tông.

Phân tán vữa xi măng siêu mịn bằng máy trộn siêu âm

Trong bài báo nghiên cứu do nhóm nghiên cứu của Draganović trình bày, các tác giả khảo sát quá trình phân tán vữa xi măng siêu mịn bằng công nghệ siêu âm và các máy khuấy phân tán thông thường trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu nhằm so sánh hiệu quả của siêu âm – cụ thể trong nghiên cứu này là thiết bị siêu âm UP400St – với các phương pháp phân tán vữa truyền thống.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm sử dụng các kỹ thuật phân tán khác nhau để đánh giá phân bố kích thước hạt (PSD) và thế zeta của các hạt xi măng siêu mịn. Các kỹ thuật phân tán bao gồm xử lý bằng siêu âm với thiết bị siêu âm UP400St, sử dụng máy khuấy phân tán tốc độ cao trong phòng thí nghiệm và kết hợp cả hai phương pháp.

Kết quả cho thấy phân tán bằng siêu âm sử dụng thiết bị siêu âm UP400St đạt được phân bố kích thước hạt tốt hơn đáng kể so với các máy khuấy phân tán thông thường trong phòng thí nghiệm. Thiết bị siêu âm UP400St làm giảm hiệu quả sự kết tụ của các hạt xi măng siêu mịn và tạo ra huyền phù vữa đồng nhất hơn và ổn định hơn. Xử lý bằng siêu âm cải thiện sự phân bố của các hạt nhỏ hơn, giúp thu hẹp khoảng phân bố kích thước hạt.
 

Các phương pháp phân tán được so sánh: Máy khuấy phân tán Vma-Getzmann Dispermat CV-3 được trang bị đĩa 90-mm và hệ thống rotor–stator. Thiết bị siêu âm Hielscher UP400St được trang bị đầu phát siêu âm H22.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Draganovic et al., 2020)

 
Ngoài ra, việc sử dụng siêu âm kết hợp với các máy khuấy phân tán thông thường trong phòng thí nghiệm còn cải thiện hơn nữa hiệu quả phân tán, đạt được phân bố kích thước hạt mịn hơn nữa so với chỉ xử lý bằng siêu âm. Khi kết hợp, xử lý bằng siêu âm thực hiện quá trình trộn vi mô và phân tán nano, trong khi máy khuấy phân tán góp phần trộn vĩ mô, bảo đảm tất cả các hạt đều đi vào vùng xâm thực siêu âm. Điều này cho phép kiểm soát tốt hơn phân bố kích thước hạt (PSD) và thế zeta của vữa xi măng siêu mịn khi vận hành theo mẻ. Khi sử dụng thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy, huyền phù hạt tự động đi qua vùng điểm nóng xâm thực nên không cần khuấy bổ sung.

Nhìn chung, nghiên cứu nêu bật hiệu quả vượt trội của thiết bị siêu âm UP400St trong việc phân tán vữa xi măng siêu mịn. Xử lý bằng siêu âm, đặc biệt khi kết hợp với các máy khuấy phân tán thông thường trong phòng thí nghiệm, mang lại một phương pháp có hiệu quả và hiệu suất cao để tạo ra huyền phù các hạt xi măng siêu mịn đồng đều và ổn định.

Đáng chú ý, bài báo cung cấp một so sánh toàn diện giữa phương pháp siêu âm và các phương pháp phân tán thông thường, nêu bật hiệu quả vượt trội của xử lý bằng siêu âm trong phân tán vữa.
(xem Draganović et al., 2020)
 

Thiết bị đồng nhất hóa siêu âm UP400St được so sánh về hiệu quả phân tán vữa xi măng với máy trộn phòng thí nghiệm thông thường được trang bị đĩa và máy trộn sử dụng kỹ thuật rôto–stato. Nghiên cứu cho thấy phân tán bằng siêu âm không chỉ là một phương pháp hiệu quả mà còn tốt hơn cả máy trộn sử dụng kỹ thuật rôto–stato.
(nghiên cứu và đồ họa: © Draganović và cộng sự, 2020)

Nghiên cứu và phát triển bê tông

Nghiên cứu bê tông tìm kiếm các vật liệu và quy trình nhằm:

• giảm chi phí vật liệu và chi phí năng lượng
• đạt cường độ ban đầu và cuối cùng cao
• cải thiện độ đặc chắc và cường độ chịu nén
• cải thiện tính công tác, khả năng bơm và khả năng hoàn thiện bề mặt
• cải thiện độ bền lâu và giảm tính thấm
• giảm các vấn đề nứt do co ngót, phát sinh bụi bề mặt và tách lớp
• khả năng kháng hóa chất, ví dụ như kháng sunfat

Trộn xi măng và bê tông

Để cải thiện các tính chất của bê tông, công nghệ trộn cũng quan trọng như thành phần bê tông. Trộn là một bước thiết yếu trong sản xuất bê tông đồng nhất, chất lượng cao. Mặc dù nhiều hướng dẫn và quy định, ví dụ như DIN EN 206, đề cập đến thành phần bê tông và các cấu tử của nó, quy trình trộn xi măng và trộn bê tông thực tế vẫn do người sử dụng quyết định.
Điều mang tính quyết định là nước, xi măng và phụ gia phải được phân tán và phân bố đồng đều đến quy mô nhỏ, đồng thời các khối kết tụ phải được phân tán đầy đủ. Việc phân tán hoặc phá kết tụ không đầy đủ dẫn đến các tính chất bê tông kém hơn. Do hàm lượng nước thấp và liều lượng phụ gia cao, việc trộn bê tông tự lèn (SCC) và bê tông cường độ siêu cao (UHPC) đòi hỏi thời gian trộn dài hơn hoặc công nghệ trộn hiệu quả hơn.
 
Tìm hiểu cách siêu âm công suất cao cải thiện và đẩy nhanh quá trình thủy hóa cũng như sự phát triển cường độ của hồ xi măng!
 

Vật liệu nano trong bê tông

Trong quá trình thủy hóa xi măng, các sản phẩm thủy hóa ở kích thước nano, chẳng hạn như các hydrat canxi, hình thành trong bê tông đang đóng rắn. Các hạt nano silica hoặc ống nano chuyển thành các hạt nano xi măng trong quá trình bê tông đông rắn. Các hạt nhỏ hơn làm giảm khoảng cách giữa các hạt và tạo ra vật liệu đặc chắc hơn, ít lỗ rỗng hơn. Điều này làm tăng cường độ chịu nén và giảm tính thấm.

Tuy nhiên, một nhược điểm lớn của bột và vật liệu có kích thước nano là xu hướng hình thành các khối kết tụ trong quá trình làm ướt và trộn. Nếu các hạt riêng lẻ không được phân tán tốt, sự kết tụ sẽ làm giảm diện tích bề mặt hạt tiếp xúc với môi trường xung quanh, dẫn đến các tính chất bê tông kém hơn.

Trộn bằng siêu âm: Phân tán đồng nhất vật liệu nano trong hồ xi măng

Xử lý bằng siêu âm là một phương pháp rất hiệu quả để trộn, phân tán và phá kết tụ. Hình dưới đây cho thấy một kết quả điển hình của quá trình phân tán silica khói trong nước bằng siêu âm.
Đọc thêm về vữa xi măng gia cường nano sử dụng phương pháp phân tán bằng siêu âm!

Từ kích thước hạt kết tụ ban đầu lớn hơn 200 micromét (D50) (đường cong màu xanh lá cây), phần lớn các hạt đã được giảm xuống kích thước nhỏ hơn 200 nanomét.

Trộn bằng siêu âm ở mọi quy mô

Hielscher cung cấp các thiết bị trộn siêu âm dùng trong nghiên cứu và xử lý ở quy mô sản xuất thực tế.

Thiết bị siêu âm phục vụ nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm

Máy đồng hóa siêu âm phòng thí nghiệm của Hielscher là công cụ trộn hoàn hảo cho hoạt động nghiên cứu và phát triển ở quy mô phòng thí nghiệm. Thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm của Hielscher thường được sử dụng để trộn các mẻ nhỏ bằng siêu âm. Máy đồng hóa siêu âm Hielscher cho phép kiểm soát thông số chính xác và có khả năng tái lập tuyệt vời để chuẩn bị cho việc mở rộng quy mô. Nhờ đó, có thể dễ dàng trộn các công thức khác nhau và xác định tác động của cường độ cũng như thời gian xử lý bằng siêu âm.

Trộn bằng siêu âm trực tiếp trên dòng chảy trong sản xuất

Thiết bị trộn siêu âm cần thiết để mở rộng quy mô có thể được xác định chính xác dựa trên thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Để xử lý các dòng xi măng hoặc bê tông có lưu lượng thể tích lớn, các thiết bị siêu âm hiệu năng cao thường được vận hành ở chế độ dòng chảy liên tục bằng các thiết bị phản ứng dòng chảy xuyên qua. Điều này cho phép trộn với độ đồng đều rất cao và xử lý hoàn hảo các dạng hồ và huyền phù – ngay cả khi có độ nhớt rất cao.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi tùy theo thể tích mẻ hoặc lưu lượng cần xử lý: