Trộn siêu âm cho bê tông hiệu suất cao

Việc sử dụng micro- và nanosilica hoặc ống nano dẫn đến cải thiện cường độ nén của bê tông hiệu suất cao. Ultrasonication là một phương tiện hiệu quả cho việc trộn, làm ướt và phân tán vật liệu nano trong xi măng hoặc bê tông.
 

Micro silica được sử dụng rộng rãi trong bê tông ngày nay, dẫn đến cường độ nén cao hơn hoặc bê tông chịu nước và hóa chất. Điều đó có thể làm giảm chi phí vật liệu và sử dụng năng lượng. Vật liệu nano mới, chẳng hạn như nano silica hoặc ống nano dẫn đến những cải tiến hơn nữa về sức đề kháng và sức mạnh. Nhưng để thể hiện đầy đủ tiềm năng của vật liệu nano, cần có một kỹ thuật phân tán đáng tin cậy và hiệu quả. Máy sonicators kiểu đầu dò là kỹ thuật đáng tin cậy và hiệu quả nhất để tạo ra sự phân tán nano, ngay cả trong các loại bùn có độ nhớt cao và giống như bột nhão như xi măng và bê tông.

Phân tán vữa xi măng vi mịn với máy trộn siêu âm

Nhóm nghiên cứu của Draganović trình bày bài báo nghiên cứu, các tác giả điều tra sự phân tán của vữa xi măng vi mịn bằng công nghệ siêu âm và chất hòa tan phòng thí nghiệm thông thường. Nghiên cứu nhằm mục đích so sánh hiệu suất của siêu âm – trong nghiên cứu cụ thể là sonicator UP400St – với phương pháp phân tán vữa truyền thống.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành một loạt các thí nghiệm sử dụng các kỹ thuật phân tán khác nhau để đánh giá sự phân bố kích thước hạt (PSD) và tiềm năng zeta của các hạt xi măng vi mịn. Các kỹ thuật phân tán bao gồm điều trị siêu âm bằng cách sử dụng sonicator UP400St, máy hòa tan phòng thí nghiệm tốc độ cao và kết hợp cả hai phương pháp.

Kết quả cho thấy sự phân tán siêu âm bằng cách sử dụng sonicator UP400St đạt được sự phân bố kích thước hạt tốt hơn đáng kể so với các chất hòa tan trong phòng thí nghiệm thông thường. Sonicator UP400St có hiệu quả làm giảm sự kết tụ của các hạt xi măng vi mịn và tạo ra một hệ thống treo vữa đồng nhất và ổn định hơn. Việc điều trị siêu âm cải thiện sự phân bố của các hạt nhỏ hơn, dẫn đến phạm vi phân phối kích thước hạt hẹp hơn.
 

Phương pháp phân tán được so sánh: Bộ hòa tan Vma-Getzmann Dispermat CV-3 được trang bị đĩa 90 mm và hệ thống rôto-stato. Thiết bị siêu âm Hielscher UP400St được trang bị một sonotrode H22.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Draganovic et al., 2020)

 
Ngoài ra, việc sử dụng siêu âm kết hợp với các chất hòa tan trong phòng thí nghiệm thông thường giúp cải thiện hơn nữa hiệu quả phân tán, đạt được sự phân bố kích thước hạt thậm chí còn tốt hơn so với điều trị siêu âm đơn thuần. Khi kết hợp, sonication cung cấp vi trộn và phân tán nano, trong khi chất hòa tan góp phần vào việc trộn vĩ mô đảm bảo rằng tất cả các hạt vào vùng xâm thực siêu âm. Điều này cho phép kiểm soát tốt hơn sự phân bố kích thước hạt (PSD) và tiềm năng zeta của vữa xi măng vi mịn trong hoạt động hàng loạt. Khi sử dụng lò phản ứng tế bào dòng chảy, huyền phù các hạt tự động đi qua vùng điểm nóng xâm thực để khuấy thêm là không cần thiết.

Nhìn chung, nghiên cứu nhấn mạnh hiệu suất vượt trội của sonicator UP400St trong việc phân tán vữa xi măng vi mịn. Việc xử lý siêu âm, đặc biệt là khi kết hợp với các chất hòa tan trong phòng thí nghiệm thông thường, cung cấp một phương pháp hiệu quả và hiệu quả cao để đạt được sự đình chỉ đồng đều và ổn định của các hạt xi măng vi mịn.

Điều đáng chú ý là bài viết cung cấp một so sánh toàn diện giữa siêu âm và phương pháp phân tán thông thường làm nổi bật hiệu suất vượt trội của sonication trong phân tán vữa.
(xem Draganović và cộng sự, 2020)
 

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

Nghiên cứu và phát triển cụ thể

Nghiên cứu cụ thể tìm kiếm các vật liệu và quy trình để:

• giảm chi phí vật liệu và chi phí năng lượng
• đạt được sức đề kháng ban đầu và cuối cùng cao
• cải thiện mật độ và cường độ nén
• cải thiện khả năng làm việc, khả năng bơm và khả năng hoàn thiện
• cải thiện độ bền và giảm tính thấm
• giảm các vết nứt co ngót, các vấn đề về bụi và phân tách
• kháng hóa chất, ví dụ như kháng sunfat

Trộn xi măng và bê tông

Khi nói đến cải tiến tính chất 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 có nhiều hướng dẫn và quy định, ví dụ: DIN EN 206 bao gồm thành phần của bê tông và các thành phần của nó, quá trình trộn xi măng và trộn bê tông thực tế được để lại cho người dùng.
Điều quyết định là nước, xi măng và phụ gia được phân tán đều và phân phối xuống một quy mô tốt và các chất kết tụ được phân tán đủ. Không đủ phân tán hoặc deagglomeration dẫn đến tính chất bê tông kém hơn. Do hàm lượng nước thấp và liều lượng phụ gia cao, việc trộn bê tông tự đầm (SCC) và bê tông cường độ cực cao (UHPC) đòi hỏi thời gian trộn lâu hơn hoặc công nghệ trộn hiệu quả hơn.

Vật liệu nano trong bê tông

During the hydration of the cement nanoscale hydration products, such as calcium hydrates form in the hardening concrete. Nano particles of silica or nanotubes turn into nano particles of cement during the solidification of the concrete. Smaller particles lead to shorter particle distance and a denser and less porous material. This increases the compressive strength and reduces the permeability.

A major disadvantage of nanosize powder and materials, though, is the tendency to form agglomerates during wetting and mixing. Unless the individual particles are well dispersed, agglomeration reduces the exposed particle surface leading to inferior concrete properties.

Siêu âm trộn vật liệu nano

Ultrasonication là một phương tiện rất hiệu quả cho việc trộn, phân tán và deagglomeration. Hình ảnh dưới đây cho thấy một kết quả điển hình của siêu âm phân tán silica bốc khói trong nước.

Bắt đầu (đường cong màu xanh lá cây) ở kích thước hạt kết tụ hơn 200 micron (D50), hầu hết các hạt đã được giảm xuống dưới 200 nanomet.

Trộn siêu âm ở mọi quy mô

Hielscher cung cấp các thiết bị trộn siêu âm để sử dụng trong nghiên cứu và xử lý quy mô đầy đủ.

Sonicators cho nghiên cứu và phát triển phòng thí nghiệm

Hielscher siêu âm phòng thí nghiệm homogenizers là công cụ trộn hoàn hảo cho nghiên cứu và phát triển trên quy mô phòng thí nghiệm. Hielscher lab sonicators thường được sử dụng để trộn siêu âm của các lô nhỏ. Hielscher siêu âm homogenizers cung cấp một kiểm soát thông số chính xác và khả năng tái tạo tuyệt vời cho việc chuẩn bị mở rộng quy mô. Điều này làm cho nó dễ dàng để trộn các công thức khác nhau và xác định tác động của cường độ siêu âm và thời gian sonication.

Siêu âm Inline Mixing trong sản xuất

Các 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 khối lượng lớn, ultrasonicators hiệu suất cao thường được vận hành ở chế độ dòng chảy liên tục bằng cách sử dụng lò phản ứng dòng chảy. Điều này cho phép trộn đồng đều cao và xử lý hoàn hảo bột nhão và chất bán lỏng – ngay cả với độ nhớt rất cao.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi tùy thuộc vào khối lượng lô hoặc tốc độ dòng chảy được xử lý: