Ултразвуковата обработка подобрява хидратацията и якостта на цимента

Мощният ултразвук, известен също като ултразвукова обработка, привлича все повече внимание като практична технология за интензификация на производството на цимент и строителни разтвори. Последните изследвания показват, че ултразвуковата обработка може да подобри диспергирането на частиците, да активира допълнителни циментиращи материали като гранулирана доменна шлака (GBFS), да ускори хидратацията, да усъвършенства поровата структура и значително да повиши ранната якост.

Цимент и строителни разтвори с добавена шлака и по-високи експлоатационни показатели чрез мощен ултразвук

При производството на цимент и строителни разтвори едно от основните технически предизвикателства е ефективното използване на допълнителни циментиращи материали. Гранулираната доменна шлака, или GBFS, се използва широко за намаляване на съдържанието на клинкер и подобряване на устойчивостта. Едрите или агломерираните частици шлака обаче често реагират бавно, което ограничава развитието на ранната якост. Ултразвуковата обработка предлага обещаващо решение: тя използва акустична кавитация с висок интензитет, за да диспергира агломератите, да раздробява частиците и да увеличава броя на реакционноспособните центрове на зародишообразуване в циментовата матрица.

Защо ултразвуковата обработка е важна за хидратацията на цимента

Предимството на ултразвуковата обработка се състои в способността ѝ да въздейства пряко върху системата от частици преди и по време на ранната хидратация. В циментиращата суспензия ултразвуковата кавитация генерира локализирани сили на срязване, микроструи и колебания на налягането. Тези ефекти спомагат за разбиване на агломератите, диспергиране на фините частици и разкриване на свежи минерални повърхности.
За производителите на цимент и строителни разтвори това е важно, защото хидратацията до голяма степен се определя от повърхностните процеси. По-доброто диспергиране и по-малките реакционноспособни частици могат да увеличат контакта между водата, клинкерните фази и частиците шлака. Това може да доведе до по-бързо отделяне на топлина, подобрено ранно втвърдяване и по-плътна микроструктура.
В системите с добавена шлака ултразвуковата обработка е особено важна, защото GBFS често изисква активиране. Ултразвуковото раздробяване на частиците GBFS – така наречената сонофрагментация – намалява размера на частиците, особено във фракцията 125–250 μm.

Основни предимства на ултразвуковата обработка при производството на цимент и строителни разтвори

Мощният ултразвук подпомага промишленото производство на цимент и строителни разтвори по няколко начина:

• Подобрено диспергиране на частиците: Ултразвуковата обработка спомага за по-равномерното диспергиране на цимента, шлаката и фините минерални частици в пастата или сместа за строителен разтвор.
• Намалена агломерация: Ултразвуковата обработка може да разбива струпванията от частици и е възможно да възпрепятства повторната агломерация по време на смесването.
• Намаляване на размера на зърната: По-едрите частици шлака могат да бъдат раздробени до по-фини фракции, което увеличава наличната повърхностна площ.
• Повече центрове на зародишообразуване: Раздробените частици GBFS могат да действат като центрове на зародишообразуване за хидратационните продукти в циментовата матрица.
• Ускорена хидратация: По-доброто диспергиране и разкритите повърхности могат да увеличат кумулативното отделяне на топлина и да ускорят ранното втвърдяване.
• По-висока ранна якост: Обработените с ултразвук циментови пасти с добавена шлака могат да покажат значително повишение на якостта на натиск и на огъване само след два дни.
• Подобрена микроструктура: Ултразвуковата обработка може да повиши показателите за нанопорьозност и да промени поровата структура, особено в диапазона на порите 2–10 nm.

 

По-бързо свързване и развитие на ранна якост в сглобяемия бетон чрез мощен ултразвук

Изследването „Влияние на мощния ултразвук върху течливостта и свързването на портландциментови пасти“ на Ch. Rößler разглежда портландциментови пасти на основата на CEM I 42,5 R, с водоциментно отношение w/c 0,37 и 0,1% полиакрилатен суперпластификатор. В изследването е използван ултразвуков апарат Hielscher UIP1000hd в проточна конфигурация, за да се оцени дали мощният ултразвук би могъл да ускори хидратацията, да подобри течливостта, да съкрати времето за свързване и да повиши ранната якост.
Резултатите показват, че мощният ултразвук (PUS) ускорява основния период на хидратация. Температурната крива показва по-ранен пик на хидратация, а изображенията на микроструктурата след пет часа показват по-големи C-S-H фази в обработената с ултразвук паста в сравнение с контролната.
Постигнати основни предимства:

• По-висока течливост: слягането се увеличава от 122 mm при контролната паста до 158 mm след обработка с PUS.
• По-бързо свързване: времето до началото на свързването е съкратено от 5 h 15 min до 3 h 45 min, а времето до края на свързването – от 6 h 45 min до 4 h 30 min.
• Ускорено придобиване на коравина: скоростта на ултразвуковите импулси показва приблизително 2 часа по-бързо втвърдяване.
• По-висока ранна якост: призмите от строителен разтвор, произведени от циментова паста, обработена с PUS, показват повишена якост на натиск през първите 24 часа.
• Потенциал за икономичност на процеса: авторите оценяват, че енергиен разход от приблизително 10 kWh/m³ циментова паста би могъл да ускори свързването и развитието на ранна якост с около два часа, при посочени разходи ≤ 1 Euro/m³ бетон.
• Намалена необходимост от добавки: тъй като PUS повишава течливостта, авторите заключават, че дозировката на суперпластификатора потенциално би могла да бъде намалена.

Тези резултати са особено важни за производството на сглобяем бетон, при което по-бързото свързване и развитие на ранна якост могат да намалят времето за престой в кофража, необходимостта от подгряване и продължителността на производствените цикли.

 

 

По-висока ранна якост на циментова паста с добавена GBFS

Един от най-важните резултати за промишлените приложения на цимент и строителни разтвори е подобряването на ранната якост. Според Lisowski et al. (2024) импулсната ултразвукова обработка на циментови пасти, съдържащи 20% депонирана GBFS, води до значително по-висока якост след два дни. Отчетените увеличения достигат до 132% при якостта на натиск и 58% при якостта на огъване.
Това е особено важно за сглобяемия бетон, сухите смеси за строителни разтвори, ремонтните разтвори, лепилата за плочки и други циментиращи продукти, при които ранното декофриране, ранната якост за манипулиране или бързият напредък на строителството имат икономическо значение.
Повишението на якостта е свързано с увеличена кумулативна топлина на втвърдяване, което предполага, че ултразвуковата обработка не само подобрява физическото диспергиране, но и интензифицира ранната хидратация. На практика това означава, че мощният ултразвук би могъл да помогне на производителите да използват шлаката по-ефективно, без да жертват ранните експлоатационни показатели.

 

 

Сонофрагментацията прави по-едрите фракции шлака по-полезни

Особено ценен резултат е ефективното активиране на сравнително едри фракции GBFS. Изследването установява, че фракцията шлака 125–250 μm осигурява най-добрата ранна якост и якост на 28 дни, когато се комбинира с отделяне на частици от депонирана шлака и обработка с мощен ултразвук.
Това има промишлено значение, тъй като смилането на шлаката до много фини размери е енергоемко. Ако ултразвуковата обработка подобрява реакционната способност на по-едрите или депонираните фракции GBFS, производителите могат да намалят необходимостта от смилане, да подобрят ефективността на използване на суровините и да използват по-добре потоците от вторични материали.
 
Научете как ултразвуковото диспергиране улеснява производството на циментови разтвори, армирани с наноматериали!

Промишлено значение: мощен ултразвук за ефективно производство на цимент и строителни разтвори

За промишлените производители на цимент и строителни разтвори ултразвуковата обработка предлага няколко стратегически предимства. Тя може да бъде интегрирана като етап за интензификация на процеса при приготвяне на суспензии, активиране на свързващи вещества, диспергиране на добавки или смесване на строителни разтвори с високи експлоатационни показатели. Технологията е особено привлекателна за продукти, които зависят от разпределението на фините частици, бързата хидратация и оптимизираното използване на допълнителни циментиращи материали.

Промишлените предимства на производството на цимент с ултразвук включват:

• По-висока ранна якост без увеличаване на съдържанието на клинкер
• По-добро активиране на GBFS и други допълнителни циментиращи материали
• Подобрено използване на едри или депонирани фракции шлака
• Намалена агломерация в циментиращите суспензии
• По-постоянно поведение при хидратация и втвърдяване
• Потенциално намаляване на интензивността на смилане за избрани потоци шлака
• Подобрени експлоатационни показатели на циментови състави с ниско съдържание на клинкер и нисък въглероден отпечатък

Това прави ултразвуковата обработка особено важна за производството на устойчив цимент, шлаков цимент, строителни разтвори с високи експлоатационни показатели, сглобяеми елементи, ремонтни материали и специализирани строителни продукти.

Ултразвуковата обработка като средство за технология за цимент с нисък въглероден отпечатък

Циментовата промишленост е под натиск да намали емисиите на CO₂, а намаляването на клинкерния фактор е един от най-преките начини за това. По-високите нива на заместване с GBFS, летлива пепел, калцинирана глина или други допълнителни циментиращи материали обаче могат да забавят развитието на ранната якост. Мощният ултразвук може да помогне за преодоляването на това ограничение чрез подобряване на диспергирането, активиране на частиците и ускоряване на ранната хидратация.
Ултразвуковата обработка може да направи циментовите пасти с добавена шлака по-реакционноспособни и механично по-здрави, особено когато процесът е оптимизиран спрямо размерната фракция на частиците и времето за обработка. Тази комбинация е особено важна за разработването на свързващи вещества в промишлен мащаб.

Ултразвукови апарати Hielscher за подобрена хидратация и якост на цимента и реакционна способност на шлаката

Проточните ултразвукови апарати Hielscher са мощно средство за подобряване на хидратацията и якостта на цимента, особено в циментиращи системи с добавена шлака.
За промишлена деагломерация и диспергиране на цимент високопроизводителните ултразвукови апарати Hielscher осигуряват интензивното кавитационно срязване, необходимо за разбиване на агломератите от цимент, шлака и минерални пълнители до фино диспергирани частици, като подобряват омокрянето на частиците, активирането на повърхността и хомогенността в циментиращите суспензии. Системите Hielscher се предлагат от настолен и пилотен мащаб до издръжливи производствени системи с висок капацитет, включително проточни ултразвукови апарати с висока мощност за непрекъсната обработка на циментови инжекционни смеси и минерални суспензии. Това позволява пряко мащабиране на разработването на процеса от научноизследователска и развойна дейност до пълен промишлен производствен капацитет. Чрез премахване или намаляване на необходимостта от смилащи тела ултразвуковата деагломерация опростява обработката, свежда до минимум рисковете от замърсяване и намалява усилията за почистване, като същевременно осигурява възпроизводимо качество на диспергиране. Ето защо за производителите на цимент и строителни разтвори ултразвуковите апарати Hielscher предлагат практичен път към по-еднородни системи от свързващи вещества, подобрена кинетика на хидратацията, по-добро използване на GBFS и други допълнителни циментиращи материали и състави с ниско съдържание на клинкер и по-високи експлоатационни показатели.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите системи с мощен ултразвук:

Проектиране, производство и консултиране – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. Издръжливостта и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови апарати, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

---

---

 

Литература / Източници

• Peters S., Stöckigt M., Rößler C. (2009): Influence of power-ultrasound on the fluidity and setting of Portland cement pastes. In: Proceedings of the 17th International Conference on Building Materials (ibausil). Vol 1. Weimar, Germany; 2009. 259-264.
• Paweł Lisowski, Daria Jóźwiak-Niedźwiedzka, Magdalena Osial, Kamil Bochenek, Piotr Denis, Michał A. Glinicki (2024): Power ultrasound-assisted enhancement of granulated blast furnace slag reactivity in cement paste. Cement and Concrete Composites, Volume 154, 2024.
• Peters, S.; Kraus, M.; Rößler, Christiane; Ludwig, H.-M. (2011): Workability of cement suspensions Using power ultrasound to improve cement suspension workability. Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 77, 2011. 26-33.
• Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2022): Ultrasonic dispersion of hard dispersed ultrafine milled cement-based grout for water sealing of fractured hard rock. Construction and Building Materials, Volume 317, 2022.
• Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.