Ултразвуковата обработка подобрява хидратацията и якостта на цимента

Мощният ултразвук, известен още като соникация, привлича все по-голямо внимание като практична технология за интензифициране на производството на цимент и строителни разтвори. Последните изследвания показват, че ултразвуковата обработка може да подобри дисперсията на частиците, да активира допълнителните циментови материали, като например гранулирана доменна шлака (GBFS), да ускори хидратацията, да усъвършенства порестата структура и значително да повиши ранната якост.

Цимент и хоросан с добавка от шлака с по-високи експлоатационни характеристики, произведени с помощта на мощен ултразвук

При производството на цимент и строителни разтвори едно от основните технически предизвикателства е ефективното използване на допълнителни циментови материали. Гранулираната доменна шлака (GBFS) се използва широко за намаляване на съдържанието на клинкер и подобряване на устойчивостта. Въпреки това грубите или агломерираните частици шлака често реагират бавно, което ограничава ранното развитие на якостта. Ултразвуковата обработка предлага обещаващо решение: тя използва високоинтензивна акустична кавитация за разпръскване на агломератите, фрагментиране на частиците и увеличаване на броя на реактивните места за ядрена кристализация в циментовата матрица.

Защо ултразвуковото третиране е важно за хидратацията на цимента

Предимството на ултразвуковата обработка се състои в способността ѝ да въздейства директно върху системата от частици преди и по време на ранната хидратация. В циментовата суспензия ултразвуковата кавитация генерира локализирани срязващи сили, микроструи и колебания в налягането. Тези ефекти спомагат за разбиването на агломератите, диспергирането на фините частици и разкриването на свежи минерални повърхности.
За производителите на цимент и строителни разтвори това е важно, тъй като хидратацията се дължи в голяма степен на повърхностните процеси. По-доброто разпръскване и по-малките реактивни частици могат да увеличат контакта между водата, фазите на клинкер и частиците шлака. Това може да доведе до по-бързо отделяне на топлина, по-добро ранно втвърдяване и по-плътна микроструктура.
При системите със смес от шлака ултразвуковата обработка е особено важна, тъй като GBFS често се нуждае от активиране. Ултразвуково раздробяване на частиците – т.нар. сонофрагментация – на частиците от GBFS води до намаляване на размера на частиците, по-специално на 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 разпръскване на частиците: Ултразвуковата обработка спомага за по-равномерното разпределение на цимент, шлака и фини минерални частици в пастата или строителната смес.
• Намалено агломериране: Ултразвуковата обработка може да разбие струпванията от частици и да попречи на повторното им слепване по време на смесването.
• Рафиниране на зърното: По-едрите частици шлака могат да бъдат раздробени на по-фини фракции, което увеличава наличната повърхност.
• Още места за ядково образуване: Фрагментираните частици GBFS могат да действат като центрове на нуклеация за продуктите на хидратацията в циментовата матрица.
• Ускорена хидратация: По-доброто разпределение и по-голямата изложена повърхност могат да доведат до увеличаване на кумулативното отделяне на топлина и до по-ранно втвърдяване.
• По-висока ранна якост: Циментовите пасти, смесени с шлака и обработени с ултразвук, могат да покажат значително повишение на якостта на натиск и на огъване още след два дни.
• Подобрена микроструктура: Ултразвуковата обработка може да повиши показателите за нанопорестост и да промени структурата на порите, особено в диапазона на порите 2–10 nm.

 

По-бързо втвърдяване и ранна якост на сглобяемия бетон с помощта на мощен ултразвук

Изследването “Влияние на силовия ултразвук върху течливостта и втвърдяването на портландциментовите пасти” В изследването на Ч. Рьослер се разглеждат пасти от портландски цимент на базата на CEM I 42.5 R, със съотношение вода/цимент 0,37 и 0,1% полиакрилатен суперпластификатор. В проучването е използван ултразвуков апарат Hielscher UIP1000hd в конфигурация с непрекъснат поток, за да се оцени дали мощният ултразвук може да ускори хидратацията, да подобри течливостта, да съкрати времето за втвърдяване и да повиши ранната якост.
Резултатите показват, че мощният ултразвук (PUS) ускорява основния период на хидратация. Кривата на температурата показва по-ранен пик на хидратацията, докато изображенията на микроструктурата след пет часа показаха по-големи C-S-H фази в пастата, подложена на ултразвуково въздействие, в сравнение с контролната проба.
Основни постигнати предимства:

• По-голяма течливост: Спада се увеличи от 122 мм в контролната паста до 158 мм след обработка с PUS.
• По-бързо втвърдяване: първият сет беше съкратен от 5 часа и 15 минути на 3 часа и 45 минути, а последният – от 6 часа и 45 минути на 4 часа и 30 минути.
• Ускорено втвърдяване: Скоростта на ултразвуковия импулс показа, че втвърдяването е настъпило с около 2 часа по-рано.
• По-висока ранна якост: Призмите от хоросан, изработени от циментова паста, обработена с PUS, показаха повишена якост на натиск през първите 24 часа.
• Потенциал за оптимизация на процесите: Авторите са изчислили, че енергиен приток от приблизително 10 kWh/m³ циментова паста би могъл да ускори втвърдяването и ранната якост с около два часа, като посочената цена е ≤ 1 евро/m³ бетон.
• Намалено търсене на добавки: тъй като PUS повишава течливостта, авторите стигат до заключението, че дозата на суперпластификатора би могла да бъде намалена.

Тези резултати са особено важни за производството на сглобяеми бетонни елементи, където по-бързото втвърдяване и ранната якост могат да намалят времето за кофраж, потребността от отопление и продължителността на производствения цикъл.

 

 

По-голяма ранна якост при циментовата паста с добавка GBFS

Едно от най-важните открития за промишлените приложения на цимента и строителните разтвори е подобрението на якостта в ранния етап на втвърдяване. Според Lisowski и др. (2024) обработката с импулсен ултразвук на циментови пасти, съдържащи 20 % отложени GBFS, е довела до значително по-висока якост след два дни. Отчетените увеличения достигат до 132 % при якостта на натиск и до 58 % при якостта на огъване.
Това е от голямо значение за готовите бетонни елементи, сухите строителни смеси, ремонтните разтвори, лепилата за плочки и други циментови продукти, при които ранното изваждане от калъпа, ранната якост при манипулиране или бързият напредък на строителството са от икономическо значение.
Увеличението на якостта беше свързано с повишена кумулативна топлина на втвърдяване, което сочи, че ултразвуковата обработка не само подобрява физическото разпръскване, но и ускорява ранната хидратация. На практика това означава, че мощният ултразвук може да помогне на производителите да използват шлаката по-ефективно, без да се жертват ранните експлоатационни характеристики.

 

 

Сонoфрагментацията повишава полезността на по-едрите фракции на шлаката

Особено ценен резултат е ефективната активация на относително едрозърнестите фракции на GBFS. Проучването установи, че шлаковата фракция с размер 125–250 μm осигурява най-добрата якост в ранния етап и на 28-ия ден, когато се комбинира с отделяне на отложените шлакови частици и обработка с мощни ултразвукови вълни.
Това е важно от промишлена гледна точка, тъй като смилането на шлаката до много фини частици е енергоемко. Ако ултразвуковата обработка подобри реактивността на по-едрите или отложените фракции от GBFS, производителите могат да намалят необходимостта от смилане, да подобрят ефективността на суровините и да използват по-добре вторичните материални потоци.
 
Разберете как ултразвуковата дисперсия улеснява производството на наноармирани циментови разтвори!

Приложение в промишлеността: Мощен ултразвук за ефективно производство на цимент и строителни разтвори

За производителите на промишлен цимент и строителни разтвори ултразвуковата обработка предлага редица стратегически предимства. Тя може да бъде интегрирана като етап за интензифициране на процеса при подготовката на суспензията, активирането на свързващото вещество, диспергирането на добавките или смесването на висококачествени строителни разтвори. Технологията е особено привлекателна за продукти, при които е важно равномерното разпределение на фините частици, бързата хидратация и оптимизираното използване на допълнителни циментови материали.

Предимствата за промишлеността при производството на цимент чрез ултразвук включват:

• По-висока ранна якост без увеличаване на съдържанието на клинкер
• По-добра активация на GBFS и други допълнителни циментови материали
• По-ефективно използване на едри или отложени фракции от шлака
• Намалено агломериране в циментови суспензии
• По-постоянно хидратиране и поведение при втвърдяване
• Възможно намаляване на интензивността на смилане за избрани потоци от шлака
• Подобрени експлоатационни характеристики на циментови състави с ниско съдържание на клинкер и ниски въглеродни емисии

Това прави ултразвуковата обработка изключително подходяща за производството на екологичен цимент, шлаков цимент, висококачествени строителни разтвори, сглобяеми елементи, ремонтни материали и специализирани строителни продукти.

Ултразвуковата обработка като инструмент за технологии за производство на цимент с ниски въглеродни емисии

Циментовата промишленост е под натиск да намали емисиите на CO₂, а понижаването на клинкерния фактор е един от най-преките начини за това. Въпреки това, по-високите нива на заместване с GBFS, пепел, калцинирана глина или други допълнителни циментови материали могат да забавят развитието на ранната якост. Мощният ултразвук може да помогне за преодоляването на това затруднение чрез подобряване на дисперсията, активиране на частиците и ускоряване на ранната хидратация.
Ултразвуковата обработка може да направи циментовите пасти, смесени със шлака, по-реактивни и механично по-здрави, особено когато процесът е оптимизиран по отношение на фракцията на размера на частиците и времето на обработка. Тази комбинация е от голямо значение за разработването на свързващи вещества в промишлен мащаб.

Устройства за ултразвукова обработка на Hielscher за подобряване на хидратацията на цимента, якостта и реактивността на шлаката

Инлайн ултразвуковите апарати на Hielscher са мощен инструмент за подобряване на хидратацията и якостта на цимента, особено в циментови системи със добавка на шлака.
За промишлено деагломериране и диспергиране на цимент високопроизводителните ултразвукови апарати на Hielscher осигуряват интензивното кавитационно срязване, необходимо за разбиване на агломератите от цимент, шлака и минерални пълнители на фино диспергирани частици, като подобряват смачиването на частиците, повърхностната активация и хомогенността в циментовите суспензии. Системите на Hielscher се предлагат в диапазон от настолни и пилотни модели до надеждни производствени системи с висока производителност, включително мощни вградени ултразвукови апарати за непрекъсната обработка на циментови разтвори и минерални суспензии. Това позволява директно мащабиране на разработката на процеса от R&От D до пълна промишлена производителност. Чрез премахване или намаляване на необходимостта от смилащи тела ултразвуковото деагломериране опростява процеса на преработка, свежда до минимум рисковете от замърсяване и намалява усилията за почистване, като същевременно осигурява възпроизводимо качество на дисперсията. За производителите на цимент и строителни разтвори соникаторите на Hielscher предлагат практичен път към по-хомогенни свързващи системи, подобрена кинетика на хидратацията, по-добро използване на GBFS и други допълнителни циментови материали, както и по-високопроизводителни формулировки с ниско съдържание на клинкер.

В таблицата по-долу е посочен приблизителният капацитет на обработка на нашите системи за мощно ултразвуково лечение:

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

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

---

---

 

Литература / Препратки

• 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.