Ultrazvučna obrada poboljšava hidrataciju i čvrstoću cementa

Snažni ultrazvuk, poznat i kao sonikacija, sve više privlači pažnju kao praktična tehnologija intenzifikacije u proizvodnji cementa i morta. Nedavna istraživanja pokazuju da ultrazvučna obrada može poboljšati disperziju čestica, aktivirati dodatne cementne materijale, kao što je granulirana zgura visoke peći (GBFS), ubrzati hidrataciju, rafinirati strukturu pora i značajno povećati čvrstoću u ranoj starosti.

Cement i mort s dodatkom zgure veće učinkovitosti uz snažni ultrazvuk

U proizvodnji cementa i morta jedan od glavnih tehničkih izazova je učinkovito korištenje dodatnih cementnih materijala. Granulirana zgura visoke peći, odnosno GBFS, široko se koristi za smanjenje udjela klinkera i poboljšanje održivosti. Međutim, grube ili aglomerirane čestice zgure često sporo reagiraju, što ograničava razvoj rane čvrstoće. Sonikacija nudi obećavajuće rješenje: koristi akustičnu kavitaciju visokog intenziteta za dispergiranje aglomerata, fragmentiranje čestica i povećanje broja reaktivnih nukleacijskih mjesta unutar cementne matrice.

Zašto je sonikacija važna za hidrataciju cementa

Prednost sonikacije leži u njenoj sposobnosti da djeluje direktno na sistem čestica prije i tokom rane hidratacije. U cementnoj suspenziji ultrazvučna kavitacija stvara lokalizirane smične sile, mikromlazeve i fluktuacije pritiska. Ti učinci pomažu u razbijanju aglomerata, dispergiranju finih čestica i otkrivanju svježih mineralnih površina.
Za proizvođače cementa i morta to je važno jer je hidratacija u velikoj mjeri određena površinom. Bolja disperzija i manje reaktivne čestice mogu povećati kontakt između vode, faza klinkera i čestica zgure. To može dovesti do brže oslobođene toplote, poboljšanog ranog očvršćivanja i gušće mikrostrukture.
U sistemima s dodatkom zgure sonikacija je posebno relevantna jer GBFS često zahtijeva aktivaciju. Ultrazvučna fragmentacija čestica – takozvana sonofragmentacija – čestica GBFS-a smanjuje veličinu čestica, naročito u frakciji od 125–250 μm.

Ključne prednosti sonikacije u proizvodnji cementa i morta

Snažni ultrazvuk podržava industrijsku proizvodnju cementa i morta na nekoliko načina:

• Poboljšana disperzija čestica: Sonikacija pomaže da se čestice cementa, zgure i finih minerala ravnomjernije dispergiraju u pasti ili mješavini morta.
• Smanjena aglomeracija: Ultrazvučna obrada može razbiti nakupine čestica i može spriječiti ponovnu aglomeraciju tokom miješanja.
• Usitnjavanje zrna: Grublje čestice zgure mogu se fragmentirati u finije frakcije, čime se povećava raspoloživa površina.
• Više nukleacijskih mjesta: Fragmentirane čestice GBFS-a mogu djelovati kao nukleacijski centri za produkte hidratacije u cementnoj matrici.
• Ubrzana hidratacija: Bolja disperzija i izložene površine mogu povećati kumulativno oslobađanje toplote i rano očvršćivanje.
• Veća rana čvrstoća: Sonicirane cementne paste s dodatkom zgure mogu pokazati znatna povećanja čvrstoće na pritisak i savijanje već nakon samo dva dana.
• Poboljšana mikrostruktura: Sonikacija može povećati pokazatelje nanoporoznosti i izmijeniti strukturu pora, naročito u rasponu pora od 2–10 nm.

Utjecaj snažne ultrazvučne obrade (PUS) na brzinu ultrazvučnog impulsa u cementnim pastama koje hidratiziraju

Brže vezivanje i rana čvrstoća kod predgotovljenog betona uz snažni ultrazvuk

Studija „Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes“ autora Ch. Rößler istražuje paste portland cementa na bazi CEM I 42,5 R, s omjerom v/c od 0,37 i 0,1% poliakrilatnog superplastifikatora. U studiji je korišten Hielscher UIP1000hd sonikator u protočnoj postavci kako bi se procijenilo može li snažni ultrazvuk ubrzati hidrataciju, poboljšati fluidnost, skratiti vezivanje i povećati ranu čvrstoću.
Rezultati pokazuju da snažni ultrazvuk (PUS) ubrzava glavni period hidratacije. Temperaturna kriva pokazuje raniji vrhunac hidratacije, dok su slike mikrostrukture nakon pet sati pokazale veće C-S-H faze u pasti tretiranoj ultrazvukom nego u referentnoj.
Postignute ključne prednosti:

• Veća fluidnost: slijeganje se povećalo sa 122 mm u referentnoj pasti na 158 mm nakon PUS obrade.
• Brže vezivanje: početak vezivanja skraćen je s 5 h 15 min na 3 h 45 min, a kraj vezivanja sa 6 h 45 min na 4 h 30 min.
• Ubrzano očvršćivanje: brzina ultrazvučnog impulsa ukazivala je na otprilike 2 sata brže očvršćivanje.
• Veća rana čvrstoća: prizme morta proizvedene od paste cementa tretirane PUS-om pokazale su povećanu čvrstoću na pritisak tokom prvih 24 sata.
• Potencijal za ekonomičnost procesa: autori su procijenili da bi unos energije od približno 10 kWh/m³ cementne paste mogao ubrzati vezivanje i ranu čvrstoću za oko dva sata, uz naznačene troškove od ≤ 1 Euro/m³ betona.
• Smanjena potreba za aditivima: budući da je PUS povećao fluidnost, autori su zaključili da bi se doziranje superplastifikatora potencijalno moglo smanjiti.

Ovi rezultati su naročito relevantni za proizvodnju predgotovljenog betona, gdje brže vezivanje i rana čvrstoća mogu smanjiti vrijeme oplate, potrebu za grijanjem i trajanje proizvodnih ciklusa.

Vickersova tvrdoća i modul elastičnosti C + S pasti pripremljenih konvencionalno i uz primjenu snažnog ultrazvuka nakon 28 d.
Grafikoni i studija: ©Lisowski et al. 2024.

Veća rana čvrstoća cementne paste s dodatkom GBFS-a

Jedan od najvažnijih nalaza za industrijske primjene cementa i morta je poboljšanje čvrstoće u ranoj starosti. Prema Lisowski et al. (2024), obrada cementnih pasti koje sadrže 20% deponiranog GBFS-a pulsirajućim ultrazvukom dala je znatno veću čvrstoću nakon dva dana. Prijavljena povećanja dosegla su do 132% kod čvrstoće na pritisak i 58% kod čvrstoće na savijanje.
Ovo je veoma relevantno za predgotovljeni beton, suhe mortove, sanacijske mortove, ljepila za pločice i druge cementne proizvode kod kojih su rano vađenje iz kalupa, rana čvrstoća za rukovanje ili brz napredak gradnje ekonomski važni.
Povećanje čvrstoće bilo je u korelaciji s povećanom kumulativnom toplotom očvršćivanja, što upućuje na to da sonikacija ne poboljšava samo fizičku disperziju, nego i intenzivira ranu hidrataciju. U praktičnom smislu to znači da bi snažni ultrazvuk mogao pomoći proizvođačima da efikasnije koriste zguru bez žrtvovanja rane učinkovitosti.

SEM snimke uzorka paste cement-GBFS C + S koje upoređuju učinak bez snažnog ultrazvuka i sa njim nakon 28 d.
Snimke i studija: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentacija čini grublje frakcije zgure korisnijima

Posebno vrijedan rezultat je učinkovita aktivacija relativno grubih frakcija GBFS-a. Studija je utvrdila da je frakcija zgure od 125–250 μm dala najbolju čvrstoću u ranoj starosti i nakon 28 dana kada je kombinirana s odvajanjem deponiranih čestica zgure i obradom snažnim ultrazvukom.
Ovo je industrijski značajno jer je mljevenje zgure do veoma finih veličina energetski intenzivno. Ako sonikacija poboljšava reaktivnost grubljih ili deponiranih frakcija GBFS-a, proizvođači mogu smanjiti potrebu za mljevenjem, poboljšati efikasnost korištenja sirovina i bolje iskoristiti sekundarne tokove materijala.

Saznajte kako ultrazvučna disperzija olakšava proizvodnju nanoojačanih cementnih mortova!

Industrijska relevantnost: snažni ultrazvuk za učinkovitu proizvodnju cementa i morta

Za industrijske proizvođače cementa i morta sonikacija nudi nekoliko strateških prednosti. Može se integrirati kao korak intenzifikacije procesa tokom pripreme suspenzije, aktivacije veziva, disperzije aditiva ili miješanja visokoučinkovitog morta. Tehnologija je posebno privlačna za proizvode koji ovise o finoj raspodjeli čestica, brzoj hidrataciji i optimiziranom korištenju dodatnih cementnih materijala.

• Veća rana čvrstoća bez povećanja udjela klinkera
• Bolja aktivacija GBFS-a i drugih dodatnih cementnih materijala
• Bolje korištenje grubih ili deponiranih frakcija zgure
• Smanjena aglomeracija u cementnim suspenzijama
• Konzistentnije ponašanje hidratacije i očvršćivanja
• Potencijalno smanjenje intenziteta mljevenja za odabrane tokove zgure
• Poboljšane performanse formulacija cementa s niskim udjelom klinkera i niskim udjelom ugljika

Zbog toga je sonikacija veoma relevantna za proizvodnju održivog cementa, cementa sa zgurom, visokoučinkovitih mortova, predgotovljenih elemenata, materijala za sanaciju i specijalnih građevinskih proizvoda.

Sonikacija kao alat za tehnologiju cementa s niskim udjelom ugljika

Cementna industrija je pod pritiskom da smanji emisije CO₂, a snižavanje faktora klinkera jedan je od najdirektnijih puteva. Međutim, veći nivoi zamjene s GBFS-om, letećim pepelom, kalciniranom glinom ili drugim dodatnim cementnim materijalima mogu usporiti razvoj rane čvrstoće. Snažni ultrazvuk može pomoći u prevladavanju ovog uskog grla poboljšanjem disperzije, aktiviranjem čestica i ubrzavanjem rane hidratacije.
Sonikacija može učiniti cementne paste s dodatkom zgure reaktivnijima i mehanički čvršćima, naročito kada je proces optimiziran s obzirom na frakciju veličine čestica i trajanje obrade. Ta kombinacija je veoma relevantna za inženjerstvo veziva u industrijskom mjerilu.

Hielscher sonikatori za poboljšanu hidrataciju cementa, čvrstoću i reaktivnost zgure

Hielscher inline sonikatori snažan su alat za poboljšanje hidratacije i čvrstoće cementa, naročito u cementnim sistemima s dodatkom zgure.
Za industrijsku deaglomeraciju i disperziju cementa Hielscher visokoučinkoviti sonikatori pružaju intenzivne kavitacijske smične sile potrebne za razbijanje aglomerata cementa, zgure i mineralnih punila u fino dispergirane čestice, čime se poboljšavaju kvašenje čestica, aktivacija površine i homogenost u cementnim suspenzijama. Hielscher sistemi dostupni su od laboratorijskog i pilot mjerila do robusnih proizvodnih sistema velikog protoka, uključujući inline sonikatore velike snage za kontinuiranu obradu cementnog injekcijskog morta i mineralnih suspenzija. Zahvaljujući tome razvoj procesa direktno je skalabilan od istraživanja i razvoja do punog industrijskog protoka. Eliminiranjem ili smanjenjem potrebe za mlevnim tijelima, ultrazvučna deaglomeracija pojednostavljuje obradu, smanjuje rizik od kontaminacije i smanjuje napor čišćenja, uz istovremeno postizanje ponovljivog kvaliteta disperzije. Za proizvođače cementa i morta Hielscher sonikatori stoga nude praktičan put prema ujednačenijim sistemima veziva, poboljšanoj kinetici hidratacije, boljem korištenju GBFS-a i drugih dodatnih cementnih materijala te visokoučinkovitijim formulacijama s niskim udjelom klinkera.

Tabela u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših sistema snažnog ultrazvuka:

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske pogone. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s grubim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su u skladu s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.