Ultrazvuk zlepšuje hydrataci a pevnost cementu

Výkonný ultrazvuk, známý také jako sonikace, si získává pozornost jako praktická technologie pro intenzifikaci výroby cementu a malty. Nejnovější výzkumy ukazují, že ultrazvuková úprava může zlepšit disperzi částic, aktivovat doplňkové cementové materiály, jako je granulovaná vysokopecní struska (GBFS), urychlit hydrataci, zjemnit pórovitou strukturu a výrazně zvýšit pevnost v raném stádiu.

Vysoce výkonný cement a malta s příměsí strusky vyrobené pomocí výkonného ultrazvuku

Při výrobě cementu a malt je jednou z hlavních technických výzev efektivní využití cementových přísad. Granulovaná vysokopecní struska (GBFS) se široce používá ke snížení obsahu slínku a ke zlepšení udržitelnosti. Hrubé nebo aglomerované částice strusky však často reagují pomalu, což omezuje raný vývoj pevnosti. Slibným řešením je sonikace: využívá vysoce intenzivní akustickou kavitaci k rozptýlení aglomerátů, rozdrcení částic a zvýšení počtu reaktivních míst nukleace uvnitř cementové matrice.

Proč je sonikace důležitá pro hydrataci cementu

Výhoda ultrazvukového zpracování spočívá v jeho schopnosti působit přímo na systém částic před hydratací a v její rané fázi. V cementové suspenzi vytváří ultrazvuková kavitace lokální smykové síly, mikroproudy a kolísání tlaku. Tyto jevy napomáhají rozrušování aglomerátů, disperzi jemných částic a odhalení čerstvých povrchů minerálů.
Pro výrobce cementu a malty je to důležité, protože hydratace je do značné míry závislá na povrchu. Lepší disperze a menší reaktivní částice mohou zvýšit kontakt mezi vodou, fázemi slínku a částicemi strusky. To může vést k rychlejšímu uvolňování tepla, lepšímu počátečnímu tuhnutí a hustší mikrostruktuře.
V systémech s příměsí strusky má ultrazvukové zpracování zvláštní význam, protože GBFS často vyžaduje aktivaci. Fragmentace částic pomocí ultrazvuku – tzv. sonofragmentace – GBFS částic snižuje velikost částic, zejména frakci o velikosti 125–250 μm.

Hlavní výhody ultrazvukového zpracování při výrobě cementu a malty

Výkonný ultrazvuk podporuje průmyslovou výrobu cementu a malty několika způsoby:

• Lepší rozptyl částic: Ultrazvuk pomáhá rovnoměrněji rozptýlit cement, strusku a jemné minerální částice v pastě nebo maltové směsi.
• Snížená aglomerace: Ultrazvuková úprava může rozbít shluky částic a může zabránit jejich opětovnému shlukování během míchání.
• Zušlechťování zrna: Hrubší částice strusky lze rozdrtit na jemnější frakce, čímž se zvětší dostupný povrch.
• Další místa nukleace: Rozdrobené částice GBFS mohou v cementové matrici sloužit jako nukleační centra pro hydratační produkty.
• Zrychlená hydratace: Lepší rozptyl a větší plocha povrchu mohou zvýšit celkové uvolňování tepla a urychlit tuhnutí.
• Vyšší počáteční pevnost: Cementové pasty s příměsí strusky, které prošly ultrazvukovou úpravou, mohou již po dvou dnech vykazovat výrazné zvýšení pevnosti v tlaku a v ohybu.
• Vylepšená mikrostruktura: Ultrazvukové ošetření může zvýšit ukazatele nanopórovitosti a změnit strukturu pórů, zejména v rozmezí velikostí pórů 2–10 nm.

Vliv výkonové ultrazvuku (PUS) na ultrazvukovou pulzní rychlost hydratačních cementových past

Rychlejší tuhnutí a včasná pevnost prefabrikovaného betonu díky vysokovýkonnému ultrazvuku

Studie “Vliv výkonového ultrazvuku na tekutost a tuhnutí portlandských cementových past” Studie Ch. Rößlera se zabývá portlandskými cementovými pastami na bázi cementu CEM I 42,5 R, s poměrem voda/cement 0,37 a 0,1 % polyakrylátového superplastifikátoru. Ve studii byl použit ultrazvukový generátor Hielscher UIP1000hd v průtokovém uspořádání s cílem posoudit, zda výkonový ultrazvuk může urychlit hydrataci, zlepšit tekutost, zkrátit dobu tuhnutí a zvýšit počáteční pevnost.
Výsledky ukazují, že výkonový ultrazvuk (PUS) urychluje hlavní fázi hydratace. Teplotní křivka ukazuje dřívější vrchol hydratace, zatímco snímky mikrostruktury po pěti hodinách odhalily větší fáze C-S-H v pastě ošetřené ultrazvukem než v referenčním vzorku.
Hlavní dosažené výhody:

• Vyšší tekutost: Hloubka sednutí se zvýšila ze 122 mm u referenční pasty na 158 mm po ošetření PUS.
• Rychlejší nastavení: Úvodní set byl zkrácen z 5 hodin 15 minut na 3 hodiny 45 minut a závěrečný set z 6 hodin 45 minut na 4 hodiny 30 minut.
• Zrychlené tuhnutí: Rychlost ultrazvukového pulzu naznačovala ztvrdnutí přibližně o 2 hodiny rychlejší.
• Vyšší počáteční pevnost: Maltové hranoly vyrobené z cementové pasty upravené PUS vykazovaly během prvních 24 hodin zvýšenou pevnost v tlaku.
• Potenciál z hlediska úspory nákladů na proces: Autoři odhadli, že energetický vklad ve výši přibližně 10 kWh/m³ cementové pasty by mohl urychlit tuhnutí a dosažení počáteční pevnosti přibližně o dvě hodiny, přičemž uvedené náklady činí ≤ 1 euro/m³ betonu.
• Snížená poptávka po přísadách: Vzhledem k tomu, že PUS zvýšil tekutost, autoři dospěli k závěru, že by bylo možné snížit dávku superplastifikátoru.

Tyto výsledky mají zvláštní význam pro výrobu prefabrikátů z betonu, kde rychlejší tuhnutí a včasné dosažení pevnosti mohou zkrátit dobu bednění, snížit spotřebu tepla a zkrátit výrobní cykly.

Tvrdost podle Vickera a modul pružnosti past C + S připravených konvenčním způsobem a za použití výkonného ultrazvuku po 28 dnech.
Grafy a studie: ©Lisowski et al. 2024.

Vyšší počáteční pevnost cementové pasty s příměsí GBFS

Jedním z nejdůležitějších zjištění pro průmyslové aplikace cementu a malt je zlepšení pevnosti v raném stádiu tuhnutí. Podle Lisowského a kol. (2024) vedlo ošetření cementových past pulzním ultrazvukem, obsahujících 20 % usazeného GBFS, k dosažení výrazně vyšší pevnosti po dvou dnech. Uvedené nárůsty dosáhly až 132 % u pevnosti v tlaku a 58 % u pevnosti v ohybu.
To má zásadní význam zejména u prefabrikátů z betonu, suchých maltových směsí, opravných malt, lepidel na obklady a dalších cementových výrobků, u nichž je z ekonomického hlediska důležité včasné vyformování, včasná manipulační pevnost nebo rychlý postup výstavby.
Zvýšení pevnosti korelovalo se zvýšeným kumulativním teplem tuhnutí, což naznačuje, že sonikace nezlepšuje pouze fyzikální disperzi, ale také urychluje počáteční hydrataci. V praxi to znamená, že výkonový ultrazvuk by mohl výrobcům pomoci efektivněji využívat strusku, aniž by došlo ke snížení počátečních vlastností.

Snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM) vzorku C + S z cementovo-GBFS pasty, na nichž je porovnán účinek bez a s použitím výkonného ultrazvuku po 28 dnech.
Obrázky a studie: ©Lisowski et al. 2024.

Díky sonofragmentaci se hrubší frakce strusky stávají užitečnějšími

Zvláště cenným výsledkem je účinná aktivace relativně hrubých frakcí GBFS. Studie prokázala, že frakce strusky o velikosti 125–250 μm dosáhla nejlepší pevnosti v raném stádiu i po 28 dnech, pokud byla kombinována s separací usazených částic strusky a ošetřením výkonovým ultrazvukem.
Z průmyslového hlediska je to významné, protože mletí strusky na velmi jemnou frakci je energeticky náročné. Pokud ultrazvukové ošetření zvýší reaktivitu hrubších nebo usazených frakcí GBFS, mohou výrobci snížit nároky na mletí, zlepšit účinnost využití surovin a lépe využít toky sekundárních materiálů.
 
Zjistěte, jak ultrazvuková disperze usnadňuje výrobu cementových malt vyztužených nanomateriály!

Průmyslový význam: Vysoce výkonný ultrazvuk pro efektivní výrobu cementu a malty

Pro průmyslové výrobce cementu a malt nabízí ultrazvuková technologie několik strategických výhod. Lze ji začlenit jako krok k intenzifikaci procesu při přípravě suspenze, aktivaci pojiva, dispergaci přísad nebo míchání vysoce výkonných malt. Tato technologie je obzvláště atraktivní pro výrobky, u nichž záleží na rozložení jemných částic, rychlé hydrataci a optimalizovaném využití cementových přísad.

• Vyšší počáteční pevnost bez zvýšení obsahu slínku
• Lepší aktivace GBFS a dalších doplňkových cementových materiálů
• Lepší využití hrubých frakcí strusky nebo usazených frakcí strusky
• Snížená aglomerace v cementových suspenzích
• Konzistentnější průběh hydratace a vytvrzování
• Možné snížení intenzity mletí u vybraných toků strusky
• Zlepšení vlastností cementových směsí s nízkým obsahem slínku a nízkou uhlíkovou stopou

Díky tomu je ultrazvuková technologie velmi důležitá pro výrobu udržitelného cementu, struskového cementu, vysoce výkonných malt, prefabrikovaných prvků, opravných materiálů a speciálních stavebních výrobků.

Ultrazvuková обробка jako nástroj pro technologii výroby cementu s nízkými emisemi uhlíku

Cementářský průmysl čelí tlaku na snižování emisí CO₂, přičemž snížení faktoru slínku představuje jednu z nejpřímějších cest. Vyšší podíl náhradních materiálů, jako jsou GBFS, popílek, kalcinovaná hlína nebo jiné doplňkové cementové materiály, však může zpomalit raný vývoj pevnosti. Vysoce výkonný ultrazvuk může pomoci překonat tento problém tím, že zlepší disperzi, aktivuje částice a urychlí počáteční hydrataci.
Ultrazvukové ošetření může zvýšit reaktivitu a mechanickou pevnost cementových past s příměsí strusky, zejména pokud je tento proces optimalizován z hlediska velikostní frakce částic a doby zpracování. Tato kombinace má velký význam pro vývoj pojiv v průmyslovém měřítku.

Ultrazvukové přístroje Hielscher pro zlepšení hydratace cementu, pevnosti a reaktivity strusky

Inline sonikátory společnosti Hielscher představují účinný nástroj ke zlepšení hydratace a pevnosti cementu, zejména v cementových systémech s přídavkem strusky.
Pro průmyslovou deaglomeraci a disperzi cementu poskytují vysoce výkonné ultrazvukové přístroje společnosti Hielscher intenzivní kavitační smykové síly potřebné k rozbití aglomerátů cementu, strusky a minerálních plniv na jemně rozptýlené částice, čímž zlepšují smáčení částic, aktivaci povrchu a homogenitu cementových suspenzí. Systémy Hielscher jsou k dispozici od stolních a pilotních zařízení až po robustní vysoce výkonné výrobní systémy, včetně vysoce výkonných inline sonikátorů pro kontinuální zpracování cementových malt a minerálních suspenzí. Díky tomu je vývoj procesů přímo škálovatelný od R&Od D až po plný průmyslový výkon. Díky eliminaci či omezení potřeby mlecích těles ultrazvuková deaglomerace zjednodušuje zpracování, minimalizuje rizika kontaminace a snižuje náročnost čištění, přičemž zajišťuje reprodukovatelnou kvalitu disperze. Pro výrobce cementu a malty proto sonikátory společnosti Hielscher představují praktickou cestu k jednotnějším pojivovým systémům, zlepšené kinetice hydratace, lepšímu využití GBFS a dalších doplňkových cementových materiálů a výkonnějším recepturám s nízkým obsahem slínku.

Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich systémů s výkonovým ultrazvukem:

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference