Sonikace zlepšuje hydrataci a pevnost cementu

Výkonový ultrazvuk, známý také jako sonikace, získává pozornost jako praktická intenzifikační technologie pro výrobu cementu a malty. Nedávný výzkum ukazuje, že ultrazvukové ošetření může zlepšit disperzi částic, aktivovat doplňkové cementové materiály, jako je granulovaná vysokopecní struska (GBFS), urychlit hydrataci, zjemnit pórovou strukturu a výrazně zvýšit počáteční pevnost.

Výkonnější směsný struskový cement a malta díky výkonovému ultrazvuku

Při výrobě cementu a malty představuje jednu z hlavních technických výzev efektivní využití doplňkových cementových materiálů. Granulovaná vysokopecní struska neboli GBFS se široce používá ke snížení obsahu slínku a ke zlepšení udržitelnosti. Hrubé nebo aglomerované částice strusky však často reagují pomalu, což omezuje vývoj počáteční pevnosti. Sonikace nabízí slibné řešení: využívá vysoce intenzivní akustickou kavitaci k dispergaci aglomerátů, fragmentaci částic a zvýšení počtu reaktivních nukleačních míst v cementové matrici.

Proč je sonikace důležitá pro hydrataci cementu

Výhoda sonikace spočívá v její schopnosti působit přímo na systém částic před počáteční hydratací a během ní. V cementové suspenzi vytváří ultrazvuková kavitace lokální smykové síly, mikroproudy a tlakové fluktuace. Tyto účinky pomáhají rozbíjet aglomeráty, dispergovat jemné částice a odhalovat čerstvé minerální povrchy.
Pro výrobce cementu a malty je to důležité, protože hydratace je silně řízena povrchem. Lepší disperze a menší reaktivní částice mohou zvýšit kontakt mezi vodou, slínkovými fázemi a částicemi strusky. To může vést k rychlejšímu uvolňování tepla, zlepšenému počátečnímu tvrdnutí a hutnější mikrostruktuře.
V systémech se struskou je sonikace obzvláště relevantní, protože GBFS často vyžaduje aktivaci. Ultrazvuková fragmentace částic – tzv. sonofragmentace – částic GBFS zmenšuje velikost částic, zejména u frakce 125–250 μm.

Hlavní výhody sonikace při výrobě cementu a malty

Výkonový ultrazvuk podporuje průmyslovou výrobu cementu a malty několika způsoby:

• Zlepšená disperze částic: Sonikace pomáhá rovnoměrněji dispergovat částice cementu, strusky a jemných minerálů v pastě nebo maltové směsi.
• Snížená aglomerace: Ultrazvukové ošetření může rozbít shluky částic a může bránit reaglomeraci během míchání.
• Zjemnění zrna: Hrubší částice strusky lze fragmentovat na jemnější frakce, čímž se zvětšuje dostupný povrch.
• Více nukleačních míst: Fragmentované částice GBFS mohou v cementové matrici působit jako nukleační centra pro hydratační produkty.
• Urychlená hydratace: Lepší disperze a odhalené povrchy mohou zvýšit kumulativní uvolňování tepla a počáteční tvrdnutí.
• Vyšší počáteční pevnost: Sonikované cementové pasty se struskou mohou vykazovat podstatné zvýšení pevnosti v tlaku a pevnosti v tahu za ohybu již po pouhých dvou dnech.
• Vylepšená mikrostruktura: Sonikace může zvýšit ukazatele nanoporozity a modifikovat pórovou strukturu, zejména v oblasti pórů 2–10 nm.

Vliv výkonové sonikace (PUS) na rychlost ultrazvukových impulzů v hydratujících cementových pastách

Rychlejší tuhnutí a vyšší počáteční pevnost prefabrikovaného betonu díky výkonovému ultrazvuku

Studie „Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes“ od Ch. Rößler zkoumá pasty portlandského cementu na bázi CEM I 42,5 R s vodním součinitelem w/c 0,37 a 0,1% polyakrylátového superplastifikátoru. Ve studii byl použit sonikátor Hielscher UIP1000hd v průtočném uspořádání k posouzení, zda výkonový ultrazvuk dokáže urychlit hydrataci, zlepšit tekutost, zkrátit tuhnutí a zvýšit počáteční pevnost.
Výsledky ukazují, že výkonový ultrazvuk (PUS) urychluje hlavní periodu hydratace. Teplotní křivka vykazuje dřívější hydratační vrchol, zatímco snímky mikrostruktury po pěti hodinách ukázaly v pastě ošetřené ultrazvukem větší fáze C-S-H než v referenční pastě.
Dosažené klíčové výhody:

• Vyšší tekutost: sednutí se zvýšilo ze 122 mm u referenční pasty na 158 mm po ošetření PUS.
• Rychlejší tuhnutí: počátek tuhnutí se zkrátil z 5 h 15 min na 3 h 45 min a konec tuhnutí z 6 h 45 min na 4 h 30 min.
• Urychlené zpevňování: rychlost ultrazvukových impulzů ukázala přibližně o 2 hodiny rychlejší tvrdnutí.
• Vyšší počáteční pevnost: maltové trámečky vyrobené z cementové pasty ošetřené PUS vykazovaly během prvních 24 hodin zvýšenou pevnost v tlaku.
• Potenciál z hlediska ekonomiky procesu: autoři odhadli, že energetický vstup přibližně 10 kWh/m³ cementové pasty by mohl urychlit tuhnutí a nárůst počáteční pevnosti zhruba o dvě hodiny, přičemž uváděné náklady činí ≤ 1 euro/m³ betonu.
• Snížená potřeba přísad: protože PUS zvýšil tekutost, autoři dospěli k závěru, že by bylo potenciálně možné snížit dávkování superplastifikátoru.

Tyto výsledky jsou obzvláště relevantní pro výrobu prefabrikovaného betonu, kde rychlejší tuhnutí a vyšší počáteční pevnost mohou zkrátit dobu bednění, snížit potřebu ohřevu a zkrátit výrobní cykly.

Tvrdost podle Vickerse a modul pružnosti past C + S připravených konvenčně a s použitím výkonového ultrazvuku po 28 d.
Grafy a studie: ©Lisowski et al. 2024.

Vyšší počáteční pevnost cementové pasty s GBFS

Jedním z nejdůležitějších zjištění pro průmyslové aplikace cementu a malty je zlepšení počáteční pevnosti. Podle práce Lisowski et al. (2024) vedlo pulzní ultrazvukové ošetření cementových past obsahujících 20% deponované GBFS ke značně vyšší pevnosti po dvou dnech. Uváděné nárůsty dosáhly až 132% u pevnosti v tlaku a 58% u pevnosti v tahu za ohybu.
To je vysoce relevantní pro prefabrikovaný beton, suché maltové směsi, opravné malty, lepidla na obklady a další cementové výrobky, u nichž je ekonomicky důležité časné odformování, časná manipulační pevnost nebo rychlý postup výstavby.
Nárůst pevnosti koreloval se zvýšeným kumulativním teplem tvrdnutí, což naznačuje, že sonikace nejen zlepšuje fyzikální disperzi, ale také intenzifikuje počáteční hydrataci. V praxi to znamená, že výkonový ultrazvuk by mohl výrobcům pomoci využívat strusku efektivněji bez ztráty počátečních vlastností.

Snímky SEM vzorku cementové pasty s GBFS C + S porovnávající účinek bez výkonového ultrazvuku a s ním ve stáří 28d.
Snímky a studie: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentace zvyšuje užitečnost hrubších frakcí strusky

Obzvláště cenným výsledkem je účinná aktivace relativně hrubých frakcí GBFS. Studie zjistila, že frakce strusky 125–250 μm poskytla nejlepší počáteční i 28denní pevnost v kombinaci s oddělováním částic deponované strusky a ošetřením výkonovým ultrazvukem.
To je průmyslově významné, protože mletí strusky na velmi jemné velikosti je energeticky náročné. Pokud sonikace zlepší reaktivitu hrubších nebo deponovaných frakcí GBFS, mohou výrobci snížit nároky na mletí, zlepšit efektivitu využití surovin a lépe využívat druhotné materiálové toky.

Zjistěte, jak ultrazvuková disperze usnadňuje výrobu nanovyztužených cementových malt!

Průmyslový význam: výkonový ultrazvuk pro efektivní výrobu cementu a malty

Pro průmyslové výrobce cementu a malty nabízí sonikace několik strategických výhod. Lze ji integrovat jako krok intenzifikace procesu při přípravě suspenze, aktivaci pojiva, dispergaci přísad nebo míchání vysoce výkonných malt. Technologie je obzvláště atraktivní pro výrobky, které závisí na jemné distribuci částic, rychlé hydrataci a optimalizovaném využití doplňkových cementových materiálů.

• Vyšší počáteční pevnost bez zvýšení obsahu slínku
• Lepší aktivace GBFS a dalších doplňkových cementových materiálů
• Lepší využití hrubých nebo deponovaných frakcí strusky
• Snížená aglomerace v cementových suspenzích
• Konzistentnější průběh hydratace a tvrdnutí
• Potenciální snížení intenzity mletí u vybraných toků strusky
• Zlepšené vlastnosti nízkoslínkových a nízkouhlíkových cementových receptur

Díky tomu je sonikace vysoce relevantní pro výrobu udržitelného cementu, struskového cementu, vysoce výkonných malt, prefabrikovaných prvků, opravných materiálů a speciálních stavebních výrobků.

Sonikace jako nástroj nízkouhlíkové cementářské technologie

Cementářský průmysl čelí tlaku na snižování emisí CO₂ a snížení slínkového faktoru je jednou z nejpřímějších cest. Vyšší míra náhrady pomocí GBFS, popílku, kalcinovaného jílu nebo jiných doplňkových cementových materiálů však může zpomalit vývoj počáteční pevnosti. Výkonový ultrazvuk může pomoci toto úzké hrdlo překonat zlepšením disperze, aktivací částic a urychlením počáteční hydratace.
Sonikace může učinit cementové pasty se struskou reaktivnějšími a mechanicky pevnějšími, zejména pokud je proces optimalizován z hlediska frakce velikosti částic a doby ošetření. Tato kombinace je vysoce relevantní pro inženýrství pojiv v průmyslovém měřítku.

Sonikátory Hielscher pro lepší hydrataci a pevnost cementu a vyšší reaktivitu strusky

Inline sonikátory Hielscher jsou účinným nástrojem ke zlepšení hydratace a pevnosti cementu, zejména v cementových systémech se struskou.
Pro průmyslovou deaglomeraci a dispergaci cementu poskytují vysoce výkonné sonikátory Hielscher intenzivní kavitační smyk potřebný k rozbití aglomerátů cementu, strusky a minerálních plniv na jemně dispergované částice, čímž zlepšují smáčení částic, aktivaci povrchu a homogenitu cementových suspenzí. Systémy Hielscher jsou k dispozici od stolního a pilotního měřítka až po robustní výrobní systémy s vysokou kapacitou, včetně vysoce výkonných inline sonikátorů pro kontinuální zpracování cementových injektážních směsí a minerálních suspenzí. Díky tomu lze vývoj procesu přímo škálovat od výzkumu a vývoje až po plnou průmyslovou kapacitu. Odstraněním nebo snížením potřeby mlecích těles zjednodušuje ultrazvuková deaglomerace zpracování, minimalizuje rizika kontaminace a snižuje náročnost čištění a zároveň zajišťuje reprodukovatelnou kvalitu disperze. Pro výrobce cementu a malty proto sonikátory Hielscher nabízejí praktickou cestu k rovnoměrnějším pojivovým systémům, zlepšené kinetice hydratace, lepšímu využití GBFS a dalších doplňkových cementových materiálů a k výkonnějším nízkoslínkovým recepturám.

Níže uvedená tabulka vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich systémů výkonového ultrazvuku:

Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou proslulé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Odkazy

• 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.