Ultralydsbehandling forbedrer cementhydrering og styrke

Kraftfuld ultralyd, også kendt som sonikering, vinder stadig større opmærksomhed som en praktisk intensiveringsteknologi til produktion af cement og mørtel. Nyere forskning viser, at ultralydsbehandling kan forbedre partikeldispersionen, aktivere supplerende cementholdige materialer såsom granuleret højovnsslagge (GBFS), fremskynde hydratiseringen, forfine porestrukturen og øge den tidlige styrke betydeligt.

Cement og mørtel med højere ydeevne, tilsat slagger, fremstillet ved hjælp af kraftig ultralyd

I cement- og mørtelproduktion er en af de største tekniske udfordringer den effektive anvendelse af supplerende cementholdige materialer. Granuleret højovnsslagge, også kaldet GBFS, anvendes i vid udstrækning til at reducere klinkerindholdet og forbedre bæredygtigheden. Grove eller sammenklumpede slaggpartikler reagerer imidlertid ofte langsomt, hvilket begrænser den tidlige styrkeudvikling. Ultralydsbehandling udgør en lovende løsning: Den udnytter højintensiv akustisk kavitation til at opløse sammenklumpninger, fragmentere partikler og øge antallet af reaktive kernedannelsessteder inde i cementmatricen.

Hvorfor ultralydsbehandling er vigtig for cementhydrering

Fordelen ved ultralydsbehandling ligger i dens evne til at virke direkte på partikelsystemet før og under den tidlige hydratisering. I en cementholdig suspension frembringer ultralydskavitation lokaliserede forskydningskræfter, mikrostråler og trykudsving. Disse effekter bidrager til at nedbryde agglomerater, sprede fine partikler og blotlægge friske mineraloverflader.
For producenter af cement og mørtel er dette vigtigt, fordi hydratiseringen i høj grad er overfladestyret. Bedre spredning og mindre reaktive partikler kan øge kontakten mellem vand, klinkerfaser og slaggpartikler. Dette kan føre til hurtigere varmeafgivelse, forbedret tidlig hærdning og en tættere mikrostruktur.
I systemer med slaggtilsætning er ultralydsbehandling særlig relevant, da GBFS ofte kræver aktivering. Fragmentering af partikler ved hjælp af ultralyd – såkaldt sonofragmentering – af GBFS-partikler reducerer partikelstørrelsen, især fraktionen på 125–250 μm.

De vigtigste fordele ved ultralydsbehandling i produktionen af cement og mørtel

Kraftultralyd understøtter den industrielle produktion af cement og mørtel på flere måder:

• Forbedret partikeldispersion: Ultralydsbehandling bidrager til at fordele cement, slagger og fine mineralpartikler mere jævnt i pastaen eller mørtelblandingen.
• Mindre sammenklumpning: Ultralydsbehandling kan nedbryde partikelklumper og kan forhindre, at de klumper sig sammen igen under omrøringen.
• Raffinering af korn: Grovere slaggpartikler kan findeles til finere fraktioner, hvilket øger det tilgængelige overfladeareal.
• Flere nukleationssteder: Fragmenterede GBFS-partikler kan fungere som kernedannelsescentre for hydratiseringsprodukter i cementmatricen.
• Hurtigere hydrering: Bedre spredning og større eksponerede overflader kan øge den samlede varmeafgivelse og fremme en hurtigere hærdning.
• Højere tidlig styrke: Ultralydbehandlede cementpastaer blandet med slagger kan udvise betydelige forbedringer i tryk- og bøjningsstyrke allerede efter to dage.
• Forbedret mikrostruktur: Ultralydbehandling kan øge indikatorerne for nanoporøsitet og ændre porestrukturen, især i porestørrelsesområdet 2–10 nm.

 

Hurtigere hærdning og tidlig styrke i præfabrikeret beton ved hjælp af kraftig ultralyd

Undersøgelsen “Indflydelse af Power-ultralyd på fluiditeten og indstillingen af Portland cementpastaer” af Ch. Rößler undersøger Portland-cementpastaer baseret på CEM I 42,5 R, et vand-cement-forhold på 0,37 og 0,1 % polyacrylat-superplastificeringsmiddel. I undersøgelsen blev der anvendt en Hielscher UIP1000hd-sonikator i et gennemstrømningsopstillingssystem for at vurdere, om kraftig ultralyd kunne fremskynde hydratiseringen, forbedre flydeevnen, forkorte hærdningstiden og øge den tidlige styrke.
Resultaterne viser, at kraftultralyd (PUS) fremskynder den primære hydratiseringsperiode. Temperaturkurven viser, at hydratiseringstoppen indtræffer tidligere, mens mikrostrukturbillederne efter fem timer viste større C-S-H-faser i den ultralydsbehandlede pasta end i referenceprøven.
De vigtigste opnåede fordele:

• Højere flydeevne: Slump-værdien steg fra 122 mm i referencepastaen til 158 mm efter PUS-behandlingen.
• Hurtigere hærdning: Det første sæt blev forkortet fra 5 timer og 15 minutter til 3 timer og 45 minutter, og det sidste sæt fra 6 timer og 45 minutter til 4 timer og 30 minutter.
• Hurtigere stivning: Ultralydspulshastigheden viste, at hærdningen foregik ca. 2 timer hurtigere.
• Højere tidlig styrke: Mørtelprismater fremstillet af PUS-behandlet cementpasta udviste øget trykstyrke i løbet af de første 24 timer.
• Potentiale for procesøkonomi: Forfatterne anslog, at et energitilførsel på ca. 10 kWh/m³ cementpasta kunne fremskynde hærdningen og den tidlige styrke med omkring to timer, med en angivet omkostning på ≤ 1 euro/m³ beton.
• Mindre behov for tilsætningsstoffer: Da PUS øgede flydeevnen, konkluderede forfatterne, at doseringen af superplastificeringsmidlet potentielt kunne reduceres.

Disse resultater er især relevante for produktionen af præfabrikerede betonelementer, hvor hurtigere hærdning og tidlig styrke kan reducere formværkstiden, varmebehovet og produktionscyklustiderne.

 

 

Større tidlig styrke i GBFS-blandet cementpasta

Et af de vigtigste resultater for industrielle anvendelser af cement og mørtel er forbedringen af styrken i den tidlige modningsfase. Ifølge Lisowski et al. (2024) resulterede pulsultralydsbehandling af cementpastaer indeholdende 20 % aflejret GBFS i en betydeligt højere styrke efter to dage. De rapporterede stigninger nåede op på 132 % i trykstyrke og 58 % i bøjningsstyrke.
Dette er særdeles relevant for præfabrikeret beton, tørblandet mørtel, reparationsmørtel, fliseklæbemidler og andre cementbaserede produkter, hvor tidlig udformning, tidlig håndteringsstyrke eller hurtig fremdrift i byggeriet er af økonomisk betydning.
Styrkeforøgelsen var korreleret med en øget kumulativ hærdningsvarme, hvilket tyder på, at ultralydsbehandling ikke blot forbedrer den fysiske spredning, men også fremmer den tidlige hydrering. I praksis betyder dette, at kraftfuld ultralyd kan hjælpe producenterne med at udnytte slagger mere effektivt uden at gå på kompromis med de tidlige egenskaber.

 

 

Sonofragmentering gør grovere slaggefraktioner mere anvendelige

Et særligt værdifuldt resultat er den effektive aktivering af relativt grove GBFS-fraktioner. Undersøgelsen viste, at slaggefraktionen på 125–250 μm gav den bedste styrke i den tidlige hærdningsfase og efter 28 dage, når den blev kombineret med udskillelse af aflejrede slaggepartikler og behandling med kraftig ultralyd.
Dette har stor industriel betydning, da formaling af slagger til meget fine partikler er energikrævende. Hvis ultralydsbehandling forbedrer reaktiviteten hos grovere eller aflejrede GBFS-fraktioner, kan producenterne reducere behovet for formaling, forbedre råvareudnyttelsen og udnytte sekundære materialestrømme bedre.
 
Lær, hvordan ultralydsdispersion letter fremstillingen af nanoforstærkede cementmørtler!

Industriel relevans: Kraftig ultralyd til effektiv produktion af cement og mørtel

For industrielle cement- og mørtelproducenter byder ultralydsbehandling på en række strategiske fordele. Den kan integreres som et trin til procesintensivering under fremstilling af slurry, aktivering af bindemidler, dispergering af tilsætningsstoffer eller blanding af højtydende mørtel. Teknologien er især attraktiv for produkter, hvor der er behov for en fin partikelfordeling, hurtig hydrering og optimeret udnyttelse af supplerende cementholdige materialer.

De industrielle fordele ved ultralydsbaseret cementproduktion omfatter:

• Højere tidlig styrke uden at øge klinkerindholdet
• Bedre aktivering af GBFS og andre supplerende cementholdige materialer
• Bedre udnyttelse af grove eller aflejrede slaggefraktioner
• Mindre agglomerering i cementholdige suspensioner
• Mere ensartet hydrering og hærdningsadfærd
• Mulig reduktion af formalingens intensitet for udvalgte slaggestrømme
• Forbedret ydeevne for cementblandinger med lavt klinkerindhold og lavt kulstofindhold

Dette gør ultralydsbehandling særdeles relevant for fremstillingen af bæredygtig cement, slaggcement, højtydende mørtel, præfabrikerede elementer, reparationsmaterialer og specialbyggematerialer.

Ultralydbehandling som redskab til kulstoffattig cementteknologi

Cementindustrien er under pres for at reducere CO₂-udledningen, og en sænkning af klinkerfaktoren er en af de mest direkte veje hertil. Imidlertid kan en højere andel af GBFS, flyveaske, kalcineret ler eller andre supplerende cementholdige materialer bremse den tidlige styrkeudvikling. Kraftig ultralyd kan bidrage til at overvinde denne flaskehals ved at forbedre spredningen, aktivere partiklerne og fremskynde den tidlige hydrering.
Ultralydsbehandling kan gøre cementpastaer blandet med slagger mere reaktive og mekanisk stærkere, især når processen er optimeret med hensyn til partikelstørrelsesfordeling og behandlingstid. Denne kombination er særdeles relevant for udvikling af bindemidler i industriel skala.

Hielscher-ultralydsapparater til forbedret cementhydratisering, styrke og slagreaktivitet

Hielschers inline-ultralydsenheder er et effektivt redskab til at forbedre cementens hydratisering og styrke, især i cementbaserede systemer med slaggetilsætning.
Til deagglomerering og dispergering af cement i industriel sammenhæng leverer Hielschers højtydende ultralydsapparater den intense kavitationsskærekraft, der er nødvendig for at nedbryde agglomerater af cement, slagger og mineralfyldstoffer til fint dispergerede partikler, hvilket forbedrer partiklernes befugtning, overfladeaktivering og homogeniteten i cementholdige opslæmninger. Hielschers systemer fås i alt fra bordmodeller og pilotanlæg til robuste produktionssystemer med høj kapacitet, herunder højtydende inline-ultralydsenheder til kontinuerlig behandling af cementmørtel og mineralsuspensioner. Dette gør procesudviklingen direkte skalerbar fra R&D til fuld industriel kapacitet. Ved at fjerne eller reducere behovet for slibemidler forenkler ultralydsdeagglomerering forarbejdningen, minimerer risikoen for forurening og reducerer rengøringsarbejdet, samtidig med at der opnås en reproducerbar dispersionskvalitet. For cement- og mørtelproducenter udgør Hielschers sonikatorer derfor en praktisk vej til mere ensartede bindemiddelsystemer, forbedret hydratiseringskinetik, bedre udnyttelse af GBFS og andre supplerende cementholdige materialer samt højtydende formuleringer med lavt klinkerindhold.

Tabellen nedenfor giver et overblik over den omtrentlige behandlingskapacitet for vores kraftfulde ultralydssystemer:

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

---

---

 

Litteratur / Referencer

• 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.