Sonikering forbedrer cementens hydratisering og styrke

Effektultralyd, også kendt som sonikering, får stigende opmærksomhed som en praktisk teknologi til procesintensivering i cement- og mørtelproduktion. Ny forskning viser, at ultralydsbehandling kan forbedre partikeldispersionen, aktivere supplerende cementbaserede bindemidler såsom granuleret højovnsslagge (GBFS), accelerere hydratiseringen, forfine porestrukturen og øge den tidlige styrke betydeligt.

Cement og mørtel med slaggetilsætning og forbedrede egenskaber ved hjælp af effektultralyd

En af de væsentlige tekniske udfordringer ved cementfremstilling og mørtelproduktion er effektiv udnyttelse af supplerende cementbaserede bindemidler. Granuleret højovnsslagge, eller GBFS, anvendes i vid udstrækning til at reducere klinkerindholdet og forbedre bæredygtigheden. Grove eller agglomererede slaggepartikler reagerer dog ofte langsomt, hvilket begrænser den tidlige styrkeudvikling. Sonikering tilbyder en lovende løsning: Den anvender akustisk kavitation med høj intensitet til at dispergere agglomerater, fragmentere partikler og øge antallet af reaktive kimdannelsessteder i cementmatricen.

Hvorfor sonikering er vigtig for cementens hydratisering

Fordelen ved sonikering ligger i dens evne til at virke direkte på partikelsystemet før og under den tidlige hydratisering. I en cementbaseret suspension frembringer ultralydskavitation lokale forskydningskræfter, mikrostråler og tryksvingninger. Disse virkninger hjælper med at nedbryde agglomerater, dispergere fine partikler og blotlægge friske mineraloverflader.
For cement- og mørtelproducenter er dette vigtigt, fordi hydratiseringen i høj grad styres af overfladeprocesser. Bedre dispersion og mindre reaktive partikler kan øge kontakten mellem vand, klinkerfaser og slaggepartikler. Dette kan føre til hurtigere varmeudvikling, forbedret tidlig hærdning og en tættere mikrostruktur.
I systemer med slaggetilsætning er sonikering særligt relevant, fordi GBFS ofte kræver aktivering. Fragmentering af GBFS-partikler med ultralyd – såkaldt sonofragmentering – reducerer partikelstørrelsen, især i fraktionen på 125–250 μm.

Vigtige fordele ved sonikering i cement- og mørtelproduktion

Effektultralyd understøtter industriel cement- og mørtelproduktion på flere måder:

• Forbedret partikeldispersion: Sonikering hjælper med at dispergere cement, slagge og fine mineralpartikler mere ensartet i pastaen eller mørtelblandingen.
• Reduceret agglomerering: Ultralydsbehandling kan nedbryde partikelansamlinger og kan hæmme reagglomerering under blandingen.
• Kornforfining: Grovere slaggepartikler kan fragmenteres til finere fraktioner, hvilket øger det tilgængelige overfladeareal.
• Flere kimdannelsessteder: Fragmenterede GBFS-partikler kan fungere som kimdannelsescentre for hydratiseringsprodukter i cementmatricen.
• Accelereret hydratisering: Bedre dispersion og blotlagte overflader kan øge den kumulative varmeudvikling og den tidlige hærdning.
• Højere tidlig styrke: Sonikerede cementpastaer med slaggetilsætning kan udvise betydelige stigninger i trykstyrke og bøjningsstyrke efter kun to dage.
• Forbedret mikrostruktur: Sonikering kan øge indikatorerne for nanoporøsitet og ændre porestrukturen, især i porestørrelsesintervallet 2–10 nm.

Effektultralydsbehandlingens (PUS) indflydelse på ultralydspulshastigheden i hydratiserende cementpastaer

Hurtigere afbinding og tidlig styrke i præfabrikeret beton med effektultralyd

Studiet “Effektultralyds indflydelse på portlandcementpastaers flydeevne og afbinding” af Ch. Rößler undersøger portlandcementpastaer baseret på CEM I 42,5 R, et w/c-forhold på 0,37 og 0,1% polyacrylatbaseret superplastificeringsmiddel. Studiet anvendte en Hielscher UIP1000hd sonikator i en gennemstrømningsopstilling til at vurdere, om effektultralyd kunne accelerere hydratiseringen, forbedre flydeevnen, forkorte afbindingstiden og øge den tidlige styrke.
Resultaterne viser, at effektultralyd (PUS) accelererer den primære hydratiseringsperiode. Temperaturkurven viser et tidligere hydratiseringsmaksimum, mens mikrostrukturbillederne efter fem timer viste større C-S-H-faser i den ultralydsbehandlede pasta end i referencen.
Opnåede hovedfordele:

• Bedre flydeevne: sætmålet steg fra 122 mm i referencepastaen til 158 mm efter PUS-behandling.
• Hurtigere afbinding: tiden til begyndende afbinding blev forkortet fra 5 h 15 min til 3 h 45 min, og tiden til afsluttet afbinding fra 6 h 45 min til 4 h 30 min.
• Accelereret stivhedsudvikling: ultralydspulshastigheden indikerede cirka 2 timer hurtigere hærdning.
• Højere tidlig styrke: mørtelprismer fremstillet af PUS-behandlet cementpasta udviste øget trykstyrke i løbet af de første 24 timer.
• Procesøkonomisk potentiale: forfatterne vurderede, at en energitilførsel på cirka 10 kWh/m³ cementpasta kunne fremskynde afbindingen og den tidlige styrkeudvikling med omkring to timer, med en angivet omkostning på ≤ 1 euro/m³ beton.
• Reduceret behov for tilsætningsstoffer: fordi PUS forbedrede flydeevnen, konkluderede forfatterne, at doseringen af superplastificeringsmiddel potentielt kunne reduceres.

Disse resultater er særligt relevante for produktion af præfabrikeret beton, hvor hurtigere afbinding og tidlig styrke kan reducere tiden i formen, varmebehovet og produktionscyklustiderne.

Vickers-hårdhed og elasticitetsmodul for C + S-pastaer fremstillet konventionelt og ved hjælp af effektultralyd efter 28 d.
Grafer og studie: ©Lisowski et al. 2024.

Højere tidlig styrke i cementpasta med GBFS-tilsætning

Et af de vigtigste fund for industrielle cement- og mørtelanvendelser er forbedringen af den tidlige styrke. Ifølge Lisowski et al. (2024) gav pulseret ultralydsbehandling af cementpastaer med 20% deponeret GBFS betydeligt højere styrke efter to dage. De rapporterede stigninger nåede op til 132% i trykstyrke og 58% i bøjningsstyrke.
Dette er yderst relevant for præfabrikeret beton, tørmørtel, reparationsmørtler, fliseklæbere og andre cementbaserede produkter, hvor tidlig afformning, tidlig håndteringsstyrke eller hurtig fremdrift i byggeriet er økonomisk vigtig.
Styrkeforøgelsen var korreleret med øget kumulativ hærdningsvarme, hvilket tyder på, at sonikering ikke blot forbedrer den fysiske dispersion, men også intensiverer den tidlige hydratisering. I praksis betyder dette, at effektultralyd kunne hjælpe producenter med at udnytte slagge mere effektivt uden at gå på kompromis med de tidlige egenskaber.

SEM-billeder af cement-GBFS-pastaprøven C + S, der sammenligner virkningen uden og med effektultralyd efter 28d.
Billeder og studie: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentering gør grovere slaggefraktioner mere anvendelige

Et særligt værdifuldt resultat er den effektive aktivering af relativt grove GBFS-fraktioner. Studiet viste, at slaggefraktionen på 125–250 μm gav den bedste tidlige styrke og styrke efter 28 dage, når den blev kombineret med separation af deponerede slaggepartikler og behandling med effektultralyd.
Dette er industrielt betydningsfuldt, fordi formaling af slagge til meget fine partikelstørrelser er energikrævende. Hvis sonikering forbedrer reaktiviteten af grovere eller deponerede GBFS-fraktioner, kan producenter reducere behovet for formaling, forbedre råvareudnyttelsen og udnytte sekundære materialestrømme bedre.
 
Læs, hvordan ultralydsdispersion letter produktionen af nanoforstærkede cementmørtler!

Industriel relevans: Effektultralyd til effektiv cement- og mørtelproduktion

For industrielle cement- og mørtelproducenter giver sonikering flere strategiske fordele. Den kan integreres som et procesintensiverende trin ved fremstilling af opslæmninger, aktivering af bindemidler, dispersion af tilsætningsstoffer eller blanding af højtydende mørtel. Teknologien er særligt attraktiv til produkter, der afhænger af en fin partikelfordeling, hurtig hydratisering og optimeret udnyttelse af supplerende cementbaserede bindemidler.

• Højere tidlig styrke uden at øge klinkerindholdet
• Bedre aktivering af GBFS og andre supplerende cementbaserede bindemidler
• Forbedret udnyttelse af grove eller deponerede slaggefraktioner
• Reduceret agglomerering i cementbaserede suspensioner
• Mere ensartet hydratiserings- og hærdningsforløb
• Potentiel reduktion af formalingsintensiteten for udvalgte slaggestrømme
• Forbedrede egenskaber for cementformuleringer med lavt klinkerindhold og lavt CO₂-aftryk

Dette gør sonikering yderst relevant for produktion af bæredygtig cement, slaggecement, højtydende mørtler, præfabrikerede elementer, reparationsmaterialer og specialprodukter til byggeri.

Sonikering som værktøj til cementteknologi med lavt CO₂-aftryk

Cementindustrien er under pres for at reducere CO₂-udledningen, og en reduktion af klinkerfaktoren er en af de mest direkte veje. Højere erstatningsgrader med GBFS, flyveaske, kalcineret ler eller andre supplerende cementbaserede bindemidler kan dog forsinke den tidlige styrkeudvikling. Effektultralyd kan bidrage til at overvinde denne flaskehals ved at forbedre dispersionen, aktivere partikler og accelerere den tidlige hydratisering.
Sonikering kan gøre cementpastaer med slaggetilsætning mere reaktive og mekanisk stærkere, især når processen optimeres med hensyn til partikelstørrelsesfraktion og behandlingstid. Denne kombination er yderst relevant for udvikling af bindemidler i industriel skala.

Hielscher sonikatorer til forbedret cementhydratisering, styrke og slaggereaktivitet

Inline-sonikatorer fra Hielscher er et effektivt værktøj til at forbedre cementens hydratisering og styrke, især i cementbaserede systemer med slaggetilsætning.
Til industriel deagglomerering og dispersion af cement leverer højtydende sonikatorer fra Hielscher den intense kavitationsbetingede forskydning, der kræves for at nedbryde agglomerater af cement, slagge og mineralske fyldstoffer til fint dispergerede partikler, hvilket forbedrer partikelbefugtning, overfladeaktivering og homogenitet i cementbaserede opslæmninger. Systemer fra Hielscher fås fra bordmodeller og pilotskala til robuste produktionssystemer med høj gennemløbskapacitet, herunder inline-sonikatorer med høj effekt til kontinuerlig behandling af cementinjektionsmørtel og mineralsuspensioner. Dette gør procesudviklingen direkte skalerbar fra forskning og udvikling til fuld industriel gennemløbskapacitet. Ved at eliminere eller reducere behovet for formalingsmedier forenkler ultralydsdeagglomerering behandlingen, minimerer risikoen for kontaminering og reducerer rengøringsarbejdet, samtidig med at den leverer reproducerbar dispersionskvalitet. For cement- og mørtelproducenter tilbyder sonikatorer fra Hielscher derfor en praktisk vej til mere ensartede bindemiddelsystemer, forbedret hydratiseringskinetik, bedre udnyttelse af GBFS og andre supplerende cementbaserede bindemidler samt mere højtydende formuleringer med lavt klinkerindhold.

Tabellen nedenfor giver en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores effektultralydssystemer:

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er kendt for de højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer let barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-konforme 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.