Ultraschallbehandlung verbessert die Zementhydratation und -festigkeit

Leistungsultraschall, auch als Beschallung bezeichnet, gewinnt als praxisnahe Technologie zur Prozessintensivierung in der Zement- und Mörtelproduktion an Aufmerksamkeit. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass eine Ultraschallbehandlung die Partikeldispergierung verbessern, zementäre Zusatzstoffe wie granulierte Hochofenschlacke (GBFS) aktivieren, die Hydratation beschleunigen, die Porenstruktur verfeinern und die Frühfestigkeit deutlich erhöhen kann.

Leistungsfähigere schlackenhaltige Zemente und Mörtel durch Leistungsultraschall

Eine der größten technischen Herausforderungen bei der Zementherstellung und Mörtelproduktion ist die effiziente Nutzung zementärer Zusatzstoffe. Granulierte Hochofenschlacke, kurz GBFS, wird häufig eingesetzt, um den Klinkergehalt zu reduzieren und die Nachhaltigkeit zu verbessern. Grobe oder agglomerierte Schlackenpartikel reagieren jedoch oft langsam und begrenzen dadurch die Frühfestigkeitsentwicklung. Die Ultraschallbehandlung bietet eine vielversprechende Lösung: Sie nutzt akustische Kavitation hoher Intensität, um Agglomerate zu dispergieren, Partikel zu fragmentieren und die Anzahl reaktiver Keimbildungsstellen innerhalb der Zementmatrix zu erhöhen.

Warum die Ultraschallbehandlung für die Zementhydratation wichtig ist

Der Vorteil der Ultraschallbehandlung liegt darin, dass sie vor und während der frühen Hydratation direkt auf das Partikelsystem einwirken kann. In einer zementhaltigen Suspension erzeugt Ultraschallkavitation lokale Scherkräfte, Mikrostrahlen und Druckschwankungen. Diese Effekte helfen dabei, Agglomerate aufzubrechen, feine Partikel zu dispergieren und frische Mineraloberflächen freizulegen.
Für Zement- und Mörtelhersteller ist dies wichtig, weil die Hydratation stark durch Oberflächenvorgänge bestimmt wird. Eine bessere Dispergierung und kleinere reaktive Partikel können den Kontakt zwischen Wasser, Klinkerphasen und Schlackenpartikeln verstärken. Dies kann zu einer schnelleren Wärmefreisetzung, einer verbesserten frühen Erhärtung und einem dichteren Gefüge führen.
In schlackenhaltigen Systemen ist die Ultraschallbehandlung besonders relevant, weil GBFS häufig eine Aktivierung erfordert. Die ultraschallbedingte Fragmentierung von GBFS-Partikeln – die sogenannte Sonofragmentierung – verringert die Partikelgröße, insbesondere in der Fraktion 125–250 μm.

Wesentliche Vorteile der Ultraschallbehandlung in der Zement- und Mörtelproduktion

Leistungsultraschall unterstützt die industrielle Zement- und Mörtelproduktion auf verschiedene Weise:

• Verbesserte Partikeldispergierung: Die Ultraschallbehandlung hilft dabei, Zement, Schlacke und feine Mineralpartikel gleichmäßiger im Zementleim oder in der Mörtelmischung zu dispergieren.
• Verringerte Agglomeration: Eine Ultraschallbehandlung kann Partikelverbände aufbrechen und möglicherweise die erneute Agglomeration während des Mischens hemmen.
• Kornverfeinerung: Gröbere Schlackenpartikel können in feinere Fraktionen fragmentiert werden, wodurch die verfügbare Oberfläche zunimmt.
• Mehr Keimbildungsstellen: Fragmentierte GBFS-Partikel können als Keimbildungszentren für Hydratationsprodukte in der Zementmatrix wirken.
• Beschleunigte Hydratation: Eine bessere Dispergierung und freigelegte Oberflächen können die kumulative Wärmefreisetzung erhöhen und die frühe Erhärtung beschleunigen.
• Höhere Frühfestigkeit: Ultraschallbehandelte schlackenhaltige Zementleime können bereits nach zwei Tagen erhebliche Zuwächse bei der Druck- und Biegefestigkeit aufweisen.
• Verbessertes Gefüge: Die Ultraschallbehandlung kann Kenngrößen der Nanoporosität erhöhen und die Porenstruktur verändern, insbesondere im Porengrößenbereich 2–10 nm.

 

Schnelleres Erstarren und frühere Festigkeitsentwicklung bei Betonfertigteilen durch Leistungsultraschall

Die Studie „Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes“ von Ch. Rößler untersucht Portlandzementleime auf Basis von CEM I 42,5 R mit einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,37 und 0,1% Polyacrylat-Fließmittel. In der Studie wurde ein Ultraschallgerät UIP1000hd von Hielscher in einer Durchflussanordnung eingesetzt, um zu prüfen, ob Leistungsultraschall die Hydratation beschleunigen, die Fließfähigkeit verbessern, die Erstarrungszeit verkürzen und die Frühfestigkeit erhöhen könnte.
Die Ergebnisse zeigen, dass Leistungsultraschall (PUS) die Haupthydratationsphase beschleunigt. Die Temperaturkurve zeigt ein früheres Hydratationsmaximum, während die Gefügeaufnahmen nach fünf Stunden im ultraschallbehandelten Zementleim größere C-S-H-Phasen als in der Referenz zeigten.
Wesentliche erzielte Vorteile:

• Höhere Fließfähigkeit: Das Setzmaß stieg von 122 mm beim Referenzzementleim auf 158 mm nach der PUS-Behandlung.
• Schnelleres Erstarren: Die Zeit bis zum Erstarrungsbeginn wurde von 5 h 15 min auf 3 h 45 min verkürzt, die Zeit bis zum Erstarrungsende von 6 h 45 min auf 4 h 30 min.
• Beschleunigte Versteifung: Die Ultraschallimpulsgeschwindigkeit zeigte eine um etwa 2 Stunden beschleunigte Erhärtung an.
• Höhere Frühfestigkeit: Mörtelprismen, die aus PUS-behandeltem Zementleim hergestellt wurden, zeigten während der ersten 24 Stunden eine erhöhte Druckfestigkeit.
• Potenzial für eine wirtschaftlichere Prozessführung: Die Autoren schätzten, dass ein Energieeintrag von etwa 10 kWh/m³ Zementleim das Erstarren und die Frühfestigkeitsentwicklung um rund zwei Stunden beschleunigen könnte, bei angegebenen Kosten von ≤ 1 Euro/m³ Beton.
• Geringerer Zusatzmittelbedarf: Da PUS die Fließfähigkeit erhöhte, kamen die Autoren zu dem Schluss, dass die Fließmitteldosierung möglicherweise reduziert werden könnte.

Diese Ergebnisse sind besonders für die Herstellung von Betonfertigteilen relevant, bei der schnelleres Erstarren und eine frühere Festigkeitsentwicklung die Schalungsbelegungszeit, den Wärmebedarf und die Produktionszykluszeiten reduzieren können.

 

 

Höhere Frühfestigkeit in GBFS-haltigem Zementleim

Eine der wichtigsten Erkenntnisse für industrielle Zement- und Mörtelanwendungen ist die Verbesserung der Frühfestigkeit. Laut Lisowski et al. (2024) führte die gepulste Ultraschallbehandlung von Zementleimen mit 20% abgelagerter GBFS nach zwei Tagen zu einer erheblich höheren Festigkeit. Die berichteten Zuwächse erreichten bis zu 132% bei der Druckfestigkeit und 58% bei der Biegefestigkeit.
Dies ist besonders relevant für Betonfertigteile, Trockenmörtel, Reparaturmörtel, Fliesenkleber und andere zementgebundene Produkte, bei denen frühes Ausschalen, eine frühe Handhabungsfestigkeit oder ein rascher Baufortschritt wirtschaftlich wichtig sind.
Die Festigkeitssteigerung korrelierte mit einer erhöhten kumulativen Erhärtungswärme. Dies deutet darauf hin, dass die Ultraschallbehandlung nicht nur die physikalische Dispergierung verbessert, sondern auch die frühe Hydratation intensiviert. In der Praxis bedeutet dies, dass Leistungsultraschall Herstellern helfen könnte, Schlacke effektiver zu nutzen, ohne Abstriche bei den Eigenschaften im frühen Alter zu machen.

 

 

Sonofragmentierung macht gröbere Schlackenfraktionen besser nutzbar

Ein besonders wertvolles Ergebnis ist die wirksame Aktivierung relativ grober GBFS-Fraktionen. Die Studie ergab, dass die Schlackenfraktion 125–250 μm in Kombination mit der Abtrennung abgelagerter Schlackenpartikel und einer Behandlung mit Leistungsultraschall die beste Frühfestigkeit sowie die beste 28-Tage-Festigkeit lieferte.
Dies ist aus industrieller Sicht von Bedeutung, weil das Mahlen von Schlacke auf sehr feine Korngrößen energieintensiv ist. Wenn die Ultraschallbehandlung die Reaktivität gröberer oder abgelagerter GBFS-Fraktionen verbessert, können Hersteller den Mahlbedarf reduzieren, die Rohstoffeffizienz steigern und Sekundärstoffströme besser nutzen.
 
Erfahren Sie, wie die Ultraschalldispergierung die Herstellung von nanoverstärkten Zementmörteln erleichtert!

Industrielle Relevanz: Leistungsultraschall für eine effiziente Zement- und Mörtelproduktion

Für industrielle Zement- und Mörtelhersteller bietet die Ultraschallbehandlung mehrere strategische Vorteile. Sie kann als Schritt zur Prozessintensivierung bei der Herstellung von Suspensionen, der Bindemittelaktivierung, der Dispergierung von Zusatzmitteln oder beim Mischen von Hochleistungsmörteln integriert werden. Die Technologie ist besonders attraktiv für Produkte, die eine feine Partikelverteilung, eine schnelle Hydratation und eine optimierte Nutzung zementärer Zusatzstoffe erfordern.

Zu den industriellen Vorteilen der ultraschallgestützten Zementproduktion gehören:

• Höhere Frühfestigkeit ohne Erhöhung des Klinkergehalts
• Bessere Aktivierung von GBFS und anderen zementären Zusatzstoffen
• Verbesserte Nutzung grober oder abgelagerter Schlackenfraktionen
• Verringerte Agglomeration in zementhaltigen Suspensionen
• Gleichmäßigeres Hydratations- und Erhärtungsverhalten
• Mögliche Verringerung der Mahlintensität für ausgewählte Schlackenströme
• Verbesserte Leistungsfähigkeit klinkerarmer und CO₂-armer Zementrezepturen

Damit ist die Ultraschallbehandlung besonders relevant für die Herstellung nachhaltiger Zemente, Schlackenzemente, Hochleistungsmörtel, Fertigteile, Reparaturmaterialien und spezieller Bauprodukte.

Ultraschallbehandlung als Werkzeug für eine CO₂-arme Zementtechnologie

Die Zementindustrie steht unter Druck, ihre CO₂-Emissionen zu reduzieren, und die Verringerung des Klinkerfaktors ist einer der direktesten Wege dazu. Höhere Substitutionsanteile durch GBFS, Flugasche, kalzinierten Ton oder andere zementäre Zusatzstoffe können jedoch die Frühfestigkeitsentwicklung verlangsamen. Leistungsultraschall kann helfen, diesen Engpass zu überwinden, indem er die Dispergierung verbessert, Partikel aktiviert und die frühe Hydratation beschleunigt.
Die Ultraschallbehandlung kann schlackenhaltige Zementleime reaktiver und mechanisch fester machen, insbesondere wenn der Prozess auf die Korngrößenfraktion und die Behandlungsdauer abgestimmt wird. Diese Kombination ist für die Bindemittelentwicklung im industriellen Maßstab besonders relevant.

Ultraschallgeräte von Hielscher für verbesserte Zementhydratation, Zementfestigkeit und Schlackenreaktivität

Inline-Ultraschallgeräte von Hielscher sind ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verbesserung der Zementhydratation und -festigkeit, insbesondere in schlackenhaltigen zementgebundenen Systemen.
Für die industrielle Deagglomeration und Dispergierung von Zement liefern die Hochleistungs-Ultraschallgeräte von Hielscher die intensive kavitationsbedingte Scherung, die erforderlich ist, um Agglomerate aus Zement, Schlacke und mineralischen Füllstoffen in fein dispergierte Partikel aufzubrechen. Dadurch verbessern sich die Partikelbenetzung, die Oberflächenaktivierung und die Homogenität zementhaltiger Suspensionen. Systeme von Hielscher sind von Tischgeräten und Anlagen im Pilotmaßstab bis hin zu robusten Produktionssystemen mit hohem Durchsatz erhältlich, darunter leistungsstarke Inline-Ultraschallgeräte zur kontinuierlichen Verarbeitung von Zementinjektionssuspensionen und mineralischen Suspensionen. Dadurch lässt sich die Prozessentwicklung unmittelbar von Forschung und Entwicklung auf den vollen industriellen Durchsatz skalieren. Indem die Ultraschall-Deagglomeration den Bedarf an Mahlkörpern beseitigt oder reduziert, vereinfacht sie die Verarbeitung, minimiert Kontaminationsrisiken und verringert den Reinigungsaufwand, während sie eine reproduzierbare Dispergierqualität liefert. Für Zement- und Mörtelhersteller bieten Ultraschallgeräte von Hielscher daher einen praxisnahen Weg zu gleichmäßigeren Bindemittelsystemen, einer verbesserten Hydratationskinetik, einer besseren Nutzung von GBFS und anderen zementären Zusatzstoffen sowie leistungsfähigeren klinkerarmen Rezepturen.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Leistungsultraschallsysteme:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Designstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in Industrieanlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

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Literatur / Quellen

• 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.