Ultraschallbehandlung verbessert die Zementhydratation und -festigkeit

Hochleistungsultraschall, auch als Ultraschallbehandlung bekannt, gewinnt als praktische Intensivierungstechnologie für die Zement- und Mörtelherstellung zunehmend an Bedeutung. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass die Ultraschallbehandlung die Partikeldispersion verbessern, zementäre Zusatzstoffe wie granulierte Hochofenschlacke (GBFS) aktivieren, die Hydratation beschleunigen, die Porenstruktur verfeinern und die Frühfestigkeit deutlich steigern kann.

Hochleistungszement und -mörtel mit Schlackenzusatz unter Einsatz von Hochleistungsultraschall

Bei der Zementherstellung und Mörtelproduktion stellt der effiziente Einsatz von zementähnlichen Zusatzstoffen eine der größten technischen Herausforderungen dar. Granulierte Hochofenschlacke (GBFS) wird häufig eingesetzt, um den Klinkeranteil zu senken und die Nachhaltigkeit zu verbessern. Allerdings reagieren grobe oder agglomerierte Schlackepartikel oft nur langsam, was die frühe Festigkeitsentwicklung einschränkt. Die Ultraschallbehandlung bietet hier eine vielversprechende Lösung: Sie nutzt hochintensive akustische Kavitation, um Agglomerate aufzulösen, Partikel zu zerkleinern und die Anzahl der reaktiven Keimbildungsstellen innerhalb der Zementmatrix zu erhöhen.

Warum die Ultraschallbehandlung für die Zementhydratation wichtig ist

Der Vorteil der Ultraschallbehandlung liegt darin, dass sie bereits vor und während der frühen Hydratation direkt auf das Partikelsystem einwirken kann. In einer zementhaltigen Suspension erzeugt die Ultraschallkavitation lokale Scherkräfte, Mikrostrahlen und Druckschwankungen. Diese Effekte tragen dazu bei, Agglomerate aufzubrechen, feine Partikel zu dispergieren und frische Mineraloberflächen freizulegen.
Für Zement- und Mörtelhersteller ist dies von Bedeutung, da die Hydratation in hohem Maße oberflächenabhängig ist. Eine bessere Dispersion und kleinere reaktive Partikel können den Kontakt zwischen Wasser, Klinkerphasen und Schlackepartikeln verbessern. Dies kann zu einer schnelleren Wärmefreisetzung, einer verbesserten Frühverfestigung und einer dichteren Mikrostruktur führen.
In Systemen mit Schlackenzusatz ist die Ultraschallbehandlung besonders wichtig, da GBFS häufig aktiviert werden muss. Partikelzerkleinerung durch Ultraschall – sogenannte Sonofragmentierung – Die Entfernung von GBFS-Partikeln führt zu einer Verringerung der Partikelgröße, insbesondere der Fraktion im Bereich von 125–250 μm.

Die wichtigsten Vorteile der Ultraschallbehandlung bei der Zement- und Mörtelherstellung

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

• Verbesserte Partikeldispersion: Durch Ultraschallbehandlung lassen sich Zement, Schlacke und feine Mineralpartikel gleichmäßiger in der Paste oder der Mörtelmischung verteilen.
• Geringere Agglomeration: Durch die Ultraschallbehandlung können Partikelcluster aufgebrochen werden, was eine erneute Agglomeration während des Mischvorgangs verhindern kann.
• Verfeinerung des Korns: Grobere Schlackepartikel können in feinere Fraktionen zerkleinert werden, wodurch sich die verfügbare Oberfläche vergrößert.
• Weitere Keimbildungsstellen: Zerfallene GBFS-Partikel können als Keimzentren für Hydratationsprodukte in der Zementmatrix dienen.
• Beschleunigte Flüssigkeitszufuhr: Eine bessere Verteilung und freiliegende Oberflächen können die kumulative Wärmeabgabe und die vorzeitige Aushärtung verstärken.
• Höhere Anfangsfestigkeit: Mit Ultraschall behandelte Zementmassen mit Schlackenzusatz können bereits nach zwei Tagen eine deutliche Steigerung der Druck- und Biegefestigkeit aufweisen.
• Verbesserte Mikrostruktur: Durch Ultraschallbehandlung lassen sich die Nanoporositätskennzahlen erhöhen und die Porenstruktur verändern, insbesondere im Porengrößenbereich von 2–10 nm.

 

Schnelleres Aushärten und frühzeitige Festigkeit bei Betonfertigteilen durch Hochleistungsultraschall

Die Studie „Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes“ von Ch. Rößler untersucht Portlandzementmassen auf Basis von CEM I 42,5 R, einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,37 und 0,1 % Polyacrylat-Superplastifizierer. In der Studie wurde ein Hielscher UIP1000hd-Ultraschallgerät in Durchflusskonfiguration eingesetzt, um zu untersuchen, ob Leistungsultraschall die Hydratation beschleunigen, die Fließfähigkeit verbessern, die Abbindezeit verkürzen und die Frühfestigkeit erhöhen kann.
Die Ergebnisse zeigen, dass Leistungsultraschall (PUS) die Haupthydratationsphase beschleunigt. Die Temperaturkurve lässt einen früheren Hydratationspeak erkennen, während die Mikrostrukturbilder nach fünf Stunden größere C-S-H-Phasen in der ultraschallbehandelten Paste zeigten als in der Referenzprobe.
Erzielte wesentliche Vorteile:

• Höhere Fließfähigkeit: Der Absackwert stieg von 122 mm in der Referenzpaste auf 158 mm nach der PUS-Behandlung.
• Schnellere Einstellung: Der erste Satz wurde von 5 Stunden 15 Minuten auf 3 Stunden 45 Minuten verkürzt, der letzte Satz von 6 Stunden 45 Minuten auf 4 Stunden 30 Minuten.
• Beschleunigte Verfestigung: Die mittels Ultraschall gemessene Pulsgeschwindigkeit deutete auf eine um etwa zwei Stunden schnellere Aushärtung hin.
• Höhere Anfangsfestigkeit: Mörtelprismen aus mit PUS behandelter Zementpaste wiesen in den ersten 24 Stunden eine erhöhte Druckfestigkeit auf.
• Potenzial zur Prozessoptimierung: Die Autoren schätzten, dass ein Energieeinsatz von etwa 10 kWh/m³ Zementpaste das Abbinden und die Frühfestigkeit um etwa zwei Stunden beschleunigen könnte, wobei die Kosten auf ≤ 1 Euro/m³ Beton veranschlagt wurden.
• Geringerer Bedarf an Zusatzstoffen: Da PUS die Fließfähigkeit erhöhte, kamen die Autoren zu dem Schluss, dass die Dosierung des Superplastifizierers möglicherweise reduziert werden könnte.

Diese Ergebnisse sind insbesondere für die Betonfertigteilherstellung von Bedeutung, wo ein schnelleres Abbinden und eine frühzeitige Festigkeit die Schalungszeit, den Heizbedarf und die Produktionszykluszeiten verkürzen können.

 

 

Höhere Frühfestigkeit bei GBFS-gemischter Zementpaste

Eine der wichtigsten Erkenntnisse für industrielle Zement- und Mörtelanwendungen ist die Verbesserung der Frühfestigkeit. Laut Lisowski et al. (2024) führte die Behandlung mit gepulstem Ultraschall bei Zementmassen, die 20 % abgelagertes GBFS enthielten, nach zwei Tagen zu einer deutlich höheren Festigkeit. Die gemeldeten Steigerungen beliefen sich auf bis zu 132 % bei der Druckfestigkeit und 58 % bei der Biegefestigkeit.
Dies ist von großer Bedeutung für Betonfertigteile, Trockenmörtel, Reparaturmörtel, Fliesenkleber und andere zementhaltige Produkte, bei denen eine frühzeitige Entformung, eine frühzeitige Handhabungsfestigkeit oder ein schneller Baufortschritt wirtschaftlich von Bedeutung sind.
Die Festigkeitssteigerung stand in Zusammenhang mit einer erhöhten kumulativen Härtungswärme, was darauf hindeutet, dass die Ultraschallbehandlung nicht nur die physikalische Dispersion verbessert, sondern auch die frühe Hydratation intensiviert. In der Praxis bedeutet dies, dass Leistungsultraschall den Herstellern helfen könnte, Schlacke effektiver zu nutzen, ohne dabei Abstriche bei der frühen Leistungsfähigkeit machen zu müssen.

 

 

Durch Sonofragmentierung lassen sich gröbere Schlackefraktionen besser verwerten

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

Industrielle Relevanz: Leistungsultraschall für eine effiziente Zement- und Mörtelherstellung

Für industrielle Zement- und Mörtelhersteller bietet die Ultraschallbehandlung mehrere strategische Vorteile. Sie lässt sich als verfahrensintensivierender Schritt bei der Aufschlämmung, der Bindemittelaktivierung, der Dispersion von Zusatzmitteln oder beim Mischen von Hochleistungsmörtel integrieren. Die Technologie ist besonders attraktiv für Produkte, bei denen es auf eine feine Partikelverteilung, eine schnelle Hydratation und den optimierten Einsatz von zementären Zusatzstoffen ankommt.

Zu den industriellen Vorteilen der Ultraschall-Zementherstellung zählen:

• Höhere Frühfestigkeit ohne Erhöhung des Klinkeranteils
• Bessere Aktivierung von GBFS und anderen zementergänzenden Materialien
• Verbesserte Verwertung von groben oder abgelagerten Schlackeanteilen
• Verringerte Agglomeration in zementhaltigen Suspensionen
• Gleichmäßigeres Hydratations- und Aushärtungsverhalten
• Mögliche Verringerung der Mahlintensität bei ausgewählten Schlackeströmen
• Verbesserte Leistungsfähigkeit von Zementrezepturen mit geringem Klinkeranteil und niedrigem CO₂-Ausstoß

Daher ist die Ultraschallbehandlung von großer Bedeutung für die Herstellung von nachhaltigem Zement, Schlackenzement, Hochleistungsmörteln, Fertigteilen, Reparaturmaterialien und Spezialbauprodukten.

Ultraschallbehandlung als Instrument für eine kohlenstoffarme Zementtechnologie

Die Zementindustrie steht unter dem Druck, ihre CO₂-Emissionen zu senken, und die Verringerung des Klinkeranteils ist einer der direktesten Wege dahin. Allerdings kann ein höherer Ersatzanteil durch GBFS, Flugasche, kalzinierten Ton oder andere zementäre Zusatzstoffe die frühe Festigkeitsentwicklung verlangsamen. Hochleistungsultraschall kann dazu beitragen, diesen Engpass zu überwinden, indem er die Dispersion verbessert, die Partikel aktiviert und die frühe Hydratation beschleunigt.
Durch Ultraschallbehandlung lassen sich mit Schlacke versetzte Zementpasten reaktiver und mechanisch fester machen, insbesondere wenn der Prozess hinsichtlich Partikelgrößenverteilung und Behandlungsdauer optimiert wird. Diese Kombination ist für die Bindemittelentwicklung im industriellen Maßstab von großer Bedeutung.

Hielscher-Ultraschallgeräte zur Verbesserung der Zementhydratation, Festigkeit und Schlackenreaktivität

Die Inline-Ultraschallgeräte von Hielscher sind ein leistungsstarkes Werkzeug zur Verbesserung der Zementhydratation und -festigkeit, insbesondere bei zementartigen Systemen mit Schlackenzusatz.
Für die industrielle Desagglomeration und Dispersion von Zement liefern die Hochleistungs-Ultraschallgeräte von Hielscher die intensive Kavitationsscherung, die erforderlich ist, um Agglomerate aus Zement, Schlacke und mineralischen Füllstoffen in fein dispergierte Partikel aufzubrechen und so die Benetzung der Partikel, die Oberflächenaktivierung und die Homogenität in zementhaltigen Suspensionen zu verbessern. Hielscher-Systeme sind vom Labortisch- und Pilotmaßstab bis hin zu robusten Produktionsanlagen mit hohem Durchsatz erhältlich, einschließlich leistungsstarker Inline-Ultraschallgeräte für die kontinuierliche Verarbeitung von Zementmörtel und Mineralsuspensionen. Dadurch lässt sich die Prozessentwicklung direkt von der Forschung&D bis hin zum vollen industriellen Durchsatz. Durch den Wegfall oder die Reduzierung des Bedarfs an Mahlkörpern vereinfacht die Ultraschall-Deagglomeration die Verarbeitung, minimiert Kontaminationsrisiken und reduziert den Reinigungsaufwand, während gleichzeitig eine reproduzierbare Dispersionsqualität gewährleistet wird. Für Zement- und Mörtelhersteller bieten die Ultraschallgeräte von Hielscher daher einen praktischen Weg zu einheitlicheren Bindemittelsystemen, einer verbesserten Hydratationskinetik, einer besseren Nutzung von GBFS und anderen zementären Zusatzstoffen sowie zu leistungsstärkeren Formulierungen mit geringem Klinkeranteil.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Leistungsultraschallsysteme:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

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Literatur / Literaturhinweise

• 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.