Η υπερήχηση βελτιώνει την ενυδάτωση και την αντοχή του τσιμέντου

Ο υπερηχητικός ελέγχος, γνωστός και ως «sonication», κερδίζει έδαφος ως μια πρακτική τεχνολογία ενίσχυσης της παραγωγής τσιμέντου και κονιάματος. Πρόσφατες έρευνες δείχνουν ότι η επεξεργασία με υπερήχους μπορεί να βελτιώσει τη διασπορά των σωματιδίων, να ενεργοποιήσει συμπληρωματικά τσιμεντοειδή υλικά όπως η κοκκοποιημένη σκωρία υψικαμίνου (GBFS), να επιταχύνει την ενυδάτωση, να βελτιώσει τη δομή των πόρων και να αυξήσει σημαντικά την αντοχή σε πρώιμο στάδιο.

Τσιμέντο και κονίαμα υψηλότερης απόδοσης με προσθήκη σκωρίας, με χρήση ισχυρού υπερήχου

Στην παραγωγή τσιμέντου και κονιάματος, μία από τις σημαντικότερες τεχνικές προκλήσεις είναι η αποδοτική χρήση συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών. Η κοκκοποιημένη σκωρία υψικαμίνου (GBFS) χρησιμοποιείται ευρέως για τη μείωση της περιεκτικότητας σε κλίνκερ και τη βελτίωση της βιωσιμότητας. Ωστόσο, τα χονδροειδή ή συσσωματωμένα σωματίδια σκωρίας συχνά αντιδρούν αργά, περιορίζοντας την ανάπτυξη της αρχικής αντοχής. Η υπερηχητική επεξεργασία προσφέρει μια ελπιδοφόρα λύση: χρησιμοποιεί ακουστική σπηλαίωση υψηλής έντασης για τη διασπορά των συσσωματωμάτων, τον κατακερματισμό των σωματιδίων και την αύξηση του αριθμού των αντιδραστικών σημείων πυρήνωσης εντός της τσιμεντοειδούς μήτρας.

Γιατί η υπερηχητική επεξεργασία είναι σημαντική για την ενυδάτωση του τσιμέντου

Το πλεονέκτημα της υπερηχητικής επεξεργασίας έγκειται στην ικανότητά της να δρα άμεσα στο σύστημα σωματιδίων πριν και κατά τη διάρκεια της αρχικής ενυδάτωσης. Σε ένα τσιμεντοειδές εναιώρημα, η υπερηχητική σπηλαίωση δημιουργεί τοπικές δυνάμεις διάτμησης, μικροπίδακες και διακυμάνσεις πίεσης. Αυτά τα φαινόμενα συμβάλλουν στη διάσπαση των συσσωματωμάτων, στη διασπορά των λεπτών σωματιδίων και στην έκθεση των φρέσκων ορυκτών επιφανειών.
Για τους παραγωγούς τσιμέντου και κονιάματος, αυτό είναι σημαντικό, καθώς η ενυδάτωση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την επιφάνεια. Η καλύτερη διασπορά και τα μικρότερα αντιδραστικά σωματίδια μπορούν να αυξήσουν την επαφή μεταξύ του νερού, των φάσεων του κλίνκερ και των σωματιδίων σκωρίας. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερη απελευθέρωση θερμότητας, βελτιωμένη πρόωρη σκλήρυνση και πυκνότερη μικροδομή.
Στα συστήματα με προσθήκη σκωρίας, η υπερηχητική επεξεργασία είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς το GBFS συχνά απαιτεί ενεργοποίηση. Τεμαχισμός σωματιδίων με υπερήχους – η λεγόμενη ηχοθραύση – των σωματιδίων GBFS μειώνει το μέγεθος των σωματιδίων, ιδίως της κλάσης 125–250 μm.

Κύρια πλεονεκτήματα της υπερηχητικής επεξεργασίας στην παραγωγή τσιμέντου και κονιάματος

Ο υπερηχογράφος υψηλής ισχύος συμβάλλει στη βιομηχανική παραγωγή τσιμέντου και κονιάματος με διάφορους τρόπους:

• Βελτιωμένη διασπορά σωματιδίων: Η υπερηχητική επεξεργασία συμβάλλει στην πιο ομοιόμορφη διασπορά του τσιμέντου, της σκωρίας και των λεπτών ορυκτών σωματιδίων στο μείγμα της πάστας ή του κονιάματος.
• Μειωμένη συσσωμάτωση: Η επεξεργασία με υπερήχους μπορεί να διαλύσει τις συσσωματώσεις σωματιδίων και ενδέχεται να εμποδίσει την εκ νέου συσσωμάτωσή τους κατά τη διάρκεια της ανάμειξης.
• Εξευγενισμός κόκκων: Τα χονδρότερα σωματίδια σκωρίας μπορούν να θρυμματιστούν σε λεπτότερα κλάσματα, αυξάνοντας έτσι τη διαθέσιμη επιφάνεια.
• Περισσότερα σημεία πυρήνωσης: Τα θραυσματοποιημένα σωματίδια GBFS μπορούν να λειτουργήσουν ως κέντρα πυρήνωσης για τα προϊόντα ενυδάτωσης στη μήτρα του τσιμέντου.
• Ταχεία ενυδάτωση: Η καλύτερη κατανομή και οι εκτεθειμένες επιφάνειες μπορούν να αυξήσουν τη σωρευτική απελευθέρωση θερμότητας και να επιταχύνουν τη σκλήρυνση.
• Υψηλότερη αρχική αντοχή: Οι τσιμεντοκονίες με προσθήκη σκωρίας που έχουν υποβληθεί σε υπερήχους μπορούν να παρουσιάσουν σημαντική αύξηση της αντοχής σε θλίψη και κάμψη ήδη μετά από δύο μόνο ημέρες.
• Βελτιωμένη μικροδομή: Η υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να αυξήσει τους δείκτες νανοπορώδους και να τροποποιήσει τη δομή των πόρων, ιδίως στο εύρος πόρων 2–10 nm.

 

Ταχύτερη πήξη και πρόωρη αντοχή σε προκατασκευασμένο σκυρόδεμα με τη χρήση ισχυρών υπερήχων

Η μελέτη “Επίδραση της ισχύος-υπερήχων στη ρευστότητα και τη ρύθμιση των πάστας τσιμέντου Portland” Η μελέτη του Ch. Rößler εξετάζει πάστες τσιμέντου Πόρτλαντ με βάση το CEM I 42.5 R, αναλογία νερού προς τσιμέντο (w/c) 0,37 και 0,1% υπερπλαστικοποιητή πολυακρυλικού. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκε ένας υπερηχητικός μετατροπέας Hielscher UIP1000hd σε διάταξη συνεχούς ροής, προκειμένου να αξιολογηθεί κατά πόσον ο ισχυρός υπέρηχος θα μπορούσε να επιταχύνει την ενυδάτωση, να βελτιώσει τη ρευστότητα, να συντομεύσει το χρόνο πήξης και να αυξήσει την αρχική αντοχή.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ισχυρός υπέρηχος (PUS) επιταχύνει την κύρια περίοδο ενυδάτωσης. Η καμπύλη θερμοκρασίας καταδεικνύει μια νωρίτερη κορυφή ενυδάτωσης, ενώ οι εικόνες της μικροδομής μετά από πέντε ώρες έδειξαν μεγαλύτερες φάσεις C-S-H στην πάστα που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με υπέρηχο σε σύγκριση με το δείγμα αναφοράς.
Κύρια πλεονεκτήματα που επιτεύχθηκαν:

• Μεγαλύτερη ρευστότητα: η καθίζηση αυξήθηκε από 122 mm στην πάστα αναφοράς σε 158 mm μετά την επεξεργασία με PUS.
• Ταχύτερη πήξη: το πρώτο σετ μειώθηκε από 5 ώρες και 15 λεπτά σε 3 ώρες και 45 λεπτά, ενώ το τελευταίο σετ από 6 ώρες και 45 λεπτά σε 4 ώρες και 30 λεπτά.
• Επιταχυνόμενη σκλήρυνση: Η ταχύτητα παλμού με υπερήχους έδειξε ότι η σκλήρυνση πραγματοποιήθηκε περίπου 2 ώρες νωρίτερα.
• Υψηλότερη αρχική αντοχή: Τα πρίσματα κονιάματος που παρασκευάστηκαν από τσιμεντοκονίαμα επεξεργασμένο με PUS παρουσίασαν αυξημένη αντοχή σε θλίψη κατά τις πρώτες 24 ώρες.
• Δυναμικό εξοικονόμησης πόρων: Οι συγγραφείς υπολόγισαν ότι η εισροή ενέργειας περίπου 10 kWh/m³ τσιμεντοκονίας θα μπορούσε να επιταχύνει τη πήξη και την αρχική αντοχή κατά περίπου δύο ώρες, με εκτιμώμενο κόστος ≤ 1 ευρώ/m³ σκυροδέματος.
• Μειωμένη ζήτηση για πρόσμικτα: επειδή το PUS αύξησε τη ρευστότητα, οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η δοσολογία του υπερπλαστικοποιητή θα μπορούσε ενδεχομένως να μειωθεί.

Τα αποτελέσματα αυτά έχουν ιδιαίτερη σημασία για την παραγωγή προκατασκευασμένων στοιχείων από σκυρόδεμα, όπου η ταχύτερη πήξη και η πρόωρη αντοχή μπορούν να μειώσουν τον χρόνο χρήσης των καλουπιών, τις ενεργειακές απαιτήσεις για θέρμανση και τη διάρκεια των κύκλων παραγωγής.

 

 

Μεγαλύτερη αρχική αντοχή στην πάστα τσιμέντου με προσθήκη GBFS

Ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα για τις βιομηχανικές εφαρμογές τσιμέντου και κονιάματος είναι η βελτίωση της αντοχής σε πρώιμο στάδιο. Σύμφωνα με τους Lisowski et al. (2024), η επεξεργασία με παλμικούς υπερήχους σε τσιμεντοκονίες που περιείχαν 20% αποθέσεων GBFS οδήγησε σε σημαντικά υψηλότερη αντοχή μετά από δύο ημέρες. Οι αυξήσεις που αναφέρθηκαν έφτασαν έως και 132% στην αντοχή σε θλίψη και 58% στην αντοχή σε κάμψη.
Αυτό έχει μεγάλη σημασία για τα προκατασκευασμένα στοιχεία από σκυρόδεμα, τα ξηρά κονιάματα, τα κονιάματα επισκευής, τις κόλλες πλακιδίων και άλλα τσιμεντοειδή προϊόντα, όπου η έγκαιρη αποκόλληση από το καλούπι, η έγκαιρη αντοχή στη χειρισμό ή η ταχεία πρόοδος των εργασιών κατασκευής έχουν οικονομική σημασία.
Η αύξηση της αντοχής συσχετίστηκε με την αύξηση της σωρευτικής θερμότητας σκλήρυνσης, γεγονός που υποδηλώνει ότι η υπερηχητική επεξεργασία δεν βελτιώνει απλώς τη φυσική διασπορά, αλλά εντείνει επίσης την πρώιμη ενυδάτωση. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι τα υπερηχητικά κύματα υψηλής ισχύος θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους παραγωγούς να αξιοποιήσουν πιο αποτελεσματικά τη σκωρία, χωρίς να θυσιάζουν την αρχική απόδοση.

 

 

Η υπερηχητική θραύση καθιστά τα χονδρότερα κλάσματα σκωρίας πιο χρήσιμα

Ένα ιδιαίτερα σημαντικό αποτέλεσμα είναι η αποτελεσματική ενεργοποίηση των σχετικά χονδροειδών κλασμάτων GBFS. Η μελέτη κατέδειξε ότι το κλάσμα σκωρίας 125–250 μm παρείχε την καλύτερη αντοχή τόσο σε πρώιμο στάδιο όσο και μετά από 28 ημέρες, όταν συνδυάστηκε με τον διαχωρισμό των σωματιδίων της αποτιθέμενης σκωρίας και την επεξεργασία με ισχυρούς υπερήχους.
Αυτό έχει βιομηχανική σημασία, καθώς η άλεση της σκωρίας σε πολύ λεπτά σωματίδια απαιτεί μεγάλη κατανάλωση ενέργειας. Εάν η υπερηχητική επεξεργασία βελτιώσει την αντιδραστικότητα των χονδροειδών ή των αποτιθέμενων κλασμάτων GBFS, οι παραγωγοί θα μπορούν να μειώσουν τις απαιτήσεις άλεσης, να βελτιώσουν την αποδοτικότητα των πρώτων υλών και να αξιοποιήσουν καλύτερα τις ροές δευτερογενών υλικών.
 
Μάθετε πώς η υπερηχητική διασπορά διευκολύνει την παραγωγή τσιμεντοκονιαμάτων ενισχυμένων με νανοσωματίδια!

Βιομηχανική σημασία: Χρήση ισχυρών υπερήχων για την αποδοτική παραγωγή τσιμέντου και κονιάματος

Για τους βιομηχανικούς παραγωγούς τσιμέντου και κονιάματος, η υπερηχητική επεξεργασία προσφέρει διάφορα στρατηγικά πλεονεκτήματα. Μπορεί να ενσωματωθεί ως στάδιο εντατικοποίησης της διαδικασίας κατά την παρασκευή του πολτού, την ενεργοποίηση του συνδετικού υλικού, τη διασπορά των προσμίξεων ή την ανάμιξη κονιάματος υψηλής απόδοσης. Η τεχνολογία αυτή είναι ιδιαίτερα ελκυστική για προϊόντα που εξαρτώνται από την κατανομή των λεπτών σωματιδίων, την ταχεία ενυδάτωση και τη βέλτιστη χρήση συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών.

Τα βιομηχανικά οφέλη της παραγωγής τσιμέντου με υπερήχους περιλαμβάνουν:

• Υψηλότερη αρχική αντοχή χωρίς αύξηση της περιεκτικότητας σε κλίνκερ
• Καλύτερη ενεργοποίηση του GBFS και άλλων συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών
• Βελτιωμένη αξιοποίηση των κοκκωδών ή αποτιθέμενων κλασμάτων σκωρίας
• Μειωμένη συσσωμάτωση σε τσιμεντοειδή εναιωρήματα
• Πιο σταθερή συμπεριφορά ενυδάτωσης και σκλήρυνσης
• Πιθανή μείωση της έντασης άλεσης για επιλεγμένες ροές σκωρίας
• Βελτιωμένες επιδόσεις των συνθέσεων τσιμέντου με χαμηλή περιεκτικότητα σε κλίνκερ και χαμηλές εκπομπές άνθρακα

Αυτό καθιστά την υπερηχητική επεξεργασία ιδιαίτερα σημαντική για την παραγωγή βιώσιμου τσιμέντου, τσιμέντου σκωρίας, κονιαμάτων υψηλής απόδοσης, προκατασκευασμένων στοιχείων, υλικών επισκευής και ειδικών κατασκευαστικών προϊόντων.

Η υπερηχητική επεξεργασία ως εργαλείο για την τεχνολογία τσιμέντου χαμηλών εκπομπών άνθρακα

Η βιομηχανία τσιμέντου βρίσκεται υπό πίεση να μειώσει τις εκπομπές CO₂, και η μείωση του συντελεστή κλίνκερ αποτελεί έναν από τους πιο άμεσους τρόπους για να επιτευχθεί αυτό. Ωστόσο, τα υψηλότερα επίπεδα υποκατάστασης με GBFS, ιπτάμενη τέφρα, ασβεστοποιημένο πηλό ή άλλα συμπληρωματικά τσιμεντοειδή υλικά μπορούν να επιβραδύνουν την ανάπτυξη της αρχικής αντοχής. Ο ισχυρός υπέρηχος μπορεί να συμβάλει στην υπέρβαση αυτού του εμποδίου, βελτιώνοντας τη διασπορά, ενεργοποιώντας τα σωματίδια και επιταχύνοντας την πρώιμη ενυδάτωση.
Η υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να καταστήσει τις τσιμεντοειδείς πάστες με πρόσμιξη σκωρίας πιο αντιδραστικές και μηχανικά ανθεκτικότερες, ειδικά όταν η διαδικασία έχει βελτιστοποιηθεί ως προς την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων και τον χρόνο επεξεργασίας. Αυτός ο συνδυασμός έχει μεγάλη σημασία για τη μηχανική των συνδετικών υλικών σε βιομηχανική κλίμακα.

Συσκευές υπερήχων Hielscher για βελτιωμένη ενυδάτωση του τσιμέντου, αντοχή και αντιδραστικότητα της σκωρίας

Τα ενσωματωμένα συστήματα υπερήχων της Hielscher αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο για τη βελτίωση της ενυδάτωσης και της αντοχής του τσιμέντου, ιδίως σε τσιμεντοειδή συστήματα με προσθήκη σκωρίας.
Για τη βιομηχανική αποσυσσωμάτωση και διασπορά του τσιμέντου, τα υπερηχητικά συστήματα υψηλής απόδοσης της Hielscher παρέχουν την έντονη διατμητική δύναμη λόγω σπηλαίωσης που απαιτείται για τη διάσπαση των συσσωματωμάτων τσιμέντου, σκωρίας και ορυκτών πληρωτικών σε λεπτά διασκορπισμένα σωματίδια, βελτιώνοντας τη διαβροχή των σωματιδίων, την ενεργοποίηση της επιφάνειας και την ομοιογένεια στους τσιμεντοειδείς πολτούς. Τα συστήματα της Hielscher διατίθενται από επιτραπέζια και πιλοτικής κλίμακας έως ανθεκτικά συστήματα παραγωγής υψηλής απόδοσης, συμπεριλαμβανομένων των υψηλής ισχύος ενσωματωμένων συσκευών υπερήχων για τη συνεχή επεξεργασία τσιμεντοκονιάματος και ορυκτών εναιωρημάτων. Αυτό καθιστά την ανάπτυξη της διαδικασίας άμεσα κλιμακώσιμη από το στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης (R&D)&D έως πλήρη βιομηχανική παραγωγική ικανότητα. Με την εξάλειψη ή τη μείωση της ανάγκης για μέσα άλεσης, η αποσυσσωμάτωση με υπερήχους απλοποιεί την επεξεργασία, ελαχιστοποιεί τους κινδύνους μόλυνσης και μειώνει τον κόπο του καθαρισμού, παρέχοντας παράλληλα αναπαραγώγιμη ποιότητα διασποράς. Για τους κατασκευαστές τσιμέντου και κονιάματος, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher προσφέρουν επομένως μια πρακτική λύση για πιο ομοιόμορφα συστήματα συνδετικών υλικών, βελτιωμένη κινητική ενυδάτωσης, καλύτερη χρήση της GBFS και άλλων συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών, καθώς και συνθέσεις χαμηλής περιεκτικότητας σε κλίνκερ με υψηλότερη απόδοση.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση χωρητικότητας επεξεργασίας των συστημάτων υπερήχων υψηλής ισχύος που διαθέτουμε:

Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany

Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.

Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

---

---

 

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.