Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει την ενυδάτωση και την αντοχή του τσιμέντου

Οι υπέρηχοι ισχύος, η εφαρμογή των οποίων είναι επίσης γνωστή ως κατεργασία με υπερήχους, προσελκύουν το ενδιαφέρον ως πρακτική τεχνολογία εντατικοποίησης για την παραγωγή τσιμέντου και κονιαμάτων. Πρόσφατες έρευνες δείχνουν ότι η κατεργασία 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 καταστήσει λεπτότερη τη δομή των πόρων και να αυξήσει σημαντικά την αντοχή σε πρώιμη ηλικία.

Τσιμέντο και κονιάματα με προσθήκη σκωρίας και υψηλότερες επιδόσεις χάρη στους υπερήχους ισχύος

Στην παραγωγή τσιμέντου και κονιαμάτων, μία από τις σημαντικότερες τεχνικές προκλήσεις είναι η αποδοτική χρήση συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών. Η κοκκοποιημένη σκωρία υψικαμίνου, ή GBFS, χρησιμοποιείται ευρέως για τη μείωση της περιεκτικότητας σε κλίνκερ και τη βελτίωση της βιωσιμότητας. Ωστόσο, τα χονδρόκοκκα ή συσσωματωμένα σωματίδια σκωρίας συχνά αντιδρούν αργά, περιορίζοντας την ανάπτυξη πρώιμης αντοχής. Η κατεργασία με υπερήχους προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη λύση: χρησιμοποιεί ακουστική σπηλαίωση υψηλής έντασης για τη διασπορά των συσσωματωμάτων, τον κατακερματισμό των σωματιδίων και την αύξηση του αριθμού των ενεργών θέσεων πυρηνογένεσης μέσα στη μήτρα του τσιμέντου.

Γιατί η κατεργασία με υπερήχους είναι σημαντική για την ενυδάτωση του τσιμέντου

Το πλεονέκτημα της κατεργασίας με υπερήχους έγκειται στην ικανότητά της να δρα απευθείας στο σύστημα σωματιδίων πριν από την πρώιμη ενυδάτωση και κατά τη διάρκειά της. Σε ένα τσιμεντοειδές αιώρημα, η σπηλαίωση από υπερήχους δημιουργεί τοπικές δυνάμεις διάτμησης, μικροπίδακες και διακυμάνσεις πίεσης. Αυτά τα φαινόμενα συμβάλλουν στη διάσπαση των συσσωματωμάτων, στη διασπορά των λεπτών σωματιδίων και στην έκθεση νέων επιφανειών των ορυκτών.
Για τους παραγωγούς τσιμέντου και κονιαμάτων, αυτό είναι σημαντικό επειδή η ενυδάτωση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις επιφάνειες. Η καλύτερη διασπορά και τα μικρότερα δραστικά σωματίδια μπορούν να αυξήσουν την επαφή μεταξύ του νερού, των φάσεων του κλίνκερ και των σωματιδίων σκωρίας. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερη έκλυση θερμότητας, βελτιωμένη πρώιμη σκλήρυνση και πυκνότερη μικροδομή.
Σε συστήματα με προσθήκη σκωρίας, η κατεργασία με υπερήχους έχει ιδιαίτερη σημασία επειδή η GBFS συχνά απαιτεί ενεργοποίηση. Ο κατακερματισμός των σωματιδίων GBFS με υπερήχους – ο λεγόμενος ηχοκατακερματισμός – μειώνει το μέγεθος των σωματιδίων, ιδιαίτερα στο κλάσμα 125–250 μm.

Βασικά πλεονεκτήματα της κατεργασίας με υπερήχους στην παραγωγή τσιμέντου και κονιαμάτων

Οι υπέρηχοι ισχύος υποστηρίζουν τη βιομηχανική παραγωγή τσιμέντου και κονιαμάτων με διάφορους τρόπους:

• Βελτιωμένη διασπορά σωματιδίων: Η κατεργασία με υπερήχους βοηθά στην πιο ομοιόμορφη διασπορά του τσιμέντου, της σκωρίας και των λεπτών ορυκτών σωματιδίων στον πολτό ή στο μείγμα κονιάματος.
• Μειωμένη συσσωμάτωση: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να διασπάσει συσσωματώματα σωματιδίων και ενδέχεται να αναστείλει την επανασυσσωμάτωση κατά την ανάμειξη.
• Εκλέπτυνση κόκκων: Τα χονδρότερα σωματίδια σκωρίας μπορούν να κατακερματιστούν σε λεπτότερα κλάσματα, αυξάνοντας τη διαθέσιμη επιφάνεια.
• Περισσότερες θέσεις πυρηνογένεσης: Τα κατακερματισμένα σωματίδια GBFS μπορούν να λειτουργήσουν ως κέντρα πυρηνογένεσης για τα προϊόντα ενυδάτωσης στη μήτρα του τσιμέντου.
• Επιταχυνόμενη ενυδάτωση: Η καλύτερη διασπορά και οι εκτεθειμένες επιφάνειες μπορούν να αυξήσουν τη σωρευτική έκλυση θερμότητας και να ενισχύσουν την πρώιμη σκλήρυνση.
• Υψηλότερη πρώιμη αντοχή: Οι τσιμεντοπολτοί με προσθήκη σκωρίας που έχουν υποστεί κατεργασία με υπερήχους μπορούν να παρουσιάσουν σημαντικές αυξήσεις της αντοχής σε θλίψη και κάμψη μετά από μόλις δύο ημέρες.
• Βελτιωμένη μικροδομή: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να αυξήσει τους δείκτες νανοπορώδους και να τροποποιήσει τη δομή των πόρων, ιδιαίτερα στην περιοχή μεγεθών πόρων 2–10 nm.

 

Ταχύτερη πήξη και ανάπτυξη πρώιμης αντοχής στο προκατασκευασμένο σκυρόδεμα με υπερήχους ισχύος

Η μελέτη «Επίδραση των υπερήχων ισχύος στη ρευστότητα και την πήξη των τσιμεντοπολτών Portland» με συγγραφέα Ch. Rößler εξετάζει τσιμεντοπολτούς Portland με βάση το CEM I 42,5 R, με λόγο νερού προς τσιμέντο (w/c) 0,37 και 0,1% πολυακρυλικό υπερρευστοποιητή. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκε συσκευή υπερήχων Hielscher UIP1000hd σε διάταξη συνεχούς ροής, για να αξιολογηθεί κατά πόσον οι υπέρηχοι ισχύος θα μπορούσαν να επιταχύνουν την ενυδάτωση, να βελτιώσουν τη ρευστότητα, να συντομεύσουν την πήξη και να αυξήσουν την πρώιμη αντοχή.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι υπέρηχοι ισχύος (PUS) επιταχύνουν την κύρια περίοδο ενυδάτωσης. Η καμπύλη θερμοκρασίας δείχνει ότι η κορυφή ενυδάτωσης εμφανίζεται νωρίτερα, ενώ οι εικόνες της μικροδομής μετά από πέντε ώρες έδειξαν μεγαλύτερες φάσεις C-S-H στον πολτό που υποβλήθηκε σε κατεργασία με υπερήχους από ό,τι στον πολτό αναφοράς.
Κύρια πλεονεκτήματα που επιτεύχθηκαν:

• Υψηλότερη ρευστότητα: η κάθιση αυξήθηκε από 122 mm στον πολτό αναφοράς σε 158 mm μετά την κατεργασία με PUS.
• Ταχύτερη πήξη: ο χρόνος έναρξης της πήξης μειώθηκε από 5 h 15 min σε 3 h 45 min και ο χρόνος λήξης της πήξης από 6 h 45 min σε 4 h 30 min.
• Επιταχυνόμενη αύξηση της ακαμψίας: η ταχύτητα διάδοσης των υπερηχητικών παλμών υπέδειξε σκλήρυνση ταχύτερη κατά περίπου 2 ώρες.
• Υψηλότερη πρώιμη αντοχή: τα πρισματικά δοκίμια κονιάματος που παρασκευάστηκαν από τσιμεντοπολτό κατεργασμένο με PUS εμφάνισαν αυξημένη θλιπτική αντοχή κατά τις πρώτες 24 ώρες.
• Δυνατότητα βελτίωσης της οικονομικότητας της διεργασίας: οι συγγραφείς εκτίμησαν ότι η εισαγωγή ενέργειας περίπου 10 kWh/m³ τσιμεντοπολτού θα μπορούσε να επιταχύνει την πήξη και την ανάπτυξη πρώιμης αντοχής κατά περίπου δύο ώρες, με ενδεικτικό κόστος ≤ 1 ευρώ/m³ σκυροδέματος.
• Μειωμένη απαίτηση σε πρόσμικτα: επειδή οι PUS αύξησαν τη ρευστότητα, οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η δοσολογία του υπερρευστοποιητή θα μπορούσε ενδεχομένως να μειωθεί.

Τα αποτελέσματα αυτά έχουν ιδιαίτερη σημασία για την παραγωγή προκατασκευασμένου σκυροδέματος, όπου η ταχύτερη πήξη και η πρώιμη αντοχή μπορούν να μειώσουν τον χρόνο παραμονής στα καλούπια, τις ανάγκες θέρμανσης και τη διάρκεια των κύκλων παραγωγής.

 

 

Υψηλότερη πρώιμη αντοχή σε τσιμεντοπολτό με προσθήκη GBFS

Ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα για τις βιομηχανικές εφαρμογές τσιμέντου και κονιαμάτων είναι η βελτίωση της αντοχής σε πρώιμη ηλικία. Σύμφωνα με τους Lisowski et al. (2024), η κατεργασία τσιμεντοπολτών που περιείχαν 20% εναποτεθειμένη GBFS με παλμικούς υπερήχους παρήγαγε σημαντικά υψηλότερη αντοχή μετά από δύο ημέρες. Οι αναφερόμενες αυξήσεις έφτασαν έως και το 132% στη θλιπτική αντοχή και το 58% στην καμπτική αντοχή.
Αυτό έχει μεγάλη σημασία για το προκατασκευασμένο σκυρόδεμα, τα κονιάματα ξηρής ανάμειξης, τα επισκευαστικά κονιάματα, τις κόλλες πλακιδίων και άλλα τσιμεντοειδή προϊόντα, όπου το πρώιμο ξεκαλούπωμα, η πρώιμη αντοχή που επιτρέπει τον χειρισμό ή η ταχεία πρόοδος των κατασκευαστικών εργασιών έχουν οικονομική σημασία.
Η αύξηση της αντοχής συσχετίστηκε με αυξημένη αθροιστική θερμότητα σκλήρυνσης, υποδηλώνοντας ότι η κατεργασία με υπερήχους δεν βελτιώνει απλώς τη φυσική διασπορά, αλλά εντατικοποιεί και την πρώιμη ενυδάτωση. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι οι υπέρηχοι ισχύος θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους παραγωγούς να χρησιμοποιούν τη σκωρία αποτελεσματικότερα χωρίς να θυσιάζουν τις επιδόσεις σε πρώιμη ηλικία.

 

 

Ο κατακερματισμός με υπερήχους καθιστά χρησιμότερα τα πιο χονδρόκοκκα κλάσματα σκωρίας

Ένα ιδιαίτερα πολύτιμο αποτέλεσμα είναι η αποτελεσματική ενεργοποίηση σχετικά χονδρόκοκκων κλασμάτων GBFS. Η μελέτη διαπίστωσε ότι το κλάσμα σκωρίας 125–250 μm απέδωσε την καλύτερη αντοχή τόσο σε πρώιμη ηλικία όσο και στις 28 ημέρες, όταν συνδυάστηκε με διαχωρισμό εναποτεθειμένων σωματιδίων σκωρίας και κατεργασία με υπερήχους ισχύος.
Αυτό έχει βιομηχανική σημασία, επειδή η άλεση της σκωρίας σε πολύ λεπτά μεγέθη είναι ενεργοβόρα. Εάν η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη δραστικότητα των πιο χονδρόκοκκων ή εναποτεθειμένων κλασμάτων GBFS, οι παραγωγοί μπορούν να μειώσουν τις απαιτήσεις άλεσης, να βελτιώσουν την αποδοτικότητα χρήσης των πρώτων υλών και να αξιοποιήσουν καλύτερα τα ρεύματα δευτερογενών υλικών.
 
Μάθετε πώς η διασπορά με υπερήχους διευκολύνει την παραγωγή τσιμεντοκονιαμάτων ενισχυμένων με νανοϋλικά!

Βιομηχανική σημασία: Υπέρηχοι ισχύος για αποδοτική παραγωγή τσιμέντου και κονιαμάτων

Για τους βιομηχανικούς παραγωγούς τσιμέντου και κονιαμάτων, η κατεργασία με υπερήχους προσφέρει διάφορα στρατηγικά πλεονεκτήματα. Μπορεί να ενσωματωθεί ως στάδιο εντατικοποίησης της διεργασίας κατά την παρασκευή πολτού, την ενεργοποίηση συνδετικών υλικών, τη διασπορά προσμίκτων ή την ανάμειξη κονιαμάτων υψηλών επιδόσεων. Η τεχνολογία είναι ιδιαίτερα ελκυστική για προϊόντα που εξαρτώνται από την κατανομή λεπτών σωματιδίων, την ταχεία ενυδάτωση και τη βελτιστοποιημένη χρήση συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών.

Τα βιομηχανικά οφέλη της παραγωγής τσιμέντου με υπερήχους περιλαμβάνουν:

• Υψηλότερη πρώιμη αντοχή χωρίς αύξηση της περιεκτικότητας σε κλίνκερ
• Καλύτερη ενεργοποίηση της GBFS και άλλων συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών
• Βελτιωμένη αξιοποίηση χονδρόκοκκων κλασμάτων σκωρίας ή κλασμάτων εναποτεθειμένης σκωρίας
• Μειωμένη συσσωμάτωση στα τσιμεντοειδή αιωρήματα
• Πιο σταθερή συμπεριφορά ενυδάτωσης και σκλήρυνσης
• Δυνητική μείωση της έντασης άλεσης για επιλεγμένα ρεύματα σκωρίας
• Βελτιωμένες επιδόσεις συνθέσεων τσιμέντου χαμηλής περιεκτικότητας σε κλίνκερ και χαμηλών εκπομπών άνθρακα

Αυτό καθιστά την κατεργασία με υπερήχους ιδιαίτερα σημαντική για την παραγωγή βιώσιμου τσιμέντου, σκωριοτσιμέντου, κονιαμάτων υψηλών επιδόσεων, προκατασκευασμένων στοιχείων, επισκευαστικών υλικών και ειδικών δομικών προϊόντων.

Η κατεργασία με υπερήχους ως εργαλείο για την τεχνολογία τσιμέντου χαμηλών εκπομπών άνθρακα

Η τσιμεντοβιομηχανία δέχεται πιέσεις για τη μείωση των εκπομπών CO₂ και η μείωση του συντελεστή κλίνκερ αποτελεί μία από τις πιο άμεσες οδούς. Ωστόσο, τα υψηλότερα ποσοστά αντικατάστασης με GBFS, ιπτάμενη τέφρα, ασβεστοποιημένη άργιλο ή άλλα συμπληρωματικά τσιμεντοειδή υλικά μπορούν να επιβραδύνουν την ανάπτυξη της πρώιμης αντοχής. Οι υπέρηχοι ισχύος ενδέχεται να βοηθήσουν στην υπέρβαση αυτού του περιορισμού, βελτιώνοντας τη διασπορά, ενεργοποιώντας τα σωματίδια και επιταχύνοντας την πρώιμη ενυδάτωση.
Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να καταστήσει τις τσιμεντόπαστες με προσθήκη σκωρίας πιο δραστικές και μηχανικά ανθεκτικότερες, ιδιαίτερα όταν η διεργασία βελτιστοποιείται ως προς το κοκκομετρικό κλάσμα και τον χρόνο κατεργασίας. Αυτός ο συνδυασμός έχει μεγάλη σημασία για τον σχεδιασμό συνδετικών υλικών σε βιομηχανική κλίμακα.

Συσκευές υπερήχων Hielscher για βελτιωμένη ενυδάτωση και αντοχή του τσιμέντου και αυξημένη δραστικότητα της σκωρίας

Οι συσκευές υπερήχων Hielscher για εγκατάσταση εντός γραμμής αποτελούν ισχυρό εργαλείο για τη βελτίωση της ενυδάτωσης και της αντοχής του τσιμέντου, ιδιαίτερα σε τσιμεντοειδή συστήματα με προσθήκη σκωρίας.
Για τη βιομηχανική αποσυσσωμάτωση και διασπορά του τσιμέντου, οι συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων της Hielscher παρέχουν την έντονη διάτμηση λόγω σπηλαίωσης που απαιτείται για τη διάσπαση συσσωματωμάτων τσιμέντου, σκωρίας και ορυκτών πληρωτικών υλικών σε λεπτά διασπαρμένα σωματίδια, βελτιώνοντας τη διαβροχή των σωματιδίων, την ενεργοποίηση των επιφανειών και την ομοιογένεια των τσιμεντοειδών πολτών. Τα συστήματα Hielscher διατίθενται από επιτραπέζια και πιλοτική κλίμακα έως ανθεκτικά συστήματα παραγωγής υψηλής παραγωγικής δυναμικότητας, συμπεριλαμβανομένων συσκευών υπερήχων υψηλής ισχύος για εγκατάσταση εντός γραμμής και συνεχή επεξεργασία τσιμεντενέματος και ορυκτών αιωρημάτων. Αυτό επιτρέπει την άμεση κλιμάκωση της ανάπτυξης διεργασιών από την έρευνα και ανάπτυξη έως την πλήρη βιομηχανική παραγωγική δυναμικότητα. Εξαλείφοντας ή μειώνοντας την ανάγκη για μέσα άλεσης, η αποσυσσωμάτωση με υπερήχους απλοποιεί την επεξεργασία, ελαχιστοποιεί τους κινδύνους επιμόλυνσης και μειώνει την απαιτούμενη εργασία καθαρισμού, παρέχοντας παράλληλα αναπαραγώγιμη ποιότητα διασποράς. Για τους κατασκευαστές τσιμέντου και κονιαμάτων, οι συσκευές υπερήχων Hielscher προσφέρουν επομένως μια πρακτική οδό προς πιο ομοιόμορφα συστήματα συνδετικών υλικών, βελτιωμένη κινητική ενυδάτωσης, καλύτερη αξιοποίηση της GBFS και άλλων συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών και συνθέσεις χαμηλής περιεκτικότητας σε κλίνκερ με υψηλότερες επιδόσεις.

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

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτική – Ποιότητα κατασκευής από τη Γερμανία

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστές για τα ανώτατα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η στιβαρότητα και η ευκολία χειρισμού επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ανταποκρίνονται εύκολα σε αντίξοες συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση στις συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και είναι φιλικές προς τον χρήστη. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE 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.