La sonicación mejora la hidratación y la resistencia del cemento

Los ultrasonidos de potencia, también conocidos como sonicación, están despertando interés como tecnología práctica de intensificación para la producción de cemento y mortero. Investigaciones recientes muestran que el tratamiento ultrasónico puede mejorar la dispersión de partículas, activar materiales cementicios suplementarios como la escoria granulada de alto horno (GBFS), acelerar la hidratación, refinar la estructura porosa y aumentar significativamente la resistencia a edades tempranas.

Cemento y mortero con escoria de mayor rendimiento mediante ultrasonidos de potencia

En la fabricación de cemento y la producción de mortero, uno de los principales retos técnicos es el uso eficiente de materiales cementicios suplementarios. La escoria granulada de alto horno, o GBFS, se utiliza ampliamente para reducir el contenido de clínker y mejorar la sostenibilidad. Sin embargo, las partículas de escoria gruesas o aglomeradas suelen reaccionar lentamente, lo que limita el desarrollo de la resistencia inicial. La sonicación ofrece una solución prometedora: utiliza cavitación acústica de alta intensidad para dispersar aglomerados, fragmentar partículas y aumentar el número de sitios de nucleación reactivos dentro de la matriz cementicia.

Por qué la sonicación es importante para la hidratación del cemento

La ventaja de la sonicación radica en su capacidad para actuar directamente sobre el sistema de partículas antes de la hidratación inicial y durante ella. En una suspensión cementicia, la cavitación ultrasónica genera fuerzas de cizallamiento localizadas, microchorros y fluctuaciones de presión. Estos efectos ayudan a disgregar aglomerados, dispersar partículas finas y exponer superficies minerales nuevas.
Para los productores de cemento y mortero, esto es importante porque la hidratación depende en gran medida de los procesos superficiales. Una mejor dispersión y unas partículas reactivas más pequeñas pueden aumentar el contacto entre el agua, las fases del clínker y las partículas de escoria. Esto puede dar lugar a una liberación de calor más rápida, un mejor endurecimiento inicial y una microestructura más densa.
En los sistemas con escoria, la sonicación es especialmente relevante porque la GBFS suele requerir activación. La fragmentación ultrasónica de las partículas de GBFS –denominada sonofragmentación– reduce el tamaño de las partículas, especialmente en la fracción de 125–250 μm.

Principales ventajas de la sonicación en la producción de cemento y mortero

Los ultrasonidos de potencia contribuyen a la producción industrial de cemento y mortero de varias formas:

• Mejor dispersión de partículas: La sonicación ayuda a dispersar el cemento, la escoria y las partículas minerales finas de forma más uniforme en la pasta o la mezcla de mortero.
• Menor aglomeración: El tratamiento ultrasónico puede disgregar agrupaciones de partículas y puede inhibir su reaglomeración durante la mezcla.
• Refinamiento del tamaño de grano: Las partículas de escoria más gruesas pueden fragmentarse en fracciones más finas, aumentando la superficie disponible.
• Más sitios de nucleación: Las partículas fragmentadas de GBFS pueden actuar como centros de nucleación de los productos de hidratación en la matriz cementicia.
• Hidratación acelerada: Una mejor dispersión y la exposición de superficies pueden aumentar la liberación acumulada de calor y el endurecimiento inicial.
• Mayor resistencia inicial: Las pastas de cemento con escoria sometidas a sonicación pueden presentar aumentos sustanciales de la resistencia a compresión y a flexión tras solo dos días.
• Microestructura mejorada: La sonicación puede aumentar los indicadores de nanoporosidad y modificar la estructura porosa, especialmente en el intervalo de poros de 2–10 nm.

 

Fraguado más rápido y resistencia inicial en el hormigón prefabricado mediante ultrasonidos de potencia

El estudio «Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes», de Ch. Rößler, investiga pastas de cemento Portland basadas en CEM I 42,5 R, con una relación agua/cemento de 0,37 y un 0,1% de superplastificante de poliacrilato. El estudio utilizó un sonicador Hielscher UIP1000hd en una configuración de flujo continuo para evaluar si los ultrasonidos de potencia podían acelerar la hidratación, mejorar la fluidez, acortar el fraguado y aumentar la resistencia inicial.
Los resultados muestran que los ultrasonidos de potencia (PUS) aceleran el período principal de hidratación. La curva de temperatura muestra un pico de hidratación más temprano, mientras que las imágenes de la microestructura tras cinco horas mostraron fases de C-S-H más grandes en la pasta tratada con ultrasonidos que en la de referencia.
Principales ventajas obtenidas:

• Mayor fluidez: el asentamiento aumentó de 122 mm en la pasta de referencia a 158 mm tras el tratamiento con PUS.
• Fraguado más rápido: el tiempo de fraguado inicial se redujo de 5 h 15 min a 3 h 45 min, y el de fraguado final de 6 h 45 min a 4 h 30 min.
• Rigidización acelerada: la velocidad de pulso ultrasónico indicó un endurecimiento aproximadamente 2 horas más rápido.
• Mayor resistencia inicial: los prismas de mortero elaborados con pasta de cemento tratada con PUS mostraron una mayor resistencia a compresión durante las primeras 24 horas.
• Potencial de mejora de la economía del proceso: los autores estimaron que un aporte de energía de aproximadamente 10 kWh/m³ de pasta de cemento podía adelantar el fraguado y el desarrollo de la resistencia inicial en unas dos horas, con un coste indicado de ≤ 1 Euro/m³ de hormigón.
• Menor demanda de aditivos: dado que los PUS aumentaron la fluidez, los autores concluyeron que podría reducirse la dosificación de superplastificante.

Estos resultados son especialmente relevantes para la producción de hormigón prefabricado, donde un fraguado más rápido y el desarrollo temprano de la resistencia pueden reducir el tiempo de permanencia en el encofrado, la demanda de calentamiento y la duración de los ciclos de producción.

 

 

Mayor resistencia inicial en pastas de cemento con GBFS

Uno de los hallazgos más importantes para las aplicaciones industriales de cemento y mortero es la mejora de la resistencia a edades tempranas. Según Lisowski et al. (2024), el tratamiento con ultrasonidos pulsados de pastas de cemento que contenían un 20% de GBFS depositada produjo una resistencia considerablemente mayor tras dos días. Los aumentos registrados alcanzaron hasta un 132% en la resistencia a compresión y un 58% en la resistencia a flexión.
Esto es muy relevante para el hormigón prefabricado, los morteros de mezcla seca, los morteros de reparación, los adhesivos para baldosas y otros productos cementicios en los que el desmoldeo temprano, la resistencia para la manipulación a edades tempranas o el avance rápido de la construcción tienen importancia económica.
El aumento de la resistencia se correlacionó con un incremento del calor acumulado de endurecimiento, lo que sugiere que la sonicación no solo mejora la dispersión física, sino que también intensifica la hidratación inicial. En términos prácticos, esto significa que los ultrasonidos de potencia podrían ayudar a los productores a utilizar la escoria de forma más eficaz sin sacrificar el rendimiento inicial.

 

 

La sonofragmentación permite aprovechar mejor las fracciones de escoria más gruesas

Un resultado especialmente valioso es la activación eficaz de fracciones de GBFS relativamente gruesas. El estudio constató que la fracción de escoria de 125–250 μm proporcionaba la mejor resistencia a edades tempranas y a los 28 días cuando se combinaba con la separación de partículas de escoria depositadas y el tratamiento con ultrasonidos de potencia.
Esto tiene importancia industrial porque la molienda de escoria hasta tamaños muy finos requiere mucha energía. Si la sonicación mejora la reactividad de las fracciones de GBFS más gruesas o depositadas, los productores pueden reducir las necesidades de molienda, mejorar la eficiencia en el uso de las materias primas y aprovechar mejor los flujos de materiales secundarios.
 
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Relevancia industrial: ultrasonidos de potencia para una producción eficiente de cemento y mortero

Para los productores industriales de cemento y mortero, la sonicación ofrece varias ventajas estratégicas. Puede integrarse como una etapa de intensificación del proceso durante la preparación de suspensiones, la activación de conglomerantes, la dispersión de aditivos o la mezcla de morteros de alto rendimiento. La tecnología resulta especialmente atractiva para productos que dependen de la distribución de partículas finas, una hidratación rápida y un uso optimizado de materiales cementicios suplementarios.

Las ventajas industriales de la producción de cemento mediante ultrasonidos incluyen:

• Mayor resistencia inicial sin aumentar el contenido de clínker
• Mejor activación de la GBFS y otros materiales cementicios suplementarios
• Mejor aprovechamiento de las fracciones de escoria gruesas o depositadas
• Menor aglomeración en las suspensiones cementicias
• Comportamiento de hidratación y endurecimiento más uniforme
• Posible reducción de la intensidad de molienda para determinados flujos de escoria
• Mejor rendimiento de las formulaciones de cemento con bajo contenido de clínker y baja huella de carbono

Esto hace que la sonicación sea muy relevante para la producción de cemento sostenible, cemento con escoria, morteros de alto rendimiento, elementos prefabricados, materiales de reparación y productos de construcción especiales.

La sonicación como herramienta para la tecnología del cemento de baja huella de carbono

La industria cementera está sometida a presión para reducir las emisiones de CO₂, y disminuir el factor clínker es una de las vías más directas. Sin embargo, unos niveles de sustitución más altos con GBFS, cenizas volantes, arcilla calcinada u otros materiales cementicios suplementarios pueden ralentizar el desarrollo de la resistencia inicial. Los ultrasonidos de potencia pueden ayudar a superar este cuello de botella mejorando la dispersión, activando las partículas y acelerando la hidratación inicial.
La sonicación puede hacer que las pastas de cemento con escoria sean más reactivas y tengan una mayor resistencia mecánica, especialmente cuando el proceso se optimiza en función de la fracción granulométrica y del tiempo de tratamiento. Esta combinación es muy relevante para el diseño de conglomerantes a escala industrial.

Sonicadores Hielscher para mejorar la hidratación y la resistencia del cemento y la reactividad de la escoria

Los sonicadores en línea de Hielscher son una potente herramienta para mejorar la hidratación y la resistencia del cemento, especialmente en sistemas cementicios con escoria.
Para la desaglomeración y dispersión industrial del cemento, los sonicadores de alto rendimiento de Hielscher proporcionan el intenso cizallamiento por cavitación necesario para disgregar los aglomerados de cemento, escoria y cargas minerales en partículas finamente dispersas, mejorando la humectación de las partículas, la activación superficial y la homogeneidad de las suspensiones cementicias. Los sistemas Hielscher están disponibles desde equipos de sobremesa y a escala piloto hasta robustos sistemas de producción de alta capacidad, incluidos sonicadores en línea de alta potencia para el procesamiento continuo de lechadas de cemento y suspensiones minerales. Esto permite escalar directamente el desarrollo del proceso desde la I+D hasta la plena capacidad de producción industrial. Al eliminar o reducir la necesidad de medios de molienda, la desaglomeración ultrasónica simplifica el procesamiento, minimiza los riesgos de contaminación y reduce el esfuerzo de limpieza, al tiempo que proporciona una calidad de dispersión reproducible. Por tanto, para los fabricantes de cemento y mortero, los sonicadores Hielscher ofrecen una vía práctica para obtener sistemas conglomerantes más uniformes, mejorar la cinética de hidratación, aprovechar mejor la GBFS y otros materiales cementicios suplementarios y obtener formulaciones de mayor rendimiento con bajo contenido de clínker.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sistemas de ultrasonidos de potencia:

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores Hielscher son conocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher soportan fácilmente condiciones severas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen con la conformidad CE y satisfacen los requisitos de UL, CSA y RoHs.

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Bibliografía / Referencias

• 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.