La sonicación mejora la hidratación y la resistencia del cemento

El ultrasonido de potencia, también conocido como sonicación, está despertando interés como tecnología práctica de intensificación para la producción de cemento y mortero. Investigaciones recientes demuestran que el tratamiento ultrasónico puede mejorar la dispersión de las partículas, activar los materiales cementosos complementarios, como la escoria granulada de alto horno (GBFS), acelerar la hidratación, refinar la estructura porosa y aumentar significativamente la resistencia en las primeras etapas.

Cemento y mortero con mezcla de escoria de mayor rendimiento gracias a la tecnología de ultrasonidos de alta potencia

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

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 y durante las primeras fases de hidratación. En una suspensión cementosa, la cavitación ultrasónica genera fuerzas de cizallamiento localizadas, microchorros y fluctuaciones de presión. Estos efectos contribuyen a desintegrar los aglomerados, dispersar las partículas finas y dejar al descubierto superficies minerales frescas.
Para los productores de cemento y mortero, esto es importante porque la hidratación depende en gran medida de la superficie. Una mejor dispersión y unas partículas reactivas más pequeñas pueden aumentar el contacto entre el agua, las fases del clinker y las partículas de escoria. Esto puede dar lugar a una liberación más rápida del calor, un endurecimiento inicial mejorado y una microestructura más densa.
En los sistemas con mezcla de escoria, la sonicación reviste especial importancia, ya que el GBFS suele requerir activación. Fragmentación ultrasónica de partículas – la denominada «sonofragmentación» – de las partículas de GBFS reduce el tamaño de las partículas, especialmente la fracción de 125-250 μm.

Ventajas clave de la sonicación en la producción de cemento y mortero

El ultrasonido de alta potencia contribuye a la producción industrial de cemento y mortero de varias maneras:

• Mejora en la dispersión de las 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 descomponer los agrupamientos de partículas y puede inhibir su reaglomeración durante la mezcla.
• Refinamiento del grano: Las partículas de escoria más gruesas pueden fragmentarse en fracciones más finas, lo que aumenta la superficie disponible.
• Más puntos de nucleación: Las partículas fragmentadas de GBFS pueden actuar como centros de nucleación para los productos de hidratación en la matriz del cemento.
• Hidratación acelerada: Una mejor dispersión y unas superficies más expuestas pueden aumentar la liberación acumulada de calor y acelerar el endurecimiento.
• Mayor resistencia inicial: Las pastas de cemento mezcladas con escoria y tratadas con ultrasonidos pueden presentar un aumento considerable de la resistencia a la compresión y a la flexión tras tan solo dos días.
• Microestructura mejorada: La sonicación puede aumentar los indicadores de nanoporosidad y modificar la estructura de los poros, especialmente en el rango de poros de 2 a 10 nm.

 

Endurecimiento más rápido y resistencia temprana en el hormigón prefabricado con ultrasonidos de alta potencia

El estudio “Influencia del ultrasonido de potencia en la fluidez y el fraguado de las pastas de cemento Portland” El estudio de Ch. Rößler analiza pastas de cemento Portland basadas en CEM I 42,5 R, con una relación agua-cemento de 0,37 y un superplastificante de poliacrilato al 0,1 %. En el estudio se utilizó un sonicador Hielscher UIP1000hd en configuración de flujo continuo para evaluar si el ultrasonido de alta potencia podía acelerar la hidratación, mejorar la fluidez, acortar el tiempo de fraguado y aumentar la resistencia inicial.
Los resultados muestran que el ultrasonido de potencia (PUS) acelera el periodo principal de hidratación. La curva de temperatura muestra un pico de hidratación más temprano, mientras que las imágenes de la microestructura tras cinco horas revelaron fases de C-S-H más grandes en la pasta tratada con ultrasonidos que en la de referencia.
Principales ventajas conseguidas:

• Mayor fluidez: La caída aumentó de 122 mm en la pasta de referencia a 158 mm tras el tratamiento con PUS.
• Fijación más rápida: La primera tanda se redujo de 5 h 15 min a 3 h 45 min, y la última tanda, de 6 h 45 min a 4 h 30 min.
• Rigidificación acelerada: La velocidad de pulso ultrasónico indicó un endurecimiento aproximadamente dos horas más rápido.
• Mayor resistencia inicial: Los prismas de mortero fabricados a partir de pasta de cemento tratada con PUS mostraron un aumento de la resistencia a la compresión durante las primeras 24 horas.
• Potencial de optimización de procesos: Los autores estimaron que un aporte energético de aproximadamente 10 kWh/m³ de pasta de cemento podría acelerar el fraguado y la resistencia inicial en unas dos horas, con un coste estimado de ≤ 1 euro/m³ de hormigón.
• Menor demanda de aditivos: Dado que el PUS aumentaba la fluidez, los autores concluyeron que podría reducirse la dosis de superplastificante.

Estos resultados son especialmente relevantes para la producción de hormigón prefabricado, donde un fraguado más rápido y una resistencia inicial más temprana pueden reducir el tiempo de encofrado, la demanda de calefacción y la duración de los ciclos de producción.

 

 

Mayor resistencia inicial en la pasta de cemento mezclada con GBFS

Uno de los hallazgos más importantes para las aplicaciones industriales del cemento y el mortero es la mejora de la resistencia en las primeras etapas. Según Lisowski et al. (2024), el tratamiento con ultrasonidos pulsados de pastas de cemento que contenían un 20 % de GBFS depositado produjo una resistencia considerablemente mayor al cabo de dos días. Los aumentos registrados alcanzaron hasta un 132 % en la resistencia a la compresión y un 58 % en la resistencia a la flexión.
Esto resulta de gran importancia para el hormigón prefabricado, los morteros de mezcla seca, los morteros de reparación, los adhesivos para baldosas y otros productos cementosos en los que el desencofrado precoz, la resistencia temprana a la manipulación o la rapidez en el avance de la obra revisten una gran 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 la práctica, esto significa que el ultrasonido de potencia podría ayudar a los productores a utilizar la escoria de forma más eficaz sin sacrificar el rendimiento inicial.

 

 

La sonofragmentación aumenta la utilidad de las fracciones más gruesas de escoria

Un resultado especialmente valioso es la activación eficaz de fracciones de GBFS relativamente gruesas. El estudio reveló que la fracción de escoria de 125-250 μm ofrecía la mejor resistencia tanto en las primeras etapas como a los 28 días cuando se combinaba con la separación de partículas de escoria depositadas y el tratamiento con ultrasonidos de alta potencia.
Esto reviste importancia industrial porque la molienda de la escoria hasta obtener partículas muy finas requiere un gran consumo de energía. Si la sonicación mejora la reactividad de las fracciones más gruesas o depositadas de GBFS, los productores pueden reducir la necesidad de molienda, mejorar la eficiencia de la materia prima y aprovechar mejor los flujos de materiales secundarios.
 
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Aplicaciones industriales: ultrasonidos de alta potencia para la producción eficiente de cemento y mortero

Para los fabricantes industriales de cemento y mortero, la sonicación ofrece varias ventajas estratégicas. Puede integrarse como una etapa de intensificación del proceso durante la preparación de la lechada, la activación del aglutinante, la dispersión de aditivos o la mezcla de morteros de alto rendimiento. Esta tecnología resulta especialmente atractiva para productos que dependen de una distribución fina de las partículas, una hidratación rápida y un uso optimizado de los materiales cementosos suplementarios.

Entre las ventajas industriales de la producción de cemento mediante ultrasonidos se incluyen:

• Mayor resistencia inicial sin aumentar el contenido de clinker
• Mejor activación del GBFS y otros materiales cementosos complementarios
• Mejor aprovechamiento de las fracciones gruesas o de escoria depositada
• Reducción de la aglomeración en suspensiones cementosas
• Comportamiento más uniforme en cuanto a la hidratación y el endurecimiento
• Posible reducción de la intensidad de trituración para determinadas corrientes de escoria
• Mejora del rendimiento de las formulaciones de cemento con bajo contenido en clinker y bajas emisiones de carbono

Esto hace que la sonicación sea de gran relevancia para la producción de cemento sostenible, cemento de escoria, morteros de alto rendimiento, elementos prefabricados, materiales de reparación y productos de construcción especializados.

La sonicación como herramienta para la tecnología del cemento con bajas emisiones de carbono

La industria del cemento se ve presionada para reducir las emisiones de CO₂, y la reducción del factor de clinker es una de las vías más directas para lograrlo. Sin embargo, unos niveles más elevados de sustitución con GBFS, cenizas volantes, arcilla calcinada u otros materiales cementosos suplementarios pueden ralentizar el desarrollo de la resistencia inicial. El ultrasonido de alta potencia puede 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 mezcladas con escoria sean más reactivas y mecánicamente más resistentes, especialmente cuando el proceso se optimiza en cuanto a la fracción granulométrica y el tiempo de tratamiento. Esa combinación es de gran relevancia para la ingeniería de ligantes a escala industrial.

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

Los sonicadores en línea de Hielscher son una herramienta eficaz para mejorar la hidratación y la resistencia del cemento, especialmente en sistemas cementosos con mezcla de escoria.
Para la desaglomeración y dispersión industrial del cemento, los sonicadores de alto rendimiento de Hielscher proporcionan el intenso cizallamiento cavitacional necesario para romper los aglomerados de cemento, escoria y rellenos minerales en partículas finamente dispersas, mejorando la humectación de las partículas, la activación superficial y la homogeneidad en las lechadas cementosas. Los sistemas de Hielscher están disponibles desde modelos de sobremesa y a escala piloto hasta robustos sistemas de producción de alto rendimiento, incluyendo sonicadores en línea de alta potencia para el procesamiento continuo de lechadas de cemento y suspensiones minerales. Esto permite que el desarrollo del proceso sea directamente escalable desde la I+D&D hasta alcanzar el rendimiento industrial completo. Al eliminar o reducir la necesidad de utilizar medios de molienda, la desaglomeración ultrasónica simplifica el procesamiento, minimiza los riesgos de contaminación y reduce el esfuerzo de limpieza, al tiempo que ofrece una calidad de dispersión reproducible. Para los fabricantes de cemento y mortero, los sonicadores de Hielscher ofrecen, por lo tanto, una vía práctica para obtener sistemas aglutinantes más uniformes, una cinética de hidratación mejorada, un mejor aprovechamiento de los GBFS y otros materiales cementosos suplementarios, así como formulaciones con bajo contenido en clinker y de mayor rendimiento.

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de tratamiento aproximada de nuestros sistemas de ultrasonidos de potencia:

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

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Literatura / 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.