Ultrahelitöötlus parandab tsemendi hüdratatsiooni ja tugevust

Võimsusultraheli, mida tuntakse ka sonikatsioonina, on pälvinud tähelepanu praktilise intensiivistamistehnoloogiana tsemendi ja mördi tootmisel. Hiljutised uuringud näitavad, et ultrahelitöötlus võib parandada osakeste dispersiooni, aktiveerida täiendavaid tsementmaterjale, nagu granuleeritud kõrgahjuslagi (GBFS), kiirendada hüdratatsiooni, täiustada pooride struktuuri ja oluliselt suurendada varajast tugevust.

Kõrgema jõudlusega räbu-segatud tsement ja mört, millele on rakendatud võimsat ultraheli

Tsemendi- ja mörditootmises on üks peamisi tehnilisi väljakutseid täiendavate tsementmaterjalide tõhus kasutamine. Granuleeritud kõrgahjuslagi (GBFS) kasutatakse laialdaselt klinkri sisalduse vähendamiseks ja jätkusuutlikkuse parandamiseks. Kuid jämedad või aglomeerunud räbuosakesed reageerivad sageli aeglaselt, mis piirab varajase tugevuse arengut. Ultrahelitöötlus pakub paljulubavat lahendust: see kasutab suure intensiivsusega akustilist kavitatsiooni aglomeeraatide hajutamiseks, osakeste tükeldamiseks ja reaktiivsete tuumakujunemiskohtade arvu suurendamiseks tsemendimatriisis.

Miks ultraheliravi on tsemendi hüdratatsiooni seisukohalt oluline

Ultrahelitöötluse eelis seisneb selles, et see mõjub osakeste süsteemile otseselt enne ja varases hüdratatsioonifaasis. Tsementpõhises suspensioonis tekitab ultraheli kavitatsioon lokaalseid nihkejõude, mikrojette ja rõhukõikumisi. Need mõjud aitavad aglomeeraate lagundada, peeneid osakesi hajutada ja paljastada värskeid mineraalpindu.
Tsemendi- ja mörditootjate jaoks on see oluline, kuna hüdratatsioon sõltub suuresti pinnast. Parem dispersioon ja väiksemad reaktiivsed osakesed võivad suurendada vee, klinkri faaside ja räbuosakeste vahelist kontakti. See võib kaasa tuua kiirema soojuse eraldumise, parema varajase kõvenemise ja tihedama mikrostruktuuri.
Slagiga segatud süsteemides on ultrahelitöötlus eriti oluline, kuna GBFS vajab sageli aktiveerimist. Osakeste purustamine ultraheliga – nn sonofragmentatsioon – GBFS-osakeste kasutamine vähendab osakeste suurust, eriti 125–250 μm fraktsiooni.

Ultrahelitöötluse peamised eelised tsemendi ja mördi tootmises

Võimsusultraheli toetab tööstuslikku tsemendi- ja mörditootmist mitmel viisil:

• Osakeste paremat jaotumist: Ultraheli abil saab tsementi, räbu ja peeneid mineraalosakesi pastas või mördisegus ühtlasemalt laiali jaotada.
• Aglomeratsiooni vähenemine: Ultraheliravi võib osakeste klastreid lagundada ja takistada nende uuesti kokkukleepumist segamise ajal.
• Teravilja täiustamine: Jämedamad räbuosakesed saab purustada peenemateks osakesteks, suurendades seeläbi kasutatavat pindala.
• Veel tuumakujunemiskohti: Tükeldunud GBFS-osakesed võivad toimida hüdratatsioonisaaduste tuumikukeskmetena tsementmaatriksis.
• Kiirendatud niisutamine: Parem jaotumine ja paljastunud pinnad võivad suurendada kumulatiivset soojuseraldust ja kiirendada kõvenemist.
• Suurem algne tugevus: Ultraheliga töödeldud räbu lisandiga tsementpastad võivad juba kahe päeva möödudes näidata märkimisväärset survetugevuse ja paindetugevuse kasvu.
• Täiustatud mikrostruktuur: Ultrahelitöötlus võib suurendada nanopoorusnäitajaid ja muuta pooride struktuuri, eriti 2–10 nm suuruste pooride puhul.

 

Kiirem kõvenemine ja varajane tugevus võimsusultraheliga töödeldud betoonelementides

Uuring “Power-ultraheli mõju portlandtsemendi pastade voolavusele ja seadistamisele” Ch. Rößleri uurimus käsitleb Portland-tsementpastasid, mille aluseks on CEM I 42,5 R, vee-tsemendi suhe 0,37 ja 0,1% polüakrülaat-superplastifikaatorit. Uuringus kasutati Hielscher UIP1000hd ultraheliseadet läbivoolu seadistuses, et hinnata, kas võimsusultraheli suudab kiirendada hüdratatsiooni, parandada voolavust, lühendada kivistumisaega ja suurendada varajast tugevust.
Tulemused näitavad, et võimsusultraheli (PUS) kiirendab peamist hüdratatsiooniperioodi. Temperatuurikõver näitab, et hüdratatsiooni tipp saavutatakse varem, samas kui viie tunni möödudes tehtud mikrostruktuuripildid näitasid, et ultraheliga töödeldud pastas olid C-S-H-faasid suuremad kui võrdlusproovis.
Saavutatud peamised eelised:

• Parem voolavus: langus suurenes võrdluspastas 122 mm-lt 158 mm-ni pärast PUS-töötlust.
• Kiirem seadistamine: esimene sett lühendati 5 tunnist 15 minutist 3 tunnile 45 minutile ja viimane sett 6 tunnist 45 minutist 4 tunnile 30 minutile.
• Kiirendatud tahkestumine: Ultraheliimpulsi kiirus näitas, et kõvenemine toimus ligikaudu 2 tundi kiiremini.
• Suurem algne tugevus: PUS-iga töödeldud tsementpastast valmistatud mördi prismaid iseloomustas suurenenud survetugevus esimese 24 tunni jooksul.
• Protsessi ökonoomsuse potentsiaal: Autorite hinnangul võiks umbes 10 kWh/m³ tsementpastale suunatud energiasisend kiirendada kõvenemist ja varajast tugevust ligikaudu kahe tunni võrra, kusjuures sellega seotud kulud oleksid ≤ 1 euro/m³ betooni.
• Segusisalduse nõudluse vähenemine: Kuna PUS suurendas vedelust, järeldasid autorid, et superplastifikaatori annust võiks potentsiaalselt vähendada.

Need tulemused on eriti olulised betoonelementide tootmise puhul, kus kiirem kõvenemine ja varajane tugevus võivad lühendada raketise kasutusaega, vähendada küttevajadust ja lühendada tootmistsükli aega.

 

 

GBFS-segatud tsementpastal on suurem algne tugevus

Üks olulisemaid tulemusi tööstusliku tsemendi ja mördi rakenduste puhul on varajase tugevuse paranemine. Lisowski jt (2024) andmetel andis 20% sadestatud GBFS-i sisaldavate tsementpastade impulss-ultrahelitöötlus kahe päeva möödudes märkimisväärselt suurema tugevuse. Teatatud tugevuse kasv ulatus kuni 132%ni survetugevuse ja 58%ni paindetugevuse puhul.
See on eriti oluline betoonelementide, kuivsegumördi, remondimördi, plaadiliimide ja muude tsementpõhiste toodete puhul, mille puhul on majanduslikult oluline varajane vormist eemaldamine, varajane käitlemistugevus või kiire ehitustööde edenemine.
Tugevuse suurenemine oli seotud kõvenemise kumulatiivse soojuse suurenemisega, mis viitab sellele, et ultrahelitöötlus ei paranda mitte ainult füüsilist dispersiooni, vaid kiirendab ka varajast hüdratatsiooni. Praktikas tähendab see, et võimsusultraheli võiks aidata tootjatel kasutada räbu tõhusamalt, ohustamata seejuures toote varajast toimivust.

 

 

Sonofragmentatsioon muudab jämedamad räbufraktsioonid kasulikumaks

Eriti väärtuslikuks tulemuseks on suhteliselt jämedate GBFS-fraktsioonide tõhus aktiveerimine. Uuringust selgus, et 125–250 μm suurune räbufraktsioon tagas parima varajase ja 28-päevase tugevuse, kui seda kombineeriti sadestunud räbuosakeste eraldamise ja võimsate ultraheliravi meetoditega.
See on tööstuslikult oluline, kuna räbu peenestamine väga peeneks on energiamahukas. Kui ultrahelitöötlus parandab jämedamate või ladestunud GBFS-fraktsioonide reaktsioonivõimet, saavad tootjad vähendada peenestamisvajadust, parandada tooraine kasutamise efektiivsust ja kasutada sekundaarseid materjalivooge paremini ära.
 
Uuri, kuidas ultrahelidispersioon hõlbustab nanomaterjalidega tugevdatud tsementmörtide tootmist!

Tööstuslik tähtsus: võimas ultraheli tõhusa tsemendi ja mördi tootmiseks

Tööstuslikele tsemendi- ja mörditootjatele pakub ultrahelitöötlus mitmeid strateegilisi eeliseid. Seda saab integreerida protsessi intensiivistamise etapina suspensiooni valmistamise, sideaine aktiveerimise, lisandite dispersiooni või kõrge jõudlusega mördi segamise käigus. See tehnoloogia on eriti atraktiivne toodete puhul, mille puhul on oluline peenete osakeste jaotus, kiire hüdratatsioon ja täiendavate tsementmaterjalide optimeeritud kasutamine.

Ultraheli abil toimuva tsemenditootmise tööstuslikud eelised on järgmised:

• Suurem algtugevus ilma klinkri sisalduse suurendamiseta
• GBFS-i ja muude täiendavate tsementmaterjalide parem aktiveerimine
• Jämedate või ladestunud räbu fraktsioonide tõhusam kasutamine
• Aglomeratsiooni vähenemine tsementpõhistes suspensioonides
• Ühtlasem niisutamine ja kõvenemine
• Valitud räbuvoolude jahvatamisintensiivsuse võimalik vähendamine
• Madala klinkri- ja madala süsinikusisaldusega tsemendisegude parandatud omadused

Seetõttu on ultraheli kasutamine äärmiselt oluline jätkusuutliku tsemendi, räbutsemendi, kõrge tugevusega mörtide, monteeritavate elementide, remondimaterjalide ja spetsiaalsete ehitustoodete tootmisel.

Ultraheli kui vahend madala süsinikdioksiidiheitega tsemenditehnoloogias

Tsemenditööstus on surve all vähendada CO₂-heitkoguseid ning klinkri osakaalu vähendamine on üks otsesemaid viise selle saavutamiseks. Siiski võib suurem asendamisaste GBFS-i, lendtuha, kaltsineeritud savi või muude tsemendilisanditega aeglustada varajase tugevuse tekkimist. Võimas ultraheli võib aidata seda kitsaskohta ületada, parandades dispersiooni, aktiveerides osakesi ja kiirendades varajast hüdratatsiooni.
Ultrahelitöötlus võib muuta räbu lisandiga tsementpastad reaktiivsemaks ja mehaaniliselt tugevamaks, eriti kui protsess on optimeeritud osakeste suurusjaotuse ja töötlemisaja suhtes. See kombinatsioon on tööstusliku mastaabiga sideaine arendamisel äärmiselt oluline.

Hielscheri ultraheli-seadmed tsemendi hüdratatsiooni, tugevuse ja räbu reaktsioonivõime parandamiseks

Hielscheri inline-ultraheliseadmed on võimas vahend tsemendi hüdratatsiooni ja tugevuse parandamiseks, eriti räbu lisandiga tsemendisüsteemides.
Tööstusliku tsemendi aglomeerumise eemaldamiseks ja dispersiooniks pakuvad Hielscheri suure jõudlusega ultraheliseadmed intensiivset kavitatsioonilist lõikejõudu, mis on vajalik tsemendi, räbu ja mineraalitäiteainete aglomeeraatide lagundamiseks peeneks hajutatud osakesteks, parandades osakeste niisutamist, pinna aktiveerimist ja homogeensust tsemendipõhistes suspensioonides. Hielscheri süsteeme on saadaval alates laua- ja pilootmõõtmetest kuni töökindlate suure tootlikkusega tootmissüsteemideni, sealhulgas suure võimsusega inline-ultraheliseadmed tsemendimördi ja mineraalsuspensioonide pidevaks töötlemiseks. See võimaldab protsessi arendamist otse R-etapist&D kuni täieliku tööstusliku tootlikkuseni. Kuna ultrahelil põhinev deagglomereerimine kõrvaldab või vähendab vajadust jahvatuskeha järele, lihtsustab see töötlemist, minimeerib saastumisriske ja vähendab puhastustööd, tagades samal ajal korratava dispersiooni kvaliteedi. Seetõttu pakuvad Hielscheri ultraheliseadmed tsemendi- ja mörditootjatele praktilist võimalust saavutada ühtlasemaid sideainesüsteeme, paremat hüdratatsioonikineetikat, GBFS-i ja muude täiendavate tsementmaterjalide paremat kasutamist ning suurema jõudlusega madala klinkrisisaldusega koostiseid.

Allpool olev tabel annab ülevaate meie võimsate ultraheli süsteemide ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

---

---

 

Kirjandus / Viited

• 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.