Sonikeerimine parandab tsemendi hüdratatsiooni ja tugevust

Võimas ultraheli, tuntud ka kui sonikeerimine, pälvib üha enam tähelepanu praktilise intensiivistamistehnoloogiana tsemendi- ja mörditootmises. Hiljutised uuringud näitavad, et ultraheli töötlus võib parandada osakeste dispersiooni, aktiveerida täiendavaid tsementeerivaid materjale, näiteks granuleeritud kõrgahjuräbu (GBFS), kiirendada hüdratatsiooni, muuta pooristruktuuri peenemaks ja suurendada oluliselt varajases eas saavutatavat tugevust.

Suurema jõudlusega räbuga segatud tsement ja mört võimsa ultraheli abil

Tsemendi- ja mörditootmises on üks peamisi tehnilisi väljakutseid täiendavate tsementeerivate materjalide tõhus kasutamine. Granuleeritud kõrgahjuräbu ehk GBFS-i kasutatakse laialdaselt klinkri sisalduse vähendamiseks ja jätkusuutlikkuse parandamiseks. Jämedad või aglomeerunud räbuosakesed reageerivad aga sageli aeglaselt, mis piirab varajase tugevuse arengut. Sonikeerimine pakub paljulubava lahenduse: see kasutab suure intensiivsusega akustilist kavitatsiooni, et dispergeerida aglomeraate, killustada osakesi ja suurendada reaktiivsete ttuumumiskohtade arvu tsemendimaatriksis.

Miks on sonikeerimine tsemendi hüdratatsiooni jaoks oluline

Sonikeerimise eelis seisneb selle võimes mõjuda otse osakestesüsteemile enne varajast hüdratatsiooni ja selle ajal. Tsementeerivas suspensioonis tekitab ultraheli kavitatsioon lokaalseid nihkejõude, mikrojuga ja rõhukõikumisi. Need mõjud aitavad aglomeraate lõhkuda, peeneid osakesi dispergeerida ja paljastada värskeid mineraalpindu.
Tsemendi- ja mörditootjatele on see oluline, sest hüdratatsioon sõltub tugevasti pinnast. Parem dispersioon ja väiksemad reaktiivsed osakesed võivad suurendada kokkupuudet vee, klinkrifaaside ja räbuosakeste vahel. See võib kaasa tuua kiirema soojuse eraldumise, parema varajase kõvenemise ja tihedama mikrostruktuuri.
Räbuga segatud süsteemides on sonikeerimine eriti oluline, sest GBFS vajab sageli aktiveerimist. GBFS-i osakeste ultraheliline killustumine – nn sonofragmentatsioon – vähendab osakeste suurust, eriti 125–250 μm fraktsioonis.

Sonikeerimise peamised eelised tsemendi- ja mörditootmises

Võimas ultraheli toetab tööstuslikku tsemendi- ja mörditootmist mitmel viisil:

• Parem osakeste dispersioon: Sonikeerimine aitab tsemendi-, räbu- ja peeneid mineraalosakesi pastas või mörtsegus ühtlasemalt dispergeerida.
• Väiksem aglomeratsioon: Ultraheli töötlus võib osakeste kobaraid lõhkuda ja segamise ajal takistada taasaglomeratsiooni.
• Terade peenenemine: Jämedamad räbuosakesed võivad killustuda peenemateks fraktsioonideks, mis suurendab kasutatavat eripinda.
• Rohkem tuumumiskohti: Killustunud GBFS-i osakesed võivad toimida tsemendimaatriksis hüdratatsiooniproduktide tuumumiskeskustena.
• Kiirendatud hüdratatsioon: Parem dispersioon ja paljastatud pinnad võivad suurendada kumulatiivset soojuse eraldumist ja varajast kõvenemist.
• Suurem varajane tugevus: Sonikeeritud räbuga segatud tsemendipastad võivad näidata survetugevuse ja paindetugevuse märkimisväärset kasvu juba kahe päeva järel.
• Täiustatud mikrostruktuur: Sonikeerimine võib suurendada nanoporoossuse näitajaid ja muuta pooristruktuuri, eriti 2–10 nm pooride vahemikus.

 

Kiirem seadumine ja varajane tugevus monteeritavas betoonis võimsa ultraheli abil

Uuringus „Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes“, mille autor on Ch. Rößler, uuritakse portlandtsemendipastasid, mis põhinevad tsemendil CEM I 42,5 R, vee ja tsemendi suhtel 0,37 ja 0,1% polüakrülaat-superplastifikaatoril. Uuringus kasutati läbivoolurežiimis Hielscheri sonikaatorit UIP1000hd, et hinnata, kas võimas ultraheli võiks kiirendada hüdratatsiooni, parandada voolavust, lühendada tardumisaega ja suurendada varajast tugevust.
Tulemused näitavad, et võimas ultraheli (PUS) kiirendab põhilist hüdratatsiooniperioodi. Temperatuurikõver näitab varasemat hüdratatsioonimaksimumi, samal ajal kui mikrostruktuuri pildid viie tunni möödudes näitasid ultraheliga töödeldud pastas suuremaid C-S-H faase kui võrdlusproovis.
Peamised saavutatud eelised:

• Parem voolavus: vajumine suurenes võrdluspasta 122 mm-lt 158 mm-ni pärast PUS-töötlust.
• Kiirem tardumine: tardumise algus lühenes 5 h 15 min-ilt 3 h 45 min-ile ja tardumise lõpp 6 h 45 min-ilt 4 h 30 min-ile.
• Kiirenenud jäigastumine: ultrahelilaine levimiskiirus näitas ligikaudu 2 tundi kiiremat kõvenemist.
• Suurem varajane tugevus: PUS-töödeldud tsemendipastast valmistatud mört-prismadel suurenes survetugevus esimese 24 tunni jooksul.
• Protsessi majanduslik potentsiaal: autorid hindasid, et ligikaudu 10 kWh/m³ tsemendipasta energiasisend võiks kiirendada tardumist ja varajast tugevust umbes kahe tunni võrra, näidatud maksumusega ≤ 1 eurot/m³ betooni kohta.
• Väiksem lisandite vajadus: kuna PUS suurendas voolavust, jõudsid autorid järeldusele, et superplastifikaatori doseeringut oleks potentsiaalselt võimalik vähendada.

Need tulemused on eriti olulised eelvalmistatud betoonelementide tootmisel, kus kiirem tardumine ja varajane tugevus võivad lühendada raketisaega, kütmisvajadust ja tootmistsükli kestust.

 

Suurem varajane tugevus GBFS-iga segatud tsemendipastas

Üks tähtsamaid järeldusi tööstuslike tsemendi- ja mörtrakenduste jaoks on varajase tugevuse paranemine. Lisowski et al. (2024) andmetel andis pulseeriva ultraheliga töötlemine 20% sadestatud GBFS-i sisaldavatel tsemendipastadel kahe päeva möödudes oluliselt suurema tugevuse. Teatatud kasv ulatus kuni 132%-ni survetugevuses ja 58%-ni paindetugevuses.
See on väga oluline eelvalmistatud betoonelementide, kuivsegu-mörtide, remondimörtide, plaadiliimide ja teiste tsemendipõhiste toodete puhul, kus varajane vormist eemaldamine, varajane käsitsemistugevus või kiire ehituse edenemine on majanduslikult oluline.
Tugevuse kasv korreleerus kumulatiivse kõvenemissoojuse suurenemisega, mis viitab sellele, et ultraheli töötlus (sonikeerimine) ei paranda mitte ainult füüsikalist dispersiooni, vaid intensiivistab ka varajast hüdratatsiooni. Praktilises mõttes tähendab see, et võimas ultraheli võiks aidata tootjatel kasutada räbu tõhusamalt, ohverdamata varajast toimivust.

 

Sonofragmenteerimine muudab jämedamad räbufraktsioonid kasulikumaks

Eriti väärtuslik tulemus on suhteliselt jämedate GBFS-fraktsioonide tõhus aktiveerimine. Uuringus leiti, et 125–250 μm räbufraktsioon andis parima varajase ja 28 päeva tugevuse, kui seda kombineeriti sadestatud räbuosakeste eraldamise ja võimsa ultraheliga töötlemisega.
See on tööstuslikult oluline, sest räbu jahvatamine väga peeneks on energiamahukas. Kui ultraheli töötlus (sonikeerimine) parandab jämedamate või sadestatud GBFS-fraktsioonide reaktiivsust, saavad tootjad vähendada jahvatusvajadust, parandada tooraine kasutustõhusust ja kasutada paremini ära teisese materjali vooge.

Uurige, kuidas ultraheli dispergeerimine hõlbustab nanoarmeeritud tsementmörtide tootmist!

Tööstuslik tähtsus: võimas ultraheli tõhusaks tsemendi- ja mörditootmiseks

Tööstuslikele tsemendi- ja mörditootjatele pakub ultraheli töötlus (sonikeerimine) mitmeid strateegilisi eeliseid. Seda saab integreerida protsessi intensiivistamise etapina lietise valmistamisel, sideaine aktiveerimisel, lisandite dispergeerimisel või suure jõudlusega mördi segamisel. Tehnoloogia on eriti atraktiivne toodetele, mille omadused sõltuvad peenosakeste jaotusest, kiirest hüdratatsioonist ja täiendavate tsementeerivate materjalide optimeeritud kasutamisest.

Ultraheli abil toimuva tsemenditootmise tööstuslikud eelised hõlmavad järgmist:

• Suurem varane tugevus ilma klinkri sisaldust suurendamata
• GBFS-i ja muude täiendavate tsementeerivate materjalide parem aktiveerimine
• Jämedate või ladestunud räbufraktsioonide parem kasutamine
• Väiksem aglomeratsioon tsementeerivates suspensioonides
• Ühtlasem hüdratatsiooni- ja kõvenemiskäitumine
• Valitud räbuvoogude jahvatamise intensiivsuse võimalik vähendamine
• Vähese klinkrisisaldusega ja vähese CO₂-jalajäljega tsemendikoostiste parem toimivus

See muudab ultraheli töötluse väga oluliseks jätkusuutliku tsemendi, räbutsemendi, suure jõudlusega mörtide, valmisbetoonelementide, parandusmaterjalide ja eriotstarbeliste ehitustoodete tootmisel.

Ultraheli töötlus kui vahend vähese CO₂-jalajäljega tsemenditehnoloogias

Tsemenditööstus on surve all vähendada CO₂ heitkoguseid ning klinkrifaktori vähendamine on üks otsesemaid viise. Siiski võivad GBFS-i, lendtuha, kaltsineeritud savi või muude täiendavate tsementeerivate materjalidega asendamise kõrgemad tasemed aeglustada varase tugevuse arengut. Võimas ultraheli võib aidata seda kitsaskohta ületada, parandades dispersiooni, aktiveerides osakesi ja kiirendades varast hüdratatsiooni.
Ultraheli töötlus võib muuta räbuga segatud tsemendipastad reaktiivsemaks ja mehaaniliselt tugevamaks, eriti kui protsess on optimeeritud osakeste suurusfraktsiooni ja töötlusaja järgi. See kombinatsioon on väga oluline tööstusliku mastaabiga sideainete projekteerimisel.

Hielscher sonikaatorid tsemendi hüdratatsiooni, tugevuse ja räbu reaktiivsuse parandamiseks

Hielscher in-line sonikaatorid on võimas vahend tsemendi hüdratatsiooni ja tugevuse parandamiseks, eriti räbuga segatud tsementeerivates süsteemides.
Tööstuslikuks tsemendi deaglomeratsiooniks ja dispergeerimiseks pakuvad Hielscher suure jõudlusega sonikaatorid intensiivset kavitatsioonilist nihkejõudu, mis on vajalik tsemendi-, räbu- ja mineraalse täiteaine aglomeraatide purustamiseks peenelt dispergeeritud osakesteks, parandades osakeste märgumist, pinna aktiveerimist ja homogeensust tsementeerivates lietistes. Hielscher süsteemid on saadaval laborilauast ja pilootmastaabist kuni töökindlate suure läbilaskevõimega tootmissüsteemideni, sealhulgas suure võimsusega in-line sonikaatoriteni tsemendi injekteerimissegu ja mineraalsete suspensioonide pidevaks töötlemiseks. See muudab protsessi arenduse vahetult skaleeritavaks teadus- ja arendustegevusest kuni täieliku tööstusliku läbilaskevõimeni. Jahvatuskehade vajaduse kõrvaldamise või vähendamise kaudu lihtsustab ultraheli deaglomeratsioon töötlemist, minimeerib saastumisriske ja vähendab puhastustööd, tagades samal ajal reprodutseeritava dispersioonikvaliteedi. Seetõttu pakuvad Hielscher sonikaatorid tsemendi- ja mörditootjatele praktilise tee ühtlasemate sideainesüsteemide, parema hüdratatsioonikineetika, GBFS-i ja muude täiendavate tsementeerivate materjalide parema kasutamise ning suurema jõudlusega vähese klinkrisisaldusega koostiste poole.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie võimsate ultraheli süsteemide ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne käsitsemine võimaldavad meie ultrahelitöötlusseadmeid sujuvalt tööstusrajatistesse integreerida. Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed saavad hõlpsasti hakkama karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu kõrgjõudlusega ultrahelitöötlusseadmetele, mis põhinevad kaasaegseimal tehnoloogial ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult vastavad Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

---

---

 

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.