Ultraäänikäsittely parantaa sementin hydrataatiota ja lujuutta

Tehoultraääni, jonka käyttöä kutsutaan myös ultraäänikäsittelyksi, herättää yhä enemmän kiinnostusta käytännöllisenä sementin ja laastin tuotannon tehostamisteknologiana. Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että ultraäänikäsittely voi parantaa hiukkasten dispergoitumista, aktivoida sementin seosaineita, kuten granuloitua masuunikuonaa (GBFS), nopeuttaa hydrataatiota, hienontaa huokosrakennetta ja lisätä merkittävästi varhaislujuutta.

Suorituskykyisempi kuonaseossementti ja -laasti tehoultraäänen avulla

Sementin valmistuksessa ja laastin tuotannossa yksi merkittävistä teknisistä haasteista on sementin seosaineiden tehokas hyödyntäminen. Granuloitua masuunikuonaa eli GBFS:ää käytetään laajalti klinkkeripitoisuuden vähentämiseen ja kestävyyden parantamiseen. Karkeat tai agglomeroituneet kuonahiukkaset reagoivat kuitenkin usein hitaasti, mikä rajoittaa varhaislujuuden kehittymistä. Ultraäänikäsittely tarjoaa lupaavan ratkaisun: siinä käytetään voimakasta akustista kavitaatiota agglomeraattien dispergointiin, hiukkasten pilkkomiseen ja reaktiivisten ydintymiskohtien määrän lisäämiseen sementtimatriisissa.

Miksi ultraäänikäsittely on tärkeää sementin hydrataatiolle

Ultraäänikäsittelyn etu perustuu sen kykyyn vaikuttaa suoraan hiukkasjärjestelmään ennen varhaista hydrataatiota ja sen aikana. Sementtipohjaisessa suspensiossa ultraäänikavitaatio synnyttää paikallisia leikkausvoimia, mikrosuihkuja ja painevaihteluja. Nämä vaikutukset auttavat hajottamaan agglomeraatteja, dispergoimaan hienoja hiukkasia ja paljastamaan uusia mineraalipintoja.
Sementin ja laastin valmistajille tämä on tärkeää, sillä hydrataatio riippuu voimakkaasti pinnoilla tapahtuvista reaktioista. Parempi dispergoituminen ja pienemmät reaktiiviset hiukkaset voivat lisätä veden, klinkkerifaasien ja kuonahiukkasten välistä kosketusta. Tämä voi johtaa nopeampaan lämmön vapautumiseen, parempaan varhaiseen kovettumiseen ja tiiviimpään mikrorakenteeseen.
Kuonaseosjärjestelmissä ultraäänikäsittely on erityisen merkityksellistä, koska GBFS vaatii usein aktivointia. GBFS-hiukkasten pilkkoutuminen ultraäänen vaikutuksesta – niin sanottu sonofragmentaatio – pienentää hiukkaskokoa erityisesti 125–250 μm:n fraktiossa.

Ultraäänikäsittelyn keskeiset edut sementin ja laastin tuotannossa

Tehoultraääni tukee sementin ja laastin teollista tuotantoa monin tavoin:

• Parempi hiukkasten dispergoituminen: Ultraäänikäsittely auttaa dispergoimaan sementin, kuonan ja hienot mineraalihiukkaset tasaisemmin pasta- tai laastiseokseen.
• Vähäisempi agglomeroituminen: Ultraäänikäsittely voi hajottaa hiukkasryppäitä ja saattaa ehkäistä uudelleenagglomeroitumista sekoituksen aikana.
• Raekoon hienontuminen: Karkeammat kuonahiukkaset voivat pilkkoutua hienommiksi fraktioiksi, jolloin käytettävissä oleva pinta-ala kasvaa.
• Enemmän ydintymiskohtia: Pilkkoutuneet GBFS-hiukkaset voivat toimia hydrataatiotuotteiden ydintymiskeskuksina sementtimatriisissa.
• Nopeutunut hydrataatio: Parempi dispergoituminen ja paljastuneet pinnat voivat lisätä kumulatiivista lämmön vapautumista ja nopeuttaa varhaista kovettumista.
• Suurempi varhaislujuus: Ultraäänikäsiteltyjen kuonaseossementtipastojen puristus- ja taivutuslujuus voivat kasvaa huomattavasti jo kahden vuorokauden jälkeen.
• Parantunut mikrorakenne: Ultraäänikäsittely voi suurentaa nanohuokoisuutta kuvaavia tunnuslukuja ja muuttaa huokosrakennetta erityisesti 2–10 nm:n huokoskokoluokassa.

Tehoultraäänikäsittelyn (PUS) vaikutus ultraäänipulssin nopeuteen hydratoituvissa sementtipastoissa

Nopeampi sitoutuminen ja varhaislujuuden kehittyminen betonielementeissä tehoultraäänen avulla

Ch. Rößlerin tutkimuksessa ”Tehoultraäänen vaikutus portlandsementtipastojen juoksevuuteen ja sitoutumiseen” tarkastellaan portlandsementtipastoja, joissa käytettiin sementtiä CEM I 42,5 R, vesi-sementtisuhdetta 0,37 ja 0,1 % polyakrylaattipohjaista tehonotkistinta. Tutkimuksessa käytettiin Hielscher UIP1000hd -ultraäänilaitetta läpivirtausjärjestelyssä sen arvioimiseksi, voisiko tehoultraääni nopeuttaa hydrataatiota, parantaa juoksevuutta, lyhentää sitoutumisaikaa ja lisätä varhaislujuutta.
Tulokset osoittavat, että tehoultraääni (PUS) nopeuttaa hydrataation päävaihetta. Lämpötilakäyrä osoittaa hydrataatiohuipun aikaistuvan, ja viiden tunnin kuluttua otetuissa mikrorakennekuvissa ultraäänikäsitellyssä pastassa näkyi suurempia C-S-H-faaseja kuin vertailupastassa.
Saavutetut keskeiset edut:

• Parempi juoksevuus: painuma kasvoi vertailupastan 122 mm:stä 158 mm:iin PUS-käsittelyn jälkeen.
• Nopeampi sitoutuminen: sitoutumisen alkamisaika lyheni ajasta 5 h 15 min aikaan 3 h 45 min ja sitoutumisen päättymisaika ajasta 6 h 45 min aikaan 4 h 30 min.
• Nopeutunut jäykistyminen: ultraäänipulssin nopeus osoitti kovettumisen tapahtuvan noin 2 tuntia nopeammin.
• Suurempi varhaislujuus: PUS-käsitellystä sementtipastasta valmistettujen laastiprismojen puristuslujuus oli suurempi ensimmäisten 24 tunnin aikana.
• Mahdollisuudet prosessitalouden parantamiseen: kirjoittajat arvioivat, että noin 10 kWh/m³:n energiapanos sementtipastaan voisi nopeuttaa sitoutumista ja varhaislujuuden kehittymistä noin kahdella tunnilla, ja ilmoitetut kustannukset olivat ≤ 1 euro/m³ betonia.
• Vähäisempi lisäaineiden tarve: koska PUS lisäsi juoksevuutta, kirjoittajat päättelivät, että tehonotkistimen annostusta voitaisiin mahdollisesti pienentää.

Nämä tulokset ovat erityisen merkityksellisiä betonielementtien tuotannossa, jossa nopeampi sitoutuminen ja varhaislujuuden kehittyminen voivat lyhentää muottiaikaa, vähentää lämmitystarvetta ja lyhentää tuotantosyklien kestoa.

Tavanomaisesti ja tehoultraäänen avulla valmistettujen C + S -pastojen Vickers-kovuus ja kimmomoduuli 28 d:n jälkeen.
Kaaviot ja tutkimus: ©Lisowski et al. 2024.

Suurempi varhaislujuus GBFS-seossementtipastassa

Yksi tärkeimmistä havainnoista sementin ja laastin teollisten sovellusten kannalta on varhaislujuuden paraneminen. Lisowskin ja muiden (2024) mukaan pulssitettu ultraäänikäsittely tuotti huomattavasti suuremman lujuuden kahden vuorokauden jälkeen sementtipastoissa, jotka sisälsivät 20 % kasautunutta GBFS:ää. Raportoidut lisäykset olivat jopa 132 % puristuslujuudessa ja 58 % taivutuslujuudessa.
Tämä on erittäin merkityksellistä betonielementeille, kuivaseoslaasteille, korjauslaasteille, laattaliimoille ja muille sementtipohjaisille tuotteille, joissa varhainen muotinpurku, varhainen käsittelylujuus tai rakentamisen nopea eteneminen on taloudellisesti tärkeää.
Lujuuden kasvu korreloi kumulatiivisen kovettumislämmön lisääntymisen kanssa, mikä viittaa siihen, että ultraäänikäsittely ei pelkästään paranna fysikaalista dispergoitumista vaan myös tehostaa varhaista hydrataatiota. Käytännössä tämä tarkoittaa, että tehoultraääni voisi auttaa valmistajia hyödyntämään kuonaa tehokkaammin heikentämättä varhaista suorituskykyä.

SEM-kuvat sementti-GBFS-pastanäytteestä C + S, joissa verrataan tehoultraäänen vaikutusta käsittelemättömään näytteeseen 28 d:n kohdalla.
Kuvat ja tutkimus: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentaatio tekee karkeammista kuonafraktioista hyödyllisempiä

Erityisen arvokas tulos on suhteellisen karkeiden GBFS-fraktioiden tehokas aktivointi. Tutkimuksessa havaittiin, että 125–250 μm:n kuonafraktio tuotti parhaan varhaislujuuden ja 28 vuorokauden lujuuden, kun siihen yhdistettiin kasautuneiden kuonahiukkasten erotus ja tehoultraäänikäsittely.
Tämä on teollisesti merkittävää, sillä kuonan jauhaminen erittäin hienoksi kuluttaa paljon energiaa. Jos ultraäänikäsittely parantaa karkeampien tai kasautuneiden GBFS-fraktioiden reaktiivisuutta, valmistajat voivat vähentää jauhatustarvetta, parantaa raaka-aineiden käytön tehokkuutta ja hyödyntää sekundaarisia materiaalivirtoja paremmin.
 
Lue, miten ultraäänidispergointi helpottaa nanovahvistettujen sementtilaastien tuotantoa!

Teollinen merkitys: tehoultraääni sementin ja laastin tehokkaassa tuotannossa

Sementin ja laastin teollisille valmistajille ultraäänikäsittely tarjoaa useita strategisia etuja. Se voidaan integroida prosessin tehostamisvaiheeksi lietteen valmistukseen, sideaineen aktivointiin, lisäaineiden dispergointiin tai korkean suorituskyvyn laastin sekoitukseen. Teknologia on erityisen houkutteleva tuotteille, joiden ominaisuudet riippuvat hienojen hiukkasten jakautumisesta, nopeasta hydrataatiosta ja sementin seosaineiden optimoidusta käytöstä.

• Suurempi varhaislujuus klinkkeripitoisuutta lisäämättä
• GBFS:n ja muiden sementin seosaineiden parempi aktivointi
• Karkeiden tai kasautuneiden kuonafraktioiden parempi hyödyntäminen
• Vähäisempi agglomeroituminen sementtipohjaisissa suspensioissa
• Tasaisempi hydrataatio- ja kovettumiskäyttäytyminen
• Mahdollisuus vähentää jauhatuksen intensiteettiä valituissa kuonavirroissa
• Vähäklinkkeristen ja vähähiilisten sementtikoostumusten parempi suorituskyky

Tämä tekee ultraäänikäsittelystä erittäin merkityksellisen kestävän sementin, kuonasementin, korkean suorituskyvyn laastien, betonielementtien, korjausmateriaalien ja erikoisrakennustuotteiden tuotannossa.

Ultraäänikäsittely vähähiilisen sementtiteknologian työkaluna

Sementtiteollisuuteen kohdistuu paineita vähentää CO₂-päästöjä, ja klinkkeriosuuden pienentäminen on yksi suorimmista keinoista. Klinkkerin suurempi korvaaminen GBFS:llä, lentotuhkalla, kalsinoidulla savella tai muilla sementin seosaineilla voi kuitenkin hidastaa varhaislujuuden kehittymistä. Tehoultraääni saattaa auttaa ratkaisemaan tämän pullonkaulan parantamalla dispergoitumista, aktivoimalla hiukkasia ja nopeuttamalla varhaista hydrataatiota.
Ultraäänikäsittely voi tehdä kuonaseossementtipastoista reaktiivisempia ja mekaanisesti lujempia erityisesti silloin, kun prosessi optimoidaan hiukkaskokofraktion ja käsittelyajan mukaan. Tämä yhdistelmä on erittäin merkityksellinen teollisen mittakaavan sideainesuunnittelussa.

Hielscher-ultraäänilaitteet sementin hydrataation, lujuuden ja kuonan reaktiivisuuden parantamiseen

Hielscher tarjoaa linjaan asennettavia ultraäänilaitteita, jotka ovat tehokas työkalu sementin hydrataation ja lujuuden parantamiseen erityisesti kuonaseoksia sisältävissä sementtipohjaisissa järjestelmissä.
Sementin teolliseen deagglomerointiin ja dispergointiin Hielscher tarjoaa korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, jotka tuottavat voimakkaan kavitaation aiheuttaman leikkausvaikutuksen, jota tarvitaan sementin, kuonan ja mineraalitäyteaineiden agglomeraattien hajottamiseen hienojakoisesti dispergoiduiksi hiukkasiksi. Tämä parantaa hiukkasten kostumista, pintojen aktivoitumista ja sementtipohjaisten lietteiden homogeenisuutta. Hielscher tarjoaa järjestelmiä pöytälaitteista ja pilot-mittakaavan laitteista kestäviin, suuren tuotantokapasiteetin järjestelmiin, mukaan lukien suuritehoiset linjaan asennettavat ultraäänilaitteet sementti-injektointimassan ja mineraalisuspensioiden jatkuvaan käsittelyyn. Näin prosessikehitys voidaan skaalata suoraan tutkimuksesta ja tuotekehityksestä täyteen teolliseen tuotantokapasiteettiin. Poistamalla tai vähentämällä jauhinkappaleiden tarvetta ultraäänideagglomerointi yksinkertaistaa käsittelyä, minimoi kontaminaatioriskit ja vähentää puhdistustyötä sekä tuottaa samalla toistettavan dispergointilaadun. Sementin ja laastin valmistajille Hielscher tarjoaa siten ultraäänilaitteillaan käytännöllisen keinon saavuttaa tasaisemmat sideainejärjestelmät, parempi hydrataatiokinetiikka, GBFS:n ja muiden sementin seosaineiden tehokkaampi hyödyntäminen sekä suorituskykyisemmät vähäklinkkeriset koostumukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen tehoultraäänijärjestelmiemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusin teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL:n, CSA:n ja RoHs:n vaatimukset.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.