Ultraäänikäsittely parantaa sementin hydraatiota ja lujuutta

Tehokas ultraääni, joka tunnetaan myös nimellä sonikaatio, on herättämässä huomiota käytännöllisenä tehostustekniikkana sementin ja laastin tuotannossa. Tuoreiden tutkimusten mukaan ultraäänikäsittely voi parantaa hiukkasten dispergoitumista, aktivoida sementin lisäaineita, kuten rakeistettua masuunikuonaa (GBFS), nopeuttaa hydraatiota, hienontaa huokosrakennetta ja lisätä merkittävästi varhaislujuutta.

Suorituskykyisempi kuonaseossementti ja -laasti tehoultraäänen avulla

Sementin ja laastin valmistuksessa yksi suurimmista teknisistä haasteista on sementin lisäaineiden tehokas käyttö. Rakeistettua masuunikuonaa (GBFS) 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 korkean intensiteetin akustista kavitaatiota agglomeraattien hajottamiseen, hiukkasten pirstomiseen ja reaktiivisten ydintymiskohteiden määrän lisäämiseen sementtimatriisin sisällä.

Miksi ultraäänikäsittely on tärkeää sementin hydraatiolle

Ultraäänikäsittelyn etuna on sen kyky vaikuttaa suoraan hiukkassysteemiin ennen hydraatiota ja sen alkuvaiheessa. Sementtipitoisessa suspensiossa ultraäänikavitaatio aiheuttaa paikallisia leikkausvoimia, mikrosuihkuja ja painevaihteluita. Nämä vaikutukset auttavat hajottamaan agglomeraatteja, dispergoimaan hienoja hiukkasia ja paljastamaan tuoreita mineraalipintoja.
Sementin ja laastin valmistajille tämä on tärkeää, koska hydraatio tapahtuu pääasiassa pinnoilla. Parempi dispergoituminen ja pienemmät reaktiiviset hiukkaset voivat lisätä veden, klinkkerivaiheiden ja kuonahiukkasten välistä kosketusta. Tämä voi johtaa nopeampaan lämmön vapautumiseen, parempaan varhaiseen kovettumiseen ja tiheämpään mikrorakenteeseen.
Kuonasekoitteisissa järjestelmissä ultraäänikäsittely on erityisen tärkeää, koska GBFS vaatii usein aktivointia. Hiukkasten hajottaminen ultraäänellä – ns. sonofragmentaatio – GBFS-hiukkasten käyttö pienentää hiukkaskokoa, erityisesti 125–250 μm:n fraktiota.

Ultraäänikäsittelyn tärkeimmät edut sementin ja laastin tuotannossa

Tehoultraääni tukee teollista sementin ja laastin tuotantoa monin tavoin:

• Parannettu hiukkasten dispergoituminen: Ultraäänikäsittely auttaa levittämään sementtiä, kuonaa ja hienoja mineraalihiukkasia tasaisemmin tahnaan tai laastiseokseen.
• Agglomeraation väheneminen: Ultraäänikäsittely voi hajottaa hiukkaskertymiä ja estää niiden uudelleenagglomeroitumista sekoituksen aikana.
• Viljan jalostus: Karkeammat kuonahiukkaset voidaan murskata hienommiksi jakeiksi, mikä lisää käytettävissä olevaa pinta-alaa.
• Lisää ydintymiskohteita: Pirstoutuneet GBFS-hiukkaset voivat toimia hydraatiotuotteiden ydintymiskeskuksina sementtimatriisissa.
• Nopeutettu nesteytys: Parempi hajautuminen ja paljastuneet pinnat voivat lisätä kumulatiivista lämmön vapautumista ja nopeuttaa kovettumista.
• Suurempi alkuvaiheen lujuus: Ultraäänikäsitellyt, kuonalla sekoitetut sementtilaastit voivat saavuttaa huomattavan puristus- ja taivutuslujuuden kasvun jo kahden päivän kuluttua.
• Parannettu mikrorakenne: Ultraäänikäsittely voi nostaa nanoporoosisuuden indikaattoreita ja muuttaa huokosrakennetta, erityisesti 2–10 nm:n huokoskokoluokassa.

 

Nopeampi kovettuminen ja varhainen lujuus teollisesti valmistetussa betonissa tehoultraäänen avulla

Tutkimus “Teho-ultraäänen vaikutus portlandsementtipastojen juoksevuuteen ja kovettumiseen” Ch. Rößlerin tutkimuksessa tarkastellaan Portland-sementtipastoja, jotka perustuvat CEM I 42.5 R -sementtiin, vesi-sementtisuhteeseen 0,37 ja 0,1 %:n polyakrylaattipäällystysaineeseen. Tutkimuksessa käytettiin Hielscher UIP1000hd -ultraäänilaitetta virtausläpivientijärjestelmässä sen arvioimiseksi, voisiko teho-ultraääni nopeuttaa hydraatiota, parantaa juoksevuutta, lyhentää kovettumisaikaa ja lisätä varhaislujuutta.
Tulokset osoittavat, että tehoultraääni (PUS) nopeuttaa hydraation päävaihetta. Lämpötilakäyrä osoittaa, että hydraation huippu saavutetaan aikaisemmin, kun taas viiden tunnin kuluttua otetuissa mikrorakennekuvissa ultraäänikäsitellyssä massassa näkyi suurempia C-S-H-faaseja kuin vertailunäytteessä.
Tärkeimmät saavutetut edut:

• Parempi juoksevuus: laskeuma kasvoi vertailupastan 122 mm:stä 158 mm:iin PUS-käsittelyn jälkeen.
• Nopeampi kovettuminen: ensimmäinen erä lyhennettiin 5 tunnista 15 minuutista 3 tuntiin 45 minuuttiin ja viimeinen erä 6 tunnista 45 minuutista 4 tuntiin 30 minuuttiin.
• Nopeutettu jähmettyminen: Ultraäänipulssinopeuden perusteella kovettuminen tapahtui noin 2 tuntia nopeammin.
• Suurempi alkuvaiheen lujuus: PUS-käsitellystä sementtilaastista valmistettujen laastiprismien puristuslujuus kasvoi ensimmäisten 24 tunnin aikana.
• Prosessitaloudellinen potentiaali: Kirjoittajat arvioivat, että noin 10 kWh/m³ sementtilaastia kohti käytetty energiamäärä voisi nopeuttaa kovettumista ja varhaislujuuden saavuttamista noin kahdella tunnilla, ja tämän kustannuksiksi ilmoitettiin ≤ 1 euro/m³ betonia.
• Sekoitusten kysynnän väheneminen: Koska PUS paransi juoksevuutta, kirjoittajat päättelivät, että superplastisaattorin annostusta voitaisiin mahdollisesti vähentää.

Nämä tulokset ovat erityisen merkityksellisiä betonielementtien tuotannossa, jossa nopeampi kovettuminen ja varhainen lujuus voivat lyhentää muottiaikaa, vähentää lämmitystarvetta ja lyhentää tuotantosyklejä.

 

 

GBFS-sekoitetun sementtilaastin voimakkaampi alkuvaiheen lujuus

Yksi tärkeimmistä havainnoista teollisuuden sementti- ja laastisovellusten kannalta on varhaislujuuden paraneminen. Lisowskin ym. (2024) mukaan 20 % laskeutunutta GBFS:ää sisältävien sementtimastojen pulssiultraäänikäsittely tuotti huomattavasti suuremman lujuuden kahden päivän kuluttua. Raportoidut lisäykset olivat jopa 132 % puristuslujuudessa ja 58 % taivutuslujuudessa.
Tämä on erityisen merkittävää betonielementtien, kuivaseoslaastien, korjauslaastien, laattaliimojen ja muiden sementtipohjaisten tuotteiden osalta, joissa muotin varhainen poisto, varhainen käsittelylujuus tai nopea rakentamisen eteneminen on taloudellisesti tärkeää.
Lujuuden kasvu korreloi kovettumisen kumulatiivisen lämmön kasvun kanssa, mikä viittaa siihen, että ultraäänikäsittely ei pelkästään paranna aineen fyysistä dispergoitumista, vaan myös tehostaa varhaista hydraatiota. Käytännössä tämä tarkoittaa, että tehoultraääni voisi auttaa valmistajia hyödyntämään kuonaa tehokkaammin ilman, että varhainen suorituskyky kärsisi.

 

 

Sonofragmentaatio lisää karkeampien kuonajakeiden käyttökelpoisuutta

Erityisen arvokas tulos on suhteellisen karkeiden GBFS-fraktioiden tehokas aktivointi. Tutkimuksessa havaittiin, että 125–250 μm:n kokoinen kuonafraktio tuotti parhaan varhaislujuuden ja 28 päivän lujuuden, kun sitä yhdistettiin laskeutuneiden kuonahiukkasten erotteluun ja tehoultraäänikäsittelyyn.
Tämä on teollisuuden kannalta merkittävää, koska kuonan jauhaminen erittäin hienoksi vaatii paljon energiaa. Jos ultraäänikäsittely parantaa karkeampien tai kerrostuneiden GBFS-jakeiden reaktiivisuutta, tuottajat voivat vähentää jauhamistarvetta, parantaa raaka-aineen hyötysuhdetta ja hyödyntää paremmin kierrätysmateriaalivirtoja.
 
Tutustu siihen, miten ultraäänidispersio helpottaa nanovahvistettujen sementtilaastien valmistusta!

Teollinen merkitys: Tehokas sementin ja laastin tuotanto tehoultraäänellä

Teollisille sementti- ja laastintuottajille ultraäänikäsittely tarjoaa useita strategisia etuja. Se voidaan integroida prosessin tehostamisvaiheeksi lietteen valmistuksen, sideaineen aktivoinnin, lisäaineiden dispergoinnin tai korkean suorituskyvyn laastin sekoittamisen yhteydessä. Teknologia on erityisen houkutteleva tuotteille, joiden laatu riippuu hienojakoisesta hiukkaskokojakaumasta, nopeasta hydraatiosta ja sementin korvaavien materiaalien optimoidusta käytöstä.

Ultraäänitekniikalla tapahtuvan sementinvalmistuksen teolliset edut ovat muun muassa seuraavat:

• Suurempi alkuvaiheen lujuus ilman klinkkeripitoisuuden lisäämistä
• GBFS:n ja muiden sementin korvaavien materiaalien parempi aktivointi
• Karkeiden tai laskeutuneiden kuonajakeiden käytön tehostaminen
• Agglomeraation väheneminen sementtipitoisissa suspensioissa
• Tasaisempi kosteuden imeytyminen ja kovettumiskäyttäytyminen
• Valittujen kuonavirtojen jauhatusintensiteetin mahdollinen vähentäminen
• Vähäklinkkeristen ja vähähiilisten sementtikoostumusten suorituskyvyn parantaminen

Tämän vuoksi ultraäänikäsittelyllä on suuri merkitys kestävän sementin, kuonasementin, korkean suorituskyvyn laastien, betonielementtien, korjausmateriaalien ja erikoistuneiden rakennustuotteiden valmistuksessa.

Ultraäänikäsittely vähähiilisen sementtiteknologian välineenä

Sementtiteollisuus on paineen alla vähentää CO₂-päästöjä, ja klinkkerikertoimen pienentäminen on yksi suorimmista keinoista. Suuremmat korvaustasot, joissa käytetään lasihiekkaa, lentotuhkaa, kalsinoitua savea tai muita sementin korvaavia materiaaleja, voivat kuitenkin hidastaa varhaislujuuden kehittymistä. Tehokas ultraääni voi auttaa ylittämään tämän pullonkaulan parantamalla dispersioita, aktivoimalla hiukkasia ja nopeuttamalla varhaista hydraatiota.
Ultraäänikäsittely voi tehdä kuonaseoksella sekoitetuista sementtimasteista reaktiivisempia ja mekaanisesti lujempia, etenkin kun prosessi on optimoitu hiukkaskokojakauman ja käsittelyajan suhteen. Tällä yhdistelmällä on suuri merkitys teollisen mittakaavan sideaineiden kehittämisessä.

Hielscher-ultraäänilaitteet sementin hydraation, lujuuden ja kuonan reaktiivisuuden parantamiseksi

Hielscherin inline-ultraäänilaitteet ovat tehokas keino parantaa sementin hydraatiota ja lujuutta, erityisesti kuonalla sekoitetuissa sementtipohjaisissa järjestelmissä.
Teollisessa sementin agglomeraattien hajottamisessa ja dispergoinnissa Hielscherin korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet tuottavat voimakkaan kavitaatioleikkausvoiman, jota tarvitaan sementin, kuonan ja mineraalitäyteaineiden agglomeraattien hajottamiseen hienojakoisiksi hiukkasiksi. Tämä parantaa hiukkasten kostumista, pinnan aktivointia ja sementtipitoisten lietteiden homogeenisuutta. Hielscherin järjestelmiä on saatavana pöytä- ja pilottimittakaavasta kestäviin suurikapasiteettisiin tuotantojärjestelmiin, mukaan lukien suuritehoiset linjassa toimivat ultraäänilaitteet sementtilaastin ja mineraalisuspensioiden jatkuvaan käsittelyyn. Tämä mahdollistaa prosessikehityksen suoran skaalautuvuuden tutkimusvaiheesta lähtien&D:stä täyteen teolliseen tuotantokapasiteettiin. Poistamalla tai vähentämällä jauhatusvälineiden tarvetta ultraäänipohjainen agglomeraation hajottaminen yksinkertaistaa prosessia, minimoi saastumisriskit ja vähentää puhdistustarvetta samalla kun se takaa toistettavan dispersiolaadun. Sementti- ja laastivalmistajille Hielscherin ultraäänilaitteet tarjoavat siten käytännöllisen keinon saavuttaa yhtenäisemmät sideainejärjestelmät, parannetun hydraatiokinetiikan, GBFS:n ja muiden sementin korvaavien materiaalien paremman hyödyntämisen sekä suorituskykyisemmät vähäklinkkeriset koostumukset.

Seuraavasta taulukosta näet arvioidun käsittelykapasiteetin tehoultraäänijärjestelmillemme:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.

---

---

 

Kirjallisuus / Viitteet

• 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.