Mortiers de ciment nano-renforcés par dispersion ultrasonique

La sonication par ultrasons améliore la dispersion, l’exfoliation et la désagglomération du graphène, des NTC et des nanomatériaux dans les pâtes de ciment et les mortiers. Les sonicateurs Hielscher permettent la formulation de ciments haute performance, de la R&D à la production industrielle.

Mortiers de ciment nano-renforcés – meilleure dispersion et désagglomération grâce à la sonication

Les mortiers et les pâtes de ciment nano-renforcés offrent une voie efficace vers des matériaux de construction haute performance. En incorporant des nanomatériaux tels que le graphène, l’oxyde de graphène, les nanotubes de carbone (NTC), la nano-silice, les nano-argiles ou d’autres charges fonctionnelles, il est possible de concevoir des matériaux cimentaires présentant une résistance mécanique accrue, une meilleure résistance à la fissuration, une durabilité supérieure, une conductivité électrique, une perméabilité réduite et des performances à long terme améliorées.
Le problème : Le plein potentiel des nanomatériaux dans les systèmes cimentaires n’est atteint que lorsque les particules sont dispersées de manière uniforme. Les feuillets de graphène, les faisceaux de NTC et les autres nano-additifs ont tendance à former des agglomérats en raison de fortes forces de van der Waals, d’une énergie de surface élevée et de leur enchevêtrement. L’agitation conventionnelle, le mélange rotor-stator ou le simple mélange de poudres ne parviennent souvent pas à briser suffisamment ces agglomérats. Il en résulte une mauvaise distribution, des points faibles dans la matrice du mortier, une utilisation inefficace de nanomatériaux coûteux et des propriétés de matériau irrégulières.
La solution : Les ultrasonicateurs Hielscher de type sonde offrent une solution efficace, évolutive et éprouvée à l’échelle industrielle pour la dispersion, l’exfoliation, la désagglomération et l’enchevêtrement fonctionnel des nanomatériaux dans les pâtes de ciment, les formulations de mortier et les suspensions précurseurs. Hielscher développe et fabrique des processeurs à ultrasons pour le traitement des liquides, des études de faisabilité en laboratoire jusqu’à la production industrielle en continu, avec une gamme conçue pour la mise à l’échelle, des systèmes de laboratoire compacts aux équipements industriels de forte puissance.

Pourquoi la dispersion des nanomatériaux est essentielle dans les mortiers de ciment

Les nanomatériaux peuvent améliorer considérablement les composites cimentaires, car ils interagissent avec la matrice de ciment à une très petite échelle de longueur. Correctement dispersés, le graphène, les NTC et d’autres nanocharges peuvent servir de sites de nucléation, ponter les microfissures, affiner la structure poreuse et améliorer le transfert de charge au sein de la matrice durcie.
En pratique, les performances dépendent moins de la quantité nominale de nanomatériau ajoutée que de la qualité de la dispersion. Une petite quantité de graphène ou de NTC bien dispersés peut surpasser une quantité plus importante de matériau mal dispersé. Les agglomérats se comportent comme des défauts plutôt que comme un renfort. Ils réduisent l’ouvrabilité, créent des concentrations de contraintes et limitent la surface effective de l’additif.
La dispersion ultrasonique répond à ce défi central de formulation. Les ultrasons de haute intensité génèrent, par cavitation acoustique, de fortes forces de cisaillement localisées, un micro-mélange, des ondes de choc et des micro-jets de liquide. Ces effets séparent les nanomatériaux agrégés en faisceaux, mouillent la surface des particules et les répartissent uniformément dans toute la phase liquide avant leur incorporation dans la poudre de ciment, la pâte ou le mortier.

Désagglomération ultrasonique du graphène, des NTC et des nano-additifs

Les nanoplaquettes de graphène, l’oxyde de graphène, l’oxyde de graphène réduit et les nanotubes de carbone sont particulièrement intéressants pour les matériaux cimentaires avancés. Ils peuvent contribuer à la résistance à la traction, à la résistance à la flexion, à la ténacité à la rupture, à la conductivité électrique, au comportement thermique et à la durabilité. Dans le même temps, ils comptent parmi les additifs les plus difficiles à disperser.
La cavitation ultrasonique aide à surmonter les forces d’attraction entre les structures nanométriques. Dans un liquide soumis à la sonication, l’implosion des bulles de cavitation génère un apport d’énergie local intense. Celui-ci peut briser les amas de particules, séparer les faisceaux de NTC, exfolier les matériaux lamellaires et améliorer la distribution des nanocharges.

Les principaux effets des ultrasons dans la production de mortiers nano-renforcés sont les suivants :

• Désagglomération : Fragmentation des amas de graphène, de NTC, de nano-silice ou d’additifs hybrides en distributions de particules plus fines et plus uniformes.
• Dispersion : Répartition homogène des nanomatériaux dans l’eau, les solutions de plastifiants, les mélanges d’adjuvants ou les coulis cimentaires.
• Exfoliation : Séparation de matériaux lamellaires tels que le graphite, les nanoplaquettes de graphène ou les argiles en feuillets plus minces présentant une surface active plus élevée.
• Mouillage et activation : Amélioration du contact du liquide avec la surface des nanomatériaux pour une meilleure interaction avec les hydrates de ciment et les adjuvants.
• Enchevêtrement et formation de réseaux : Soutien à la formation de réseaux distribués de NTC ou de graphène susceptibles d’améliorer le pontage des fissures, la conductivité et la fonctionnalité structurelle.
• Reproductibilité : Création de conditions de procédé contrôlées pour des formulations constantes, des essais en laboratoire à l’échelle de production.

Avantages de la dispersion ultrasonique dans les pâtes de ciment et les mortiers

La valeur économique et technique de la sonication est particulièrement élevée dans la production de ciments haute performance. Les nanomatériaux sont souvent coûteux, et leur intérêt dépend de leur utilisation efficace. Lorsque la sonication améliore la qualité de la dispersion, les formulateurs peuvent souvent réduire le surdosage, accroître la reproductibilité et obtenir de meilleures performances par kilogramme d’additif.

Pour les producteurs de mortiers avancés, de matériaux de réparation, d’éléments préfabriqués, de matériaux cimentaires imprimables en 3D ou de produits chimiques spéciaux pour la construction, le traitement par ultrasons peut favoriser :

• Des performances en compression, en flexion et en traction plus élevées grâce à une meilleure distribution des nanocharges.
• Une meilleure résistance à la fissuration et une ténacité accrue grâce à un micro-renforcement plus efficace.
• Une perméabilité réduite et une durabilité améliorée grâce à l’affinement de la structure poreuse.
• Une qualité de matériau plus constante d’un lot à l’autre.
• Une meilleure utilisation du graphène, des NTC et d’autres nano-additifs coûteux.
• Un criblage des formulations et une optimisation des procédés plus rapides.
• Une production évolutive, du développement en laboratoire au traitement industriel en continu.
• Un meilleur contrôle des paramètres de procédé tels que l’amplitude, l’apport d’énergie, le débit, la température et le temps de séjour.

Les ultrasonicateurs Hielscher sont conçus pour un transfert d’énergie mesurable et reproductible dans les liquides, les suspensions et les boues. Le même mécanisme de sonication fondamental peut être utilisé dans toutes les classes de puissance, ce qui permet aux clients de développer les paramètres de procédé à petite échelle, puis de les transférer vers des systèmes de paillasse, pilotes ou industriels plus importants.

Thermographies infrarouges d’une pâte de ciment nano-modifiée renforcée par (a) des NTC et (b) des GNP. Les NTC et le graphène ont été dispersés avec le sonicateur UP400S.
Étude et graphiques : ©Farmaki et al., 2025

Sonication avant l’ajout au ciment : la voie de procédé privilégiée

Pour de nombreuses formulations de ciment nano-renforcé, l’approche la plus efficace consiste à disperser d’abord le nanomatériau dans la phase liquide. Il peut s’agir d’eau, d’une solution de superplastifiant, d’un dispersant contenant un tensioactif, d’un adjuvant polymère, d’un sol de silice ou d’un autre composant liquide de la formulation de mortier.
Une voie de procédé ultrasonique typique est la suivante :

1. Ajouter le graphène, les NTC ou d’autres nanomatériaux à la phase liquide.
2. Pré-mouiller la poudre ou la nanocharge sous agitation modérée.
3. Appliquer une sonication de haute intensité pour désagglomérer et disperser le matériau.
4. Contrôler la température si nécessaire.
5. Ajouter la nanodispersion traitée par ultrasons au ciment, au sable et aux autres composants du mortier.
6. Mélanger jusqu’à obtenir la consistance finale de la pâte ou du mortier.

Cette voie permet un meilleur contrôle que le mélange à sec des nanoparticules dans la poudre de ciment. Elle augmente également la probabilité que les nanomatériaux soient déjà séparés, mouillés et uniformément répartis avant le début de l’hydratation et de la prise.

Avantages économiques pour la production de ciments haute performance

Les nano-additifs peuvent être coûteux, et leur utilisation doit être justifiée par des gains de performance mesurables. Une mauvaise dispersion gaspille de la matière. Le graphène ou les NTC agglomérés augmentent le coût de la formulation sans apporter le renforcement attendu. À l’inverse, la dispersion ultrasonique améliore l’utilisation effective des nanomatériaux.
Les avantages économiques comprennent :

• Moins de gaspillage d’additifs : Une plus grande part du nanomatériau contribue aux performances au lieu de rester piégée dans des agglomérats.
• Risque de formulation réduit : Une dispersion constante réduit les lots défectueux et les résultats d’essai instables.
• Cycles de R&D plus rapides : Les formulations peuvent être criblées avec des paramètres de sonication contrôlés.
• Mise à l’échelle améliorée : Les paramètres de procédé peuvent être transférés des essais de faisabilité vers les équipements industriels.
• Produits à plus forte valeur ajoutée : Des mortiers plus résistants, plus durables et fonctionnels répondent aux applications haut de gamme.
• Potentiel de production en continu : La sonication en ligne permet un traitement à haute capacité pour la fabrication commerciale.

Pour les fabricants, la valeur essentielle ne réside pas uniquement dans une meilleure qualité de dispersion. Elle tient à la capacité de transformer le ciment nano-renforcé d’un concept de laboratoire en un procédé de production contrôlé et évolutif.

De la formulation en laboratoire à la production industrielle de ciment

Un avantage majeur de la technologie ultrasonique Hielscher réside dans sa voie pratique de mise à l’échelle. Les formulations de ciment nano-renforcé peuvent être développées à l’échelle de la paillasse, puis transférées vers des systèmes plus grands sans modifier le principe de traitement fondamental. Au lieu de réinventer le procédé de dispersion pour la production, les fabricants peuvent adapter la puissance ultrasonique, la géométrie de la cellule à circulation, le temps de séjour et la configuration du réacteur.
Cela réduit le risque technique. Cela raccourcit également le chemin entre des échantillons de mortier concluants et des produits commerciaux de ciment haute performance.

Un processus typique de mise à l’échelle comprend :

1. Définir les performances visées du mortier et le système de nanomatériaux.
2. Cribler le graphène, les NTC, la nano-silice ou des additifs hybrides.
3. Déterminer l’intensité de sonication et l’apport d’énergie nécessaires.
4. Optimiser les milieux de dispersion, les adjuvants et le contrôle de la température.
5. Produire des lots d’essai avec des systèmes UIP1000hdT ou UIP2000hdT.
6. Valider les propriétés du mortier telles que la résistance, l’ouvrabilité et la durabilité.
7. Transférer le procédé vers des clusters d’UIP6000hdT ou d’UIP16000hdT pour la production.
8. Intégrer la sonication en ligne dans la fabrication en continu.

Un ciment haute performance exige une dispersion de haute qualité

L’avenir de la technologie du ciment ne repose pas uniquement sur une nouvelle chimie des liants. Il dépend aussi d’un meilleur contrôle de la microstructure, des additifs fonctionnels et du traitement. Des nanomatériaux tels que le graphène et les NTC peuvent contribuer à produire des matériaux cimentaires plus résistants, plus tenaces, plus intelligents et plus durables. Mais cela exige une dispersion fiable.
Les ultrasonicateurs Hielscher offrent aux producteurs de ciment, aux fabricants de produits chimiques pour la construction et aux instituts de recherche un outil évolutif pour le traitement des nano-additifs. De la formulation en phase initiale à la production en ligne à haute capacité, la sonication améliore la dispersion, l’exfoliation, la désagglomération et la structuration fonctionnelle des nanomatériaux dans les pâtes de ciment et les mortiers.
Pour la production de ciments haute performance, le traitement par ultrasons offre un net avantage : de meilleures performances des matériaux, une utilisation plus efficace des nano-additifs coûteux et une voie directe du succès en laboratoire à la fabrication industrielle.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :

Sonicateurs Hielscher pour la recherche, les essais de faisabilité et la production

Hielscher propose des processeurs à ultrasons dans les classes de puissance laboratoire, paillasse, pilote et industrielle. C’est essentiel pour les développeurs de ciments et de mortiers, car les formulations nano-renforcées doivent souvent passer par plusieurs étapes : criblage initial des matériaux, développement des paramètres de dispersion, essais sur mortier, lots pilotes et production industrielle.
La gamme Hielscher est construite autour du traitement par ultrasons évolutif, avec des systèmes pour le développement en laboratoire, les essais pilotes et de paillasse, l’exploitation industrielle intensive et la production en ligne en continu à l’aide de cellules à circulation et de réacteurs.

UIP1000hdT et UIP2000hdT pour la recherche de paillasse et les essais de faisabilité

Les UIP1000hdT et UIP2000hdT sont de puissants processeurs à ultrasons de paillasse destinés au développement de formulations, aux études de faisabilité et au traitement à moyenne échelle. Ils conviennent parfaitement au développement de formulations de ciment nano-renforcé, lorsque les chercheurs doivent tester le type de nanomatériau, la concentration, la chimie du dispersant, l’intensité de sonication, la durée de traitement et le contrôle de la température.

Ces systèmes sont idéaux pour :

• La dispersion du graphène et des NTC dans l’eau ou dans des solutions d’adjuvants.
• Les essais de faisabilité de pâtes de ciment nano-renforcées.
• L’optimisation de l’apport d’énergie de sonication.
• La préparation de lots d’essai reproductibles.
• Le développement de formulations de mortier haute performance.
• Le traitement en continu à petite échelle avec des montages à cellule à circulation.
• La validation de la mise à l’échelle avant la production industrielle.

Pour les équipes de R&D, les UIP1000hdT et UIP2000hdT fournissent l’intensité de procédé requise pour les nanomatériaux exigeants, tout en conservant une installation pratique pour les environnements de laboratoire, de centre technique et pilotes.

Exfoliation ultrasonique du graphène

Clusters d’UIP6000hdT et d’UIP16000hdT pour une production à haute capacité

Pour la production à l’échelle commerciale d’additifs pour ciment nano-renforcé, de nanodispersions ou de composants de mortier haute performance, les ultrasonicateurs industriels Hielscher tels que les UIP6000hdT et UIP16000hdT peuvent être configurés en clusters pour un traitement en continu à haute capacité.
Les clusters d’unités UIP6000hdT ou UIP16000hdT permettent aux fabricants d’augmenter leur capacité de traitement tout en maintenant un apport d’énergie ultrasonique contrôlé. Cette approche modulaire est particulièrement utile lorsque les volumes de production passent de l’échelle pilote à la fabrication à grande échelle.

Les configurations industrielles permettent :

• La dispersion en ligne en continu du graphène, des NTC et des nano-additifs.
• Le traitement à haute capacité de dispersions mères de nanomatériaux.
• L’intégration dans des lignes de production d’adjuvants pour ciment ou de mortiers secs prémélangés.
• L’exploitation de réacteurs à ultrasons en parallèle pour une capacité accrue.
• Des environnements de production robustes 24/7.
• Le contrôle et la surveillance des procédés pour une qualité de produit constante.

Les systèmes industriels Hielscher sont conçus pour un fonctionnement continu exigeant, et des unités de forte puissance sont disponibles jusqu’à 16 kW par appareil.

Bibliographie / Références

• Dalla, Panagiota T., Ilias K. Tragazikis, George Trakakis, Costas Galiotis, Konstantinos G. Dassios, Theodore E. Matikas (2021): Multifunctional Cement Mortars Enhanced with Graphene Nanoplatelets and Carbon Nanotubes. Sensors 21, no. 3: 933.
• Ilias Κ. Tragazikis, Konstantinos G. Dassios, Panagiota T. Dalla, Dimitrios A. Exarchos, Theodore E. Matikas (2019): Acoustic emission investigation of the effect of graphene on the fracture behavior of cement mortars. Engineering Fracture Mechanics, Volume 210, 2019. 444-451.
• Bibi, U., Bahrami, A., Shabbir, F., Imran, M., Nasir, M. A., Ahmad, A. (2023): Graphene-Based Strain Sensing of Cementitious Composites with Natural and Recycled Sands. Sensors, 23(16), 2023. 7175.
• Farmaki, S. G., Dalla, P. T., Exarchos, D. A., Dassios, K. G., & Matikas, T. E. (2025): Thermal and Electrical Properties of Cement-Based Materials Reinforced with Nano-Inclusions. Nanomanufacturing, 5(3), 13; 2025.