La sonication améliore l’hydratation et la résistance du ciment

Les ultrasons de puissance, également appelés sonication, suscitent un intérêt croissant en tant que technologie d’intensification pratique pour la production de ciment et de mortier. Des recherches récentes montrent que le traitement par ultrasons peut améliorer la dispersion des particules, activer des matériaux cimentaires supplémentaires tels que le laitier granulé de haut fourneau (GBFS), accélérer l’hydratation, affiner la structure poreuse et augmenter significativement la résistance au jeune âge.

Ciment et mortier au laitier plus performants grâce aux ultrasons de puissance

Dans la fabrication du ciment et la production de mortier, l’un des principaux défis techniques est l’utilisation efficace des matériaux cimentaires supplémentaires. Le laitier granulé de haut fourneau, ou GBFS, est largement utilisé pour réduire la teneur en clinker et améliorer la durabilité environnementale. Cependant, les particules de laitier grossières ou agglomérées réagissent souvent lentement, ce qui limite le développement de la résistance initiale. La sonication offre une solution prometteuse : elle utilise une cavitation acoustique de haute intensité pour disperser les agglomérats, fragmenter les particules et augmenter le nombre de sites de nucléation réactifs au sein de la matrice cimentaire.

Pourquoi la sonication est importante pour l’hydratation du ciment

L’avantage de la sonication réside dans sa capacité à agir directement sur le système particulaire avant et pendant l’hydratation précoce. Dans une suspension cimentaire, la cavitation ultrasonore génère des forces de cisaillement localisées, des microjets et des fluctuations de pression. Ces effets contribuent à briser les agglomérats, à disperser les particules fines et à exposer des surfaces minérales fraîches.
Pour les producteurs de ciment et de mortier, c’est important car l’hydratation est fortement régie par les surfaces. Une meilleure dispersion et des particules réactives plus petites peuvent accroître le contact entre l’eau, les phases du clinker et les particules de laitier. Cela peut entraîner un dégagement de chaleur plus rapide, un durcissement initial amélioré et une microstructure plus dense.
Dans les systèmes au laitier, la sonication est particulièrement pertinente, car le GBFS nécessite souvent une activation. La fragmentation ultrasonore des particules – appelée sonofragmentation – appliquée aux particules de GBFS réduit la taille des particules, en particulier celle de la fraction 125–250 μm.

Principaux avantages de la sonication dans la production de ciment et de mortier

Les ultrasons de puissance soutiennent la production industrielle de ciment et de mortier de plusieurs manières :

• Dispersion améliorée des particules : La sonication favorise une dispersion plus uniforme des particules de ciment, de laitier et des fines particules minérales dans la pâte ou le mélange de mortier.
• Agglomération réduite : Le traitement par ultrasons peut désagréger les amas de particules et peut inhiber la réagglomération pendant le malaxage.
• Affinement granulométrique : Les particules de laitier plus grossières peuvent être fragmentées en fractions plus fines, ce qui augmente la surface disponible.
• Davantage de sites de nucléation : Les particules de GBFS fragmentées peuvent servir de centres de nucléation pour les produits d’hydratation dans la matrice cimentaire.
• Hydratation accélérée : Une meilleure dispersion et des surfaces exposées peuvent accroître le dégagement de chaleur cumulé et le durcissement initial.
• Résistance initiale plus élevée : Les pâtes de ciment au laitier soniquées peuvent présenter des gains substantiels de résistance à la compression et à la flexion après seulement deux jours.
• Microstructure améliorée : La sonication peut accroître les indicateurs de nanoporosité et modifier la structure poreuse, en particulier dans la gamme de pores de 2–10 nm.

 

Prise plus rapide et résistance initiale accrue du béton préfabriqué grâce aux ultrasons de puissance

L’étude « Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes » de Ch. Rößler porte sur des pâtes de ciment Portland à base de CEM I 42,5 R, avec un rapport e/c de 0,37 et 0,1% de superplastifiant polyacrylate. L’étude a utilisé un sonicateur Hielscher UIP1000hd en configuration à circulation pour évaluer si les ultrasons de puissance pouvaient accélérer l’hydratation, améliorer la fluidité, raccourcir la prise et augmenter la résistance initiale.
Les résultats montrent que les ultrasons de puissance (PUS) accélèrent la période principale d’hydratation. La courbe de température met en évidence un pic d’hydratation plus précoce, tandis que les images de la microstructure après cinq heures montraient des phases C-S-H plus grandes dans la pâte traitée par ultrasons que dans la référence.
Principaux avantages obtenus :

• Fluidité accrue : l’affaissement est passé de 122 mm pour la pâte de référence à 158 mm après traitement PUS.
• Prise plus rapide : le début de prise a été ramené de 5 h 15 min à 3 h 45 min, et la fin de prise de 6 h 45 min à 4 h 30 min.
• Rigidification accélérée : la vitesse d’impulsion ultrasonore a indiqué un durcissement plus rapide d’environ 2 heures.
• Résistance initiale plus élevée : les prismes de mortier fabriqués à partir de pâte de ciment traitée par PUS ont montré une résistance à la compression accrue au cours des 24 premières heures.
• Potentiel d’économie de procédé : les auteurs ont estimé qu’un apport énergétique d’environ 10 kWh/m³ de pâte de ciment pourrait accélérer la prise et la résistance initiale d’environ deux heures, pour un coût indiqué de ≤ 1 euro/m³ de béton.
• Besoin réduit en adjuvants : comme les PUS ont augmenté la fluidité, les auteurs ont conclu que le dosage en superplastifiant pourrait potentiellement être réduit.

Ces résultats sont particulièrement pertinents pour la production de béton préfabriqué, où une prise plus rapide et une résistance initiale plus élevée peuvent réduire la durée d’immobilisation des coffrages, les besoins en chauffage et les temps de cycle de production.

 

Résistance initiale accrue de la pâte de ciment au GBFS

L’un des résultats les plus importants pour les applications industrielles du ciment et du mortier est l’amélioration de la résistance au jeune âge. Selon Lisowski et al. (2024), le traitement par ultrasons pulsés de pâtes de ciment contenant 20% de GBFS déposé a conduit à une résistance nettement plus élevée après deux jours. Les augmentations rapportées ont atteint jusqu’à 132% pour la résistance à la compression et 58% pour la résistance à la flexion.
Cela est très pertinent pour le béton préfabriqué, les mortiers secs, les mortiers de réparation, les colles à carrelage et d’autres produits cimentaires pour lesquels un décoffrage précoce, une résistance précoce à la manutention ou une progression rapide du chantier sont économiquement importants.
L’augmentation de résistance était corrélée à une hausse de la chaleur cumulée de durcissement, ce qui suggère que la sonication n’améliore pas seulement la dispersion physique, mais intensifie aussi l’hydratation précoce. Concrètement, cela signifie que les ultrasons de puissance pourraient aider les producteurs à utiliser le laitier plus efficacement sans sacrifier les performances initiales.

 

La sonofragmentation rend les fractions de laitier plus grossières plus exploitables

Un résultat particulièrement précieux est l’activation efficace de fractions de GBFS relativement grossières. L’étude a montré que la fraction de laitier 125–250 μm offrait la meilleure résistance au jeune âge et à 28 jours lorsqu’elle était combinée à une séparation des particules de laitier déposé et à un traitement par ultrasons de puissance.
Cela revêt une importance industrielle, car le broyage du laitier jusqu’à des tailles très fines est énergivore. Si la sonication améliore la réactivité des fractions de GBFS plus grossières ou déposées, les producteurs peuvent réduire les besoins de broyage, améliorer l’efficacité d’utilisation des matières premières et mieux valoriser les flux de matières secondaires.

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Pertinence industrielle : les ultrasons de puissance pour une production efficace de ciment et de mortier

Pour les producteurs industriels de ciment et de mortier, la sonication offre plusieurs avantages stratégiques. Elle peut être intégrée comme étape d’intensification de procédé lors de la préparation de suspensions, de l’activation du liant, de la dispersion des adjuvants ou du malaxage de mortiers haute performance. Cette technologie est particulièrement intéressante pour les produits qui dépendent d’une distribution fine des particules, d’une hydratation rapide et d’une utilisation optimisée des matériaux cimentaires supplémentaires.

Les avantages industriels de la production de ciment par ultrasons comprennent :

• Résistance initiale plus élevée sans augmentation de la teneur en clinker
• Meilleure activation du GBFS et d’autres matériaux cimentaires supplémentaires
• Meilleure utilisation des fractions de laitier grossières ou déposées
• Agglomération réduite dans les suspensions cimentaires
• Comportement d’hydratation et de durcissement plus régulier
• Réduction potentielle de l’intensité de broyage pour certains flux de laitier
• Performances améliorées des formulations de ciment à faible teneur en clinker et bas carbone

La sonication est donc très pertinente pour la production de ciment durable, de ciment au laitier, de mortiers haute performance, d’éléments préfabriqués, de matériaux de réparation et de produits de construction spéciaux.

La sonication, un outil pour une technologie du ciment bas carbone

L’industrie du ciment est soumise à une forte pression pour réduire ses émissions de CO₂, et l’abaissement du facteur clinker est l’une des voies les plus directes. Cependant, des taux de substitution plus élevés par du GBFS, des cendres volantes, de l’argile calcinée ou d’autres matériaux cimentaires supplémentaires peuvent ralentir le développement de la résistance initiale. Les ultrasons de puissance pourraient aider à lever ce goulet d’étranglement en améliorant la dispersion, en activant les particules et en accélérant l’hydratation précoce.
La sonication peut rendre les pâtes de ciment au laitier plus réactives et mécaniquement plus résistantes, en particulier lorsque le procédé est optimisé en fonction de la fraction granulométrique et de la durée de traitement. Cette combinaison est très pertinente pour l’ingénierie des liants à l’échelle industrielle.

Sonicateurs Hielscher pour une hydratation, une résistance et une réactivité du laitier améliorées

Les sonicateurs en ligne Hielscher sont un outil puissant pour améliorer l’hydratation et la résistance du ciment, en particulier dans les systèmes cimentaires au laitier.
Pour la désagglomération et la dispersion industrielles du ciment, les sonicateurs haute performance Hielscher fournissent le cisaillement cavitationnel intense nécessaire pour briser les agglomérats de ciment, de laitier et de fillers minéraux en particules finement dispersées, améliorant ainsi le mouillage des particules, l’activation des surfaces et l’homogénéité des suspensions cimentaires. Les systèmes Hielscher sont disponibles de l’échelle de paillasse et pilote jusqu’à des systèmes de production robustes à grande capacité, y compris des sonicateurs en ligne de forte puissance pour le traitement continu de coulis de ciment et de suspensions minérales. Le développement de procédés est ainsi directement transposable de la R&D jusqu’à la pleine capacité industrielle. En éliminant ou en réduisant le recours aux corps broyants, la désagglomération par ultrasons simplifie le traitement, minimise les risques de contamination et réduit l’effort de nettoyage, tout en assurant une qualité de dispersion reproductible. Pour les fabricants de ciment et de mortier, les sonicateurs Hielscher offrent donc une voie pratique vers des systèmes liants plus homogènes, une cinétique d’hydratation améliorée, une meilleure utilisation du GBFS et d’autres matériaux cimentaires supplémentaires, ainsi que des formulations à faible teneur en clinker plus performantes.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos systèmes à ultrasons de puissance :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasonicateurs dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement maîtrisés par les ultrasonicateurs Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux ultrasonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.

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Bibliographie / Références

• 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.