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 les matériaux cimentaires d'appoint tels que le laitier granulé de haut fourneau (GBFS), accélérer l'hydratation, affiner la structure poreuse et augmenter considérablement la résistance en début de vie.

Ciment et mortier à base de laitier, aux performances accrues, grâce à l'ultrason de puissance

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

Pourquoi la sonication est-elle importante pour l'hydratation du ciment ?

L'avantage de la sonication réside dans sa capacité à agir directement sur le système de particules avant et pendant les premières phases d'hydratation. Dans une suspension cimentaire, la cavitation ultrasonique 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 les surfaces minérales fraîches.
Pour les producteurs de ciment et de mortier, cet aspect est important car l'hydratation est un processus qui se déroule principalement en surface. Une meilleure dispersion et des particules réactives plus fines 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 précoce amélioré et une microstructure plus dense.
Dans les systèmes à base de scories mélangées, la sonication revêt une importance particulière, car les GBFS nécessitent souvent une activation. Fragmentation des particules par ultrasons – ce qu'on appelle la sonofragmentation – La présence de particules GBFS réduit la taille des particules, en particulier celle de la fraction comprise entre 125 et 250 μm.

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

Les ultrasons de puissance contribuent à la production industrielle de ciment et de mortier de plusieurs façons :

• Meilleure dispersion des particules : La sonication permet de répartir plus uniformément le ciment, les scories et les particules minérales fines dans la pâte ou le mortier.
• Réduction de l'agglomération : Le traitement par ultrasons permet de désagréger les agrégats de particules et peut empêcher leur réagglomération pendant le mélange.
• Raffinement du grain : Les particules de scories les plus grossières peuvent être fragmentées en fractions plus fines, ce qui augmente la surface spécifique disponible.
• Autres sites de nucléation : Les particules fragmentées de GBFS peuvent servir de centres de nucléation pour les produits d'hydratation dans la matrice de ciment.
• Hydratation accélérée : Une meilleure dispersion et des surfaces exposées peuvent accroître le dégagement de chaleur cumulé et accélérer le durcissement.
• Résistance initiale plus élevée : Les pâtes de ciment mélangées à des scories et traitées par ultrasons peuvent présenter des gains substantiels en termes de résistance à la compression et à la flexion après seulement deux jours.
• Microstructure améliorée : La sonication peut augmenter les indicateurs de nanoporosité et modifier la structure des pores, en particulier dans la gamme de tailles de pores comprise entre 2 et 10 nm.

 

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

L'étude “Influence des ultrasons de puissance sur la fluidité et la prise des pâtes de ciment Portland” L'étude de Ch. Rößler porte sur des pâtes de ciment Portland à base de CEM I 42,5 R, avec un rapport eau/ciment de 0,37 et 0,1 % de superplastifiant à base de polyacrylate. L'étude a utilisé un sonicateur Hielscher UIP1000hd en configuration à circulation continue afin d'évaluer si les ultrasons de puissance pouvaient accélérer l'hydratation, améliorer la fluidité, raccourcir le temps de prise et augmenter la résistance initiale.
Les résultats montrent que les ultrasons de puissance (PUS) accélèrent la phase principale d'hydratation. La courbe de température révèle un pic d'hydratation plus précoce, tandis que les images de microstructure réalisées au bout de cinq heures ont mis en évidence des phases C-S-H plus importantes dans la pâte traitée par ultrasons que dans la pâte de référence.
Principaux avantages obtenus :

• Meilleure fluidité : L'affaissement est passé de 122 mm dans la pâte de référence à 158 mm après traitement au PUS.
• Prise plus rapide : La première partie a été raccourcie de 5 h 15 min à 3 h 45 min, et la dernière partie de 6 h 45 min à 4 h 30 min.
• Rigidification accélérée : La vitesse d'impulsion ultrasonique a indiqué un durcissement plus rapide d'environ 2 heures.
• Résistance initiale plus élevée : Les prismes de mortier obtenus à partir d'une pâte de ciment traitée au PUS ont présenté une résistance à la compression accrue au cours des 24 premières heures.
• Potentiel d'optimisation des processus : 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 estimé à ≤ 1 euro/m³ de béton.
• Baisse de la demande d'adjuvants : Étant donné que le PUS améliorait la fluidité, les auteurs ont conclu que le dosage du superplastifiant pourrait éventuellement être réduit.

Ces résultats sont particulièrement pertinents pour la production d'éléments préfabriqués en béton, où une prise plus rapide et une résistance précoce peuvent permettre de réduire la durée de coffrage, les besoins en chauffage et les délais de production.

 

 

Résistance initiale plus élevée de la pâte de ciment mélangée selon la méthode GBFS

L'une des conclusions les plus importantes pour les applications industrielles du ciment et du mortier est l'amélioration de la résistance en début d'âge. Selon Lisowski et al. (2024), le traitement par ultrasons pulsés de pâtes de ciment contenant 20 % de cendres volantes de haut fourneau (GBFS) a permis d'obtenir une résistance nettement supérieure au bout de 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 revêt une importance particulière pour le béton préfabriqué, les mortiers prêts à l'emploi, les mortiers de réparation, les colles à carrelage et autres produits à base de ciment, pour lesquels un démoulage précoce, une résistance précoce à la manipulation ou un avancement rapide des travaux revêtent une importance économique majeure.
L'augmentation de la résistance était corrélée à une augmentation de la chaleur de durcissement cumulée, ce qui suggère que la sonication ne se contente pas d'améliorer la dispersion physique, mais intensifie également l'hydratation précoce. Concrètement, cela signifie que les ultrasons de puissance pourraient aider les producteurs à utiliser plus efficacement les scories sans compromettre les performances initiales.

 

 

La sonofragmentation rend les fractions de scories plus grossières plus utiles

L’un des résultats les plus intéressants est l’activation efficace des fractions relativement grossières du GBFS. L’étude a montré que la fraction de scories comprise entre 125 et 250 μm offrait la meilleure résistance à court terme et à 28 jours lorsqu’elle était associée à une séparation des particules de scories déposées et à un traitement par ultrasons de puissance.
Cela revêt une importance industrielle, car le broyage des scories en particules très fines est un processus très gourmand en énergie. Si la sonication permet d’améliorer la réactivité des fractions de GBFS plus grossières ou déposées, les producteurs pourront réduire leurs besoins en broyage, optimiser l’utilisation des matières premières et mieux valoriser les flux de matières secondaires.
 
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Pertinence industrielle : l'ultrason de puissance pour une production efficace de ciment et de mortier

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

Les avantages industriels de la production de ciment par ultrasons sont les suivants :

• Une résistance initiale plus élevée sans augmenter la teneur en clinker
• Meilleure activation du GBFS et d'autres matériaux cimentaires d'appoint
• Meilleure utilisation des fractions de scories grossières ou déposées
• Réduction de l'agglomération dans les suspensions cimentaires
• Un comportement d'hydratation et de durcissement plus régulier
• Réduction potentielle de l'intensité de broyage pour certains flux de scories
• Amélioration des performances des formulations de ciment à faible teneur en clinker et à faible teneur en carbone

La sonication revêt donc une grande importance pour la production de ciment durable, de ciment de laitier, de mortiers haute performance, d'éléments préfabriqués, de matériaux de réparation et de produits de construction spécialisés.

La sonication, un outil au service des technologies du ciment à faible empreinte carbone

L'industrie du ciment est soumise à des pressions pour réduire ses émissions de CO₂, et la diminution du facteur de clinker constitue l'une des solutions les plus directes. Cependant, des taux de substitution plus élevés avec du GBFS, des cendres volantes, de l'argile calcinée ou d'autres matériaux cimentaires d'appoint peuvent ralentir le développement de la résistance initiale. Les ultrasons de puissance pourraient aider à surmonter ce goulot d’étranglement en améliorant la dispersion, en activant les particules et en accélérant l’hydratation précoce.
La sonication peut rendre les pâtes de ciment mélangées à des scories plus réactives et plus résistantes sur le plan mécanique, en particulier lorsque le procédé est optimisé en termes de distribution granulométrique et de durée de traitement. Cette combinaison revêt une grande importance pour l'ingénierie des liants à l'échelle industrielle.

Sonicateurs Hielscher pour une meilleure hydratation du ciment, une résistance accrue et une meilleure réactivité des scories

Les soniqueurs en ligne Hielscher constituent un outil puissant pour améliorer l'hydratation et la résistance du ciment, en particulier dans les systèmes cimentaires enrichis en scories.
Pour la désagglomération et la dispersion du ciment à l'échelle industrielle, les soniqueurs haute performance Hielscher fournissent le cisaillement cavitationnel intense nécessaire pour briser les agglomérats de ciment, de laitier et de charges minérales en particules finement dispersées, améliorant ainsi le mouillage des particules, l'activation de surface et l'homogénéité des boues cimentaires. Les systèmes Hielscher sont disponibles dans des formats allant des modèles de paillasse et à l'échelle pilote jusqu'aux systèmes de production robustes à haut débit, y compris des soniqueurs en ligne à haute puissance pour le traitement en continu des coulis de ciment et des suspensions minérales. Cela permet un développement de procédé directement transposable de la R&D&D jusqu'à un débit industriel complet. En éliminant ou en réduisant le recours aux corps de broyage, la désagglomération par ultrasons simplifie le traitement, minimise les risques de contamination et réduit les efforts de nettoyage, tout en garantissant une qualité de dispersion reproductible. Pour les fabricants de ciment et de mortier, les soniqueurs Hielscher offrent donc une solution pratique pour obtenir des systèmes de liants plus homogènes, une cinétique d’hydratation améliorée, une meilleure utilisation des cendres volantes de haut fourneau (GBFS) et d’autres matériaux cimentaires d’appoint, ainsi que des formulations à faible teneur en clinker et plus performantes.

Le tableau ci-dessous vous donne une idée de la capacité de traitement approximative de nos systèmes d'ultrasons de puissance :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

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Littérature / 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.