סוניקציה משפרת את ההידרציה והחוזק של מלט

אולטרסאונד בהספק גבוה, הידוע גם כסוניקציה, זוכה לתשומת לב כטכנולוגיה מעשית להעצמת תהליכים בייצור מלט וטיט. מחקרים עדכניים מראים שטיפול אולטרסוני יכול לשפר את פיזור החלקיקים, להפעיל חומרים צמנטיים משלימים כגון סיגי כבשן רם מגורענים (GBFS), להאיץ הידרציה, לעדן את מבנה הנקבוביות ולהגדיל משמעותית את החוזק בגיל מוקדם.

מלט וטיט בשילוב סיגים בעלי ביצועים משופרים באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה

בייצור מלט וטיט, אחד האתגרים הטכניים המרכזיים הוא שימוש יעיל בחומרים צמנטיים משלימים. סיגי כבשן רם מגורענים, או GBFS, משמשים בהיקף נרחב להפחתת תכולת הקלינקר ולשיפור הקיימות. עם זאת, חלקיקי סיגים גסים או מאוגדים מגיבים לעיתים קרובות באיטיות, ובכך מגבילים את התפתחות החוזק המוקדם. סוניקציה מציעה פתרון מבטיח: היא משתמשת בקוויטציה אקוסטית בעוצמה גבוהה כדי לפזר אגרגטים, לשבור חלקיקים ולהגדיל את מספר אתרי ההתגרענות הפעילים בתוך מטריצת המלט.

מדוע סוניקציה חשובה להידרציה של מלט

יתרונה של הסוניקציה טמון ביכולתה לפעול ישירות על מערכת החלקיקים לפני ההידרציה המוקדמת ובמהלכה. בתרחיף צמנטי, קוויטציה אולטרסונית יוצרת כוחות גזירה מקומיים, מיקרו־סילונים ותנודות לחץ. השפעות אלה מסייעות לפרק אגרגטים, לפזר חלקיקים דקים ולחשוף פני שטח מינרליים טריים.
עבור יצרני מלט וטיט, הדבר חשוב מכיוון שההידרציה תלויה במידה רבה בתהליכים המתרחשים על פני השטח. פיזור טוב יותר וחלקיקים פעילים קטנים יותר יכולים להגביר את המגע בין מים, פאזות קלינקר וחלקיקי סיגים. הדבר יכול להוביל לשחרור חום מהיר יותר, להתקשות מוקדמת משופרת ולמיקרו־מבנה צפוף יותר.
במערכות בשילוב סיגים, סוניקציה רלוונטית במיוחד משום ש־GBFS דורשים לעיתים קרובות הפעלה. שבירה אולטרסונית של חלקיקי GBFS – המכונה סונופרגמנטציה – מקטינה את גודל החלקיקים, במיוחד במקטע הגדלים 125–250 μm.

יתרונות מרכזיים של סוניקציה בייצור מלט וטיט

אולטרסאונד בהספק גבוה תומך בייצור תעשייתי של מלט וטיט בכמה דרכים:

• פיזור חלקיקים משופר: סוניקציה מסייעת לפזר מלט, סיגים וחלקיקים מינרליים דקים באופן אחיד יותר בעיסה או בתערובת הטיט.
• הפחתת אגלומרציה: טיפול אולטרסוני יכול לפרק צברי חלקיקים ועשוי לעכב אגלומרציה חוזרת במהלך הערבוב.
• עידון גרגרים: ניתן לשבור חלקיקי סיגים גסים יותר למקטעי גדלים דקים יותר, ובכך להגדיל את שטח הפנים הזמין.
• יותר אתרי התגרענות: חלקיקי GBFS שעברו שבירה יכולים לשמש כמרכזי התגרענות לתוצרי הידרציה במטריצת המלט.
• הידרציה מואצת: פיזור טוב יותר ופני שטח חשופים יכולים להגביר את שחרור החום המצטבר ואת ההתקשות המוקדמת.
• חוזק מוקדם גבוה יותר: עיסות מלט בשילוב סיגים שעברו סוניקציה יכולות להראות עליות ניכרות בחוזק הלחיצה ובחוזק הכפיפה לאחר יומיים בלבד.
• מיקרו־מבנה משופר: סוניקציה יכולה להעלות מדדי נקבוביות ננומטרית ולשנות את מבנה הנקבוביות, במיוחד בטווח גודלי הנקבוביות 2–10 nm.

השפעת סוניקציה בהספק גבוה (PUS) על מהירות הפולס האולטרסוני בעיסות מלט העוברות הידרציה

התקשרות מהירה יותר וחוזק מוקדם בבטון טרומי באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה

המחקר "השפעת אולטרסאונד רב־עוצמה על הזרימות וההתקשרות של עיסות צמנט פורטלנד" מאת Ch. Rößler בוחן עיסות צמנט פורטלנד המבוססות על CEM I 42.5 R, עם יחס מים לצמנט (w/c) של 0.37 ו־0.1% מוסף מפחית מים בטווח גבוה מסוג פוליאקרילט. במחקר נעשה שימוש במכשיר סוניקציה Hielscher UIP1000hd בתצורת זרימה רציפה כדי להעריך אם אולטרסאונד רב־עוצמה יכול להאיץ את ההידרציה, לשפר את הזרימות, לקצר את ההתקשרות ולהגדיל את החוזק המוקדם.
התוצאות מראות שאולטרסאונד רב־עוצמה (PUS) מאיץ את שלב ההידרציה העיקרי. עקומת הטמפרטורה מצביעה על שיא הידרציה מוקדם יותר, ואילו תמונות המיקרומבנה לאחר חמש שעות הראו פאזות C-S-H גדולות יותר בעיסה שטופלה באולטרסאונד מאשר בעיסת הייחוס.
יתרונות עיקריים שהושגו:

• זרימות גבוהה יותר: השקיעה גדלה מ־122 mm בעיסת הייחוס ל־158 mm לאחר טיפול PUS.
• התקשרות מהירה יותר: זמן ההתקשרות הראשונית קוצר מ־5 h 15 min ל־3 h 45 min, וזמן ההתקשרות הסופית מ־6 h 45 min ל־4 h 30 min.
• הקשחה מואצת: מהירות הפולס האולטרסוני הצביעה על התקשות מהירה יותר בכ־2 שעות.
• חוזק מוקדם גבוה יותר: מנסרות טיט שיוצרו מעיסת צמנט שטופלה ב־PUS הראו חוזק לחיצה מוגבר במהלך 24 השעות הראשונות.
• פוטנציאל לשיפור כלכליות התהליך: המחברים העריכו כי תשומת אנרגיה של כ־10 kWh/m³ עיסת צמנט עשויה להאיץ את ההתקשרות ואת התפתחות החוזק המוקדם בכשעתיים, בעלות שצוינה של ≤ 1 Euro/m³ בטון.
• צורך מופחת במוספים: מכיוון ש־PUS הגדיל את הזרימות, המחברים הסיקו כי ייתכן שניתן להפחית את מינון המוסף מפחית המים בטווח גבוה.

תוצאות אלה רלוונטיות במיוחד לייצור בטון טרומי, שבו התקשרות מהירה יותר והתפתחות מוקדמת של חוזק יכולות לצמצם את זמן השהייה בטפסות, את הצורך בחימום ואת זמני מחזורי הייצור.

קשיות ויקרס ומודול האלסטיות של עיסות C + S שהוכנו בשיטה המקובלת ובאמצעות אולטרסאונד רב־עוצמה לאחר 28 d.
גרפים ומחקר: ©Lisowski et al. 2024.

חוזק מוקדם גבוה יותר בעיסת צמנט בתוספת GBFS

אחד הממצאים החשובים ביותר ליישומים תעשייתיים של צמנט וטיט הוא השיפור בחוזק בגיל מוקדם. לפי Lisowski et al. (2024), טיפול באולטרסאונד בפולסים בעיסות צמנט המכילות 20% GBFS שהצטבר הניב חוזק גבוה במידה ניכרת לאחר יומיים. העליות שדווחו הגיעו עד 132% בחוזק הלחיצה ועד 58% בחוזק הכפיפה.
לכך יש רלוונטיות רבה לבטון טרומי, לטיט בתערובת יבשה, לטיט לתיקונים, לדבקים לאריחים ולמוצרים צמנטיים אחרים שבהם חילוץ מוקדם מתבניות, השגה מוקדמת של חוזק המאפשר שינוע או התקדמות מהירה בבנייה חשובים מבחינה כלכלית.
העלייה בחוזק הייתה במתאם עם עלייה בחום ההתקשות המצטבר, דבר המצביע על כך שסוניקציה אינה רק משפרת את הפיזור הפיזיקלי, אלא גם מגבירה את ההידרציה המוקדמת. מבחינה מעשית, פירוש הדבר הוא שאולטרסאונד רב־עוצמה עשוי לסייע ליצרנים להשתמש בסיגים ביעילות רבה יותר בלי לפגוע בביצועים המוקדמים.

תמונות SEM של דוגמת עיסת צמנט־GBFS מסוג C + S, המשוות את ההשפעה ללא אולטרסאונד רב־עוצמה ועם אולטרסאונד רב־עוצמה בגיל 28d.
תמונות ומחקר: ©Lisowski et al. 2024.

פרגמנטציה אולטרסונית הופכת מקטעי סיגים גסים יותר לשימושיים יותר

תוצאה בעלת ערך מיוחד היא ההפעלה היעילה של מקטעי GBFS גסים יחסית. המחקר מצא שמקטע הסיגים בגודל 125–250 μm הניב את החוזק הטוב ביותר הן בגיל מוקדם והן בגיל 28 יום, בשילוב עם הפרדת חלקיקי סיגים שהצטברו וטיפול באולטרסאונד רב־עוצמה.
לכך יש חשיבות תעשייתית משום שטחינת סיגים לגדלים דקים מאוד צורכת אנרגיה רבה. אם סוניקציה משפרת את התגובתיות של מקטעי GBFS גסים יותר או כאלה שהצטברו, יצרנים יכולים להפחית את הצורך בטחינה, לשפר את יעילות השימוש בחומרי גלם ולנצל טוב יותר זרמים של חומרים משניים.
 
גלו כיצד פיזור אולטרסוני מסייע לייצור טיט צמנטי מחוזק בננו־חומרים!

רלוונטיות תעשייתית: אולטרסאונד רב־עוצמה לייצור יעיל של צמנט וטיט

ליצרני צמנט וטיט תעשייתיים, סוניקציה מציעה כמה יתרונות אסטרטגיים. ניתן לשלב אותה כשלב להעצמת התהליך במהלך הכנת תרחיפים, שפעול חומרי קישור, פיזור מוספים או ערבוב טיט בעל ביצועים גבוהים. הטכנולוגיה אטרקטיבית במיוחד למוצרים התלויים בהתפלגות חלקיקים עדינים, בהידרציה מהירה ובשימוש מיטבי בחומרים צמנטיים משלימים.

• חוזק מוקדם גבוה יותר ללא הגדלת תכולת הקלינקר
• שפעול טוב יותר של GBFS ושל חומרים צמנטיים משלימים אחרים
• שימוש משופר במקטעים גסים או מופקדים של סיגים
• הפחתת היווצרות אגלומרטים בתרחיפים צמנטיים
• התנהגות עקבית יותר של הידרציה והתקשות
• אפשרות להפחתת עוצמת הטחינה בזרמי סיגים נבחרים
• ביצועים משופרים של פורמולציות צמנט בעלות תכולת קלינקר נמוכה וטביעת רגל פחמנית נמוכה

כל אלה הופכים את הסוניקציה לרלוונטית ביותר לייצור צמנט בר־קיימא, צמנט סיגים, טיט בעל ביצועים גבוהים, אלמנטים טרומיים, חומרי תיקון ומוצרי בנייה ייעודיים.

סוניקציה ככלי לטכנולוגיית צמנט בעל טביעת רגל פחמנית נמוכה

תעשיית הצמנט נתונה ללחץ להפחית את פליטות ה־CO₂, והפחתת שיעור הקלינקר היא אחת הדרכים הישירות ביותר לכך. עם זאת, שיעורי החלפה גבוהים יותר ב־GBFS, באפר פחם, בחרסית שעברה קלייה או בחומרים צמנטיים משלימים אחרים עלולים להאט את התפתחות החוזק המוקדם. אולטרסאונד רב־עוצמה עשוי לסייע להתגבר על צוואר בקבוק זה באמצעות שיפור הפיזור, שפעול חלקיקים והאצת ההידרציה המוקדמת.
סוניקציה יכולה להפוך עיסות צמנט המכילות סיגים לתגובתיות יותר ולבעלות חוזק מכני גבוה יותר, במיוחד כאשר התהליך מותאם באופן מיטבי למקטע גודל החלקיקים ולמשך הטיפול. שילוב זה רלוונטי ביותר להנדסת חומרי קישור בקנה מידה תעשייתי.

מכשירי סוניקציה של Hielscher לשיפור ההידרציה והחוזק של צמנט ותגובתיות הסיגים

מכשירי הסוניקציה של Hielscher המותקנים בקו התהליך הם כלי רב־עוצמה לשיפור ההידרציה והחוזק של צמנט, במיוחד במערכות צמנטיות המכילות סיגים.
לפירוק אגלומרטים ולפיזור צמנט בתהליכים תעשייתיים, מכשירי הסוניקציה בעלי הביצועים הגבוהים של Hielscher מספקים את כוחות הגזירה העזים הנוצרים בקוויטציה, הנדרשים לפירוק אגלומרטים של צמנט, סיגים וחומרי מילוי מינרליים לחלקיקים המפוזרים היטב. בכך הם משפרים את הרטבת החלקיקים, את שפעול פני השטח ואת האחידות בתרחיפים צמנטיים. מערכות Hielscher זמינות ממערכות שולחניות ומערכות בקנה מידה ניסיוני ועד מערכות ייצור עמידות בעלות תפוקה גבוהה, לרבות מכשירי סוניקציה בהספק גבוה המותקנים בקו התהליך לעיבוד רציף של דייס צמנט ותרחיפים מינרליים. כך ניתן להגדיל את קנה המידה של התהליך ישירות ממחקר ופיתוח לתפוקה תעשייתית מלאה. באמצעות ביטול או הפחתת הצורך בגופי טחינה, פירוק אגלומרטים באולטרסאונד מפשט את העיבוד, ממזער סיכוני זיהום ומפחית את מאמץ הניקוי, תוך אספקת איכות פיזור הניתנת לשחזור. לכן, עבור יצרני צמנט וטיט, מכשירי הסוניקציה של Hielscher מציעים דרך מעשית להשגת מערכות חומרי קישור אחידות יותר, קינטיקת הידרציה משופרת, ניצול טוב יותר של GBFS ושל חומרים צמנטיים משלימים אחרים, ופורמולציות בעלות תכולת קלינקר נמוכה וביצועים גבוהים יותר.

הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של מערכות האולטרסאונד רבות־העוצמה שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בתקני האיכות והתכנון הגבוהים ביותר שלהם. העמידות וקלות ההפעלה מאפשרות לשלב את המכשירים האולטרסוניים שלנו בקלות במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

ספרות / מקורות

• 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.