सोनिकेशन सीमेंट के जलयोजन और मजबूती में सुधार करता है

उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड, जिसे सोनिकेशन भी कहा जाता है, सीमेंट और मोर्टार उत्पादन के लिए एक व्यावहारिक प्रक्रिया तीव्रीकरण तकनीक के रूप में ध्यान आकर्षित कर रहा है। हालिया शोध से पता चलता है कि अल्ट्रासोनिक उपचार कणों के परिक्षेपण में सुधार कर सकता है, दानेदार वात्या भट्ठी स्लैग (GBFS) जैसी पूरक सीमेंटयुक्त सामग्रियों को सक्रिय कर सकता है, जलयोजन को तेज कर सकता है, रंध्र संरचना को परिष्कृत कर सकता है और शुरुआती आयु की मजबूती में उल्लेखनीय वृद्धि कर सकता है।

उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड से अधिक कार्यनिष्पादन वाला स्लैग मिश्रित सीमेंट और मोर्टार

सीमेंट निर्माण और मोर्टार उत्पादन में प्रमुख तकनीकी चुनौतियों में से एक पूरक सीमेंटयुक्त सामग्रियों का कुशल उपयोग है। दानेदार वात्या भट्ठी स्लैग, या GBFS, का व्यापक रूप से उपयोग क्लिंकर की मात्रा कम करने और संधारणीयता में सुधार करने के लिए किया जाता है। हालांकि, स्लैग के मोटे या गुच्छित कण अक्सर धीरे अभिक्रिया करते हैं, जिससे शुरुआती मजबूती का विकास सीमित हो जाता है। सोनिकेशन एक आशाजनक समाधान प्रदान करता है: यह गुच्छों को परिक्षेपित करने, कणों को खंडित करने और सीमेंट मैट्रिक्स के भीतर अभिक्रियाशील नाभिकन स्थलों की संख्या बढ़ाने के लिए उच्च तीव्रता वाले ध्वनिक कैविटेशन का उपयोग करता है।

सीमेंट के जलयोजन के लिए सोनिकेशन क्यों महत्वपूर्ण है

सोनिकेशन का लाभ शुरुआती जलयोजन से पहले और उसके दौरान कण प्रणाली पर सीधे प्रभाव डालने की इसकी क्षमता में निहित है। सीमेंटयुक्त निलंबन में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन स्थानीय अपरूपण बल, सूक्ष्म जेट और दाब में उतार-चढ़ाव उत्पन्न करता है। ये प्रभाव गुच्छों को तोड़ने, महीन कणों को परिक्षेपित करने और खनिजों की नई सतहों को अनावृत करने में मदद करते हैं।
सीमेंट और मोर्टार उत्पादकों के लिए यह महत्वपूर्ण है, क्योंकि जलयोजन काफी हद तक सतह द्वारा संचालित होता है। बेहतर परिक्षेपण और छोटे अभिक्रियाशील कण पानी, क्लिंकर प्रावस्थाओं और स्लैग कणों के बीच संपर्क बढ़ा सकते हैं। इससे ऊष्मा का उत्सर्जन तेज हो सकता है, शुरुआती कठोरीकरण में सुधार हो सकता है और अधिक सघन सूक्ष्मसंरचना बन सकती है।
स्लैग मिश्रित प्रणालियों में सोनिकेशन विशेष रूप से प्रासंगिक है, क्योंकि GBFS को अक्सर सक्रिय करने की आवश्यकता होती है। GBFS कणों का अल्ट्रासोनिक कण खंडन – जिसे सोनोफ्रैगमेंटेशन कहा जाता है – कणों का आकार कम करता है, विशेष रूप से 125–250 μm आकार वर्ग में।

सीमेंट और मोर्टार उत्पादन में सोनिकेशन के प्रमुख लाभ

उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड औद्योगिक सीमेंट और मोर्टार उत्पादन में कई तरह से सहायक होता है:

• कणों का बेहतर परिक्षेपण: सोनिकेशन पेस्ट या मोर्टार मिश्रण में सीमेंट, स्लैग और महीन खनिज कणों को अधिक समान रूप से परिक्षेपित करने में मदद करता है।
• गुच्छन में कमी: अल्ट्रासोनिक उपचार कणों के गुच्छों को तोड़ सकता है और मिश्रण के दौरान दोबारा गुच्छन को रोक सकता है।
• कणों का परिष्करण: स्लैग के अधिक मोटे कणों को महीन आकार वर्गों में खंडित किया जा सकता है, जिससे उपलब्ध सतही क्षेत्रफल बढ़ता है।
• अधिक नाभिकन स्थल: खंडित GBFS कण सीमेंट मैट्रिक्स में जलयोजन उत्पादों के लिए नाभिकन केंद्रों के रूप में कार्य कर सकते हैं।
• त्वरित जलयोजन: बेहतर परिक्षेपण और अनावृत सतहें संचयी ऊष्मा उत्सर्जन तथा शुरुआती कठोरीकरण को बढ़ा सकती हैं।
• अधिक शुरुआती मजबूती: सोनिकेशन से उपचारित स्लैग मिश्रित सीमेंट पेस्ट में केवल दो दिनों के बाद ही संपीडन और आनमन सामर्थ्य में पर्याप्त वृद्धि देखी जा सकती है।
• बेहतर सूक्ष्मसंरचना: सोनिकेशन नैनोरंध्रता के संकेतकों को बढ़ा सकता है और रंध्र संरचना को बदल सकता है, विशेष रूप से 2–10 nm रंध्र आकार सीमा में।

जलयोजन से गुजर रहे सीमेंट पेस्ट के अल्ट्रासोनिक स्पंद वेग पर उच्च शक्ति अल्ट्रासोनिकेशन (PUS) का प्रभाव

उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड से प्रीकास्ट कंक्रीट में तेजी से जमना और शुरुआती मजबूती का विकास

Ch. Rößler का अध्ययन “पोर्टलैंड सीमेंट पेस्ट की प्रवाहशीलता और जमने पर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का प्रभाव” CEM I 42.5 R, 0.37 के w/c अनुपात और 0.1% पॉलीएक्रिलेट सुपरप्लास्टिसाइज़र पर आधारित पोर्टलैंड सीमेंट पेस्ट की जाँच करता है। अध्ययन में प्रवाह-पार विन्यास में Hielscher UIP1000hd सोनिकेटर का उपयोग करके यह मूल्यांकन किया गया कि क्या उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड जलयोजन को तेज़ कर सकता है, प्रवाहशीलता सुधार सकता है, जमने का समय घटा सकता है और प्रारंभिक मजबूती बढ़ा सकता है।
परिणाम दर्शाते हैं कि उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड (PUS) मुख्य जलयोजन अवधि को तेज़ करता है। तापमान वक्र जलयोजन का शिखर पहले आने को दर्शाता है, जबकि पाँच घंटे बाद की सूक्ष्मसंरचना छवियों में अल्ट्रासाउंड से उपचारित पेस्ट में संदर्भ पेस्ट की तुलना में बड़े C-S-H प्रावस्थाएँ दिखाई दीं।
प्राप्त प्रमुख लाभ:

• अधिक प्रवाहशीलता: संदर्भ पेस्ट में स्लम्प 122 mm था, जो PUS उपचार के बाद बढ़कर 158 mm हो गया।
• तेज़ी से जमना: प्रारंभिक जमने का समय 5 h 15 min से घटकर 3 h 45 min और अंतिम जमने का समय 6 h 45 min से घटकर 4 h 30 min हो गया।
• त्वरित दृढ़ीकरण: अल्ट्रासोनिक स्पंद वेग ने लगभग 2 घंटे पहले कठोर होने का संकेत दिया।
• अधिक प्रारंभिक मजबूती: PUS से उपचारित सीमेंट पेस्ट से बनाए गए मोर्टार प्रिज़्मों में पहले 24 घंटों के दौरान बढ़ा हुआ संपीडन सामर्थ्य दिखाई दिया।
• प्रक्रिया की लागत घटाने की संभावना: लेखकों ने अनुमान लगाया कि सीमेंट पेस्ट में लगभग 10 kWh/m³ का ऊर्जा निवेश जमने और प्रारंभिक मजबूती के विकास को लगभग दो घंटे पहले कर सकता है, जिसके लिए संकेतित लागत ≤ 1 Euro/m³ कंक्रीट थी।
• अधिमिश्रण की कम आवश्यकता: चूँकि PUS ने प्रवाहशीलता बढ़ाई, लेखकों ने निष्कर्ष निकाला कि सुपरप्लास्टिसाइज़र की मात्रा संभावित रूप से कम की जा सकती है।

ये परिणाम विशेष रूप से प्रीकास्ट कंक्रीट उत्पादन के लिए प्रासंगिक हैं, जहाँ तेज़ी से जमना और प्रारंभिक मजबूती फॉर्मवर्क में रखने का समय, तापन की आवश्यकता और उत्पादन चक्र का समय घटा सकते हैं।

पारंपरिक विधि से और उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके तैयार किए गए C + S पेस्ट की 28 d बाद विकर्स कठोरता और प्रत्यास्थता मापांक।
ग्राफ़ और अध्ययन: ©Lisowski et al. 2024.

GBFS-मिश्रित सीमेंट पेस्ट में अधिक प्रारंभिक मजबूती

औद्योगिक सीमेंट और मोर्टार अनुप्रयोगों के लिए सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक प्रारंभिक आयु की मजबूती में सुधार है। Lisowski et al. (2024) के अनुसार, 20% जमा हुए GBFS वाले सीमेंट पेस्ट के स्पंदित अल्ट्रासाउंड उपचार से दो दिनों के बाद काफ़ी अधिक मजबूती प्राप्त हुई। संपीडन सामर्थ्य में बताई गई वृद्धि 132% तक और आनमनी सामर्थ्य में 58% तक पहुँची।
यह प्रीकास्ट कंक्रीट, शुष्क-मिश्रण मोर्टार, मरम्मत मोर्टार, टाइल चिपकाने वाले पदार्थों और अन्य सीमेंटयुक्त उत्पादों के लिए अत्यंत प्रासंगिक है, जहाँ साँचे से जल्दी निकालना, जल्दी संभालने के लिए आवश्यक मजबूती या निर्माण की तेज़ प्रगति आर्थिक रूप से महत्वपूर्ण होती है।
मजबूती में वृद्धि का संबंध कठोर होने की संचयी ऊष्मा में वृद्धि से था, जिससे संकेत मिलता है कि सोनिकेशन भौतिक परिक्षेपण में सुधार करने के साथ-साथ प्रारंभिक जलयोजन को भी तीव्र करता है। व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ है कि उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड उत्पादकों को प्रारंभिक प्रदर्शन से समझौता किए बिना स्लैग का अधिक प्रभावी उपयोग करने में मदद कर सकता है।

28d पर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड के बिना और उसके साथ होने वाले प्रभाव की तुलना करती सीमेंट-GBFS पेस्ट नमूने C + S की SEM छवियाँ।
छवियाँ और अध्ययन: ©Lisowski et al. 2024.

सोनोफ्रैगमेंटेशन स्लैग के अपेक्षाकृत मोटे कण-अंशों को अधिक उपयोगी बनाता है

एक विशेष रूप से मूल्यवान परिणाम अपेक्षाकृत मोटे GBFS कण-अंशों का प्रभावी सक्रियण है। अध्ययन में पाया गया कि जमा हुए स्लैग कणों के पृथक्करण और उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड उपचार के साथ संयोजित करने पर 125–250 μm स्लैग कण-अंश ने प्रारंभिक आयु और 28 दिनों की सर्वोत्तम मजबूती प्रदान की।
यह औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि स्लैग को पीसकर बहुत महीन आकार का बनाने में बहुत ऊर्जा लगती है। यदि सोनिकेशन अपेक्षाकृत मोटे या जमा हुए GBFS कण-अंशों की अभिक्रियाशीलता सुधारता है, तो उत्पादक पिसाई की आवश्यकता घटा सकते हैं, कच्चे माल की उपयोग-दक्षता सुधार सकते हैं और द्वितीयक सामग्री धाराओं का बेहतर उपयोग कर सकते हैं।
 
जानें कि अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण नैनो-सुदृढ़ित सीमेंट मोर्टार के उत्पादन को कैसे सुगम बनाता है!

औद्योगिक प्रासंगिकता: सीमेंट और मोर्टार के कुशल उत्पादन के लिए उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड

औद्योगिक सीमेंट और मोर्टार उत्पादकों के लिए सोनिकेशन कई रणनीतिक लाभ प्रदान करता है। इसे स्लरी तैयार करने, बाइंडर के सक्रियण, मिश्रकों के परिक्षेपण या उच्च-प्रदर्शन वाले मोर्टार के मिश्रण के दौरान प्रक्रिया को तीव्र करने वाले चरण के रूप में एकीकृत किया जा सकता है। यह तकनीक विशेष रूप से उन उत्पादों के लिए आकर्षक है जो महीन कणों के वितरण, तेज़ जलयोजन और पूरक सीमेंटीय सामग्रियों के अनुकूलित उपयोग पर निर्भर करते हैं।

• क्लिंकर की मात्रा बढ़ाए बिना अधिक प्रारंभिक मजबूती
• GBFS और अन्य पूरक सीमेंटीय सामग्रियों का बेहतर सक्रियण
• मोटे कणों वाले या जमा हुए स्लैग अंशों का बेहतर उपयोग
• सीमेंटीय निलंबनों में कणों के समूहन में कमी
• जलयोजन और कठोर होने के व्यवहार में अधिक एकरूपता
• चयनित स्लैग धाराओं के लिए पीसने की तीव्रता में संभावित कमी
• कम क्लिंकर और कम कार्बन वाले सीमेंट फ़ॉर्मूलेशनों का बेहतर प्रदर्शन

इससे सोनिकेशन सतत सीमेंट, स्लैग सीमेंट, उच्च-प्रदर्शन वाले मोर्टार, प्रीकास्ट घटकों, मरम्मत सामग्रियों और विशिष्ट निर्माण उत्पादों के उत्पादन के लिए अत्यंत प्रासंगिक बन जाता है।

कम कार्बन वाली सीमेंट प्रौद्योगिकी के लिए एक साधन के रूप में सोनिकेशन

सीमेंट उद्योग पर CO₂ उत्सर्जन कम करने का दबाव है, और क्लिंकर अनुपात कम करना इसके सबसे सीधे तरीकों में से एक है। हालांकि, GBFS, फ्लाई ऐश, कैल्सिनित मृत्तिका या अन्य पूरक सीमेंटीय सामग्रियों से प्रतिस्थापन का स्तर बढ़ाने पर प्रारंभिक मजबूती का विकास धीमा हो सकता है। पावर अल्ट्रासाउंड परिक्षेपण में सुधार करके, कणों को सक्रिय करके और प्रारंभिक जलयोजन को तेज़ करके इस बाधा को दूर करने में सहायता कर सकता है।
सोनिकेशन स्लैग-मिश्रित सीमेंट पेस्ट को अधिक अभिक्रियाशील और यांत्रिक रूप से अधिक मज़बूत बना सकता है, विशेषकर जब प्रक्रिया को कणों के आकार-अंश और उपचार अवधि के अनुसार अनुकूलित किया जाता है। यह संयोजन औद्योगिक पैमाने पर बाइंडर अभियांत्रिकी के लिए अत्यंत प्रासंगिक है।

सीमेंट के बेहतर जलयोजन, मजबूती और स्लैग की अभिक्रियाशीलता के लिए Hielscher सोनिकेटर

Hielscher इनलाइन सोनिकेटर सीमेंट के जलयोजन और मजबूती में सुधार करने के लिए एक शक्तिशाली साधन हैं, विशेषकर स्लैग-मिश्रित सीमेंटीय प्रणालियों में।
औद्योगिक स्तर पर सीमेंट के कण-समूहों को तोड़ने और परिक्षेपण के लिए, Hielscher के उच्च-प्रदर्शन वाले सोनिकेटर कैविटेशन से उत्पन्न वह तीव्र अपरूपण प्रदान करते हैं जो सीमेंट, स्लैग और खनिज भराव के कण-समूहों को बारीक परिक्षेपित कणों में तोड़ने के लिए आवश्यक है। इससे सीमेंटीय स्लरी में कणों का गीलापन, सतह सक्रियण और समरूपता बेहतर होती है। Hielscher प्रणालियाँ बेंच-टॉप और पायलट पैमाने से लेकर मज़बूत, उच्च प्रसंस्करण क्षमता वाली उत्पादन प्रणालियों तक उपलब्ध हैं। इनमें सीमेंट ग्राउट और खनिज निलंबनों के सतत प्रसंस्करण के लिए उच्च-शक्ति वाले इनलाइन सोनिकेटर भी शामिल हैं। इससे प्रक्रिया विकास को अनुसंधान एवं विकास से पूर्ण औद्योगिक प्रसंस्करण क्षमता तक सीधे बढ़ाया जा सकता है। पीसने वाले माध्यमों की आवश्यकता समाप्त या कम करके, अल्ट्रासोनिक कण-समूह विघटन प्रसंस्करण को सरल बनाता है, संदूषण के जोखिमों को न्यूनतम करता है और सफाई का श्रम कम करता है, साथ ही पुनरुत्पादनीय परिक्षेपण गुणवत्ता प्रदान करता है। इसलिए, सीमेंट और मोर्टार निर्माताओं के लिए Hielscher सोनिकेटर अधिक एकसमान बाइंडर प्रणालियाँ, बेहतर जलयोजन गतिकी, GBFS और अन्य पूरक सीमेंटीय सामग्रियों का बेहतर उपयोग तथा अधिक प्रदर्शन वाले कम-क्लिंकर फ़ॉर्मूलेशन प्राप्त करने का एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करते हैं।

नीचे दी गई तालिका हमारी पावर अल्ट्रासाउंड प्रणालियों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

डिज़ाइन, निर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी उच्चतम गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मज़बूत बनावट और आसान संचालन के कारण हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों को औद्योगिक संयंत्रों में सहजता से एकीकृत किया जा सकता है। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठोर परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण परिवेशों में आसानी से काम करते हैं।

Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक तकनीक तथा उपयोग में सुगमता वाले उच्च प्रदर्शन के अल्ट्रासोनिकेटरों पर विशेष ज़ोर देती है। स्वाभाविक रूप से, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

साहित्य / संदर्भ

• 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.