Sonikacija poboljšava hidrataciju i čvrstoću cementa

Ultrazvuk visoke snage, poznat i kao sonikacija, privlači pažnju kao praktična tehnologija intenzificiranja proizvodnje cementa i morta. Nedavna istraživanja pokazuju da ultrazvučna obrada može poboljšati disperziju čestica, aktivirati dodatne cementne materijale kao što je granulirani visokopećni trosak (GBFS), ubrzati hidrataciju, poboljšati strukturu pore i značajno povećati otpornost u ranoj fazi.

Cement i mort s visokom izvedbom na bazi troske uz primjenu ultrazvuka visoke snage

U proizvodnji cementa i proizvodnji morta, jedan od glavnih tehničkih izazova je učinkovita upotreba dodatnih cementnih materijala. Granulirani visokotlačni troska iz visokih peći, ili GBFS, široko se koristi za smanjenje sadržaja klinkera i poboljšanje održivosti. Međutim, grube ili aglomerirane čestice troske često reagiraju sporo, što ograničava rani razvoj čvrstoće. Sonikacija nudi obećavajuće rješenje: koristi visokointenzivnu akustičnu kavitaciju za raspršivanje aglomerata, razbijanje čestica i povećanje broja reaktivnih mjesta za nukleaciju unutar cementne matrice.

Zašto sonikacija ima važnost za hidrataciju cementa

Prednost sonikacije leži u njezinoj sposobnosti da djeluje izravno na sustav čestica prije i tijekom rane hidratacije. U cementnoj suspenziji, ultrazvučna kavitacija stvara lokalizirane smične sile, mikrostruje i fluktuacije tlaka. Ovi učinci pomažu u razbijanju aglomerata, disperziji finih čestica i izlaganju svježih mineralnih površina.
Za proizvođače cementa i morta, ovo je važno jer je hidratacija uvelike ovisna o površini. Bolja disperzija i manje reaktivne čestice mogu povećati kontakt između vode, klinkerskih faza i čestica troske. To može dovesti do bržeg otpuštanja topline, poboljšanog ranog stvrdnjavanja i gušće mikrostrukture.
U sustavima s pomiješanim troskom, sonikacija je posebno relevantna jer GBFS često zahtijeva aktivaciju. Ultrazvučna fragmentacija čestica – takozvana sonofragmentacija – GBFS čestica smanjuje veličinu čestica, posebno frakcije od 125–250 μm.

Ključne prednosti sonikacije u proizvodnji cementa i morta

Snaga ultrazvuka podržava industrijsku proizvodnju cementa i morta na nekoliko načina:

• Poboljšana disperzija čestica: Sonikacija pomaže u ravnomjernijoj disperziji cementa, troske i finih mineralnih čestica u pastu ili mješavinu morta.
• Smanjena aglomeracija: Ultrazvučna obrada može razbiti nakupine čestica i može spriječiti ponovno aglomeriranje tijekom miješanja.
• Pročišćavanje zrna: Grublje čestice troske mogu se fragmentirati u finije frakcije, povećavajući dostupnu površinu.
• Više mjesta za nukleaciju: Fragmentirane GBFS čestice mogu djelovati kao jezgre za nastajanje hidratacijskih produkata u cementnoj matrici.
• Ubrzana hidratacija: Bolja disperzija i izložene površine mogu povećati kumulativno otpuštanje topline i rano stvrdnjavanje.
• Veća rani čvrstoća: Cementne paste s dodatkom šljake obrađene sonikacijom mogu pokazati značajan porast tlačne i savojne čvrstoće već nakon dva dana.
• Poboljšana mikrostruktura: Sonikacija može povećati indikator nanoporoznosti i modificirati strukturu pora, posebno u rasponu pora od 2–10 nm.

Utjecaj Power Ultrasonication (PUS) na brzinu ultrazvučnog pulsa hidratantnih cementnih pasta

Brže vezivanje i rana čvrstoća kod predgotovljenog betona pomoću ultrazvuka velike snage

Studija “Utjecaj Power-Ultrazvuka na fluidnost i stvrdnjavanje pasta od portland cementa” by Ch. Rößler investigates Portland cement pastes based on CEM I 42.5 R, a w/c ratio of 0.37 and 0.1% polyacrylate superplasticizer. The study usedsa Hielscher UIP1000hd sonicator in flow-through setup to evaluate whether power ultrasound could accelerate hydration, improve fluidity, shorten setting and increase early strength.
The results show that power ultrasound (PUS) accelerates the main hydration period. The temperature curve demonstrate an earlier hydration peak, while the microstructure images after five hours showed larger C-S-H phases in the ultrasound-treated paste than in the reference.
Key advantages achieved:

• Higher fluidity: slump increased from 122 mm in the reference paste to 158 mm after PUS treatment.
• Faster setting: Početno postavljanje skraćeno je s 5 h 15 min na 3 h 45 min, a završno s 6 h 45 min na 4 h 30 min.
• Ubrzana krutost: Ultrazvučna brzina pulsa ukazivala je na otprilike 2 sata brže očvršćavanje.
• Veća rani čvrstoća: Mort prizme dobivene od PUS-tretirane cementne paste pokazale su povećanu tlačnu čvrstoću tijekom prvih 24 sata.
• Potencijal za ekonomičnost procesa: Autori su procijenili da bi unos energije od približno 10 kWh/m³ cementne paste mogao ubrzati stvrdnjavanje i ranu čvrstoću za oko dva sata, s indiciranim troškom od ≤ 1 Euro/m³ betona.
• Smanjena potražnja za smjesom: budući da je PUS povećao fluidnost, autori su zaključili da bi se doza superplastifikatora potencijalno mogla smanjiti.

Ovi rezultati su posebno relevantni za proizvodnju predgotovljenog betona, gdje brže vezanje i rana čvrstoća mogu smanjiti vrijeme korištenja oplata, potrošnju grijanja i vrijeme proizvodnog ciklusa.

Vickerova tvrdoća i elastični modul C + S smjesa pripremljenih konvencionalno i uz korištenje snažnog ultrazvuka nakon 28 dana.
Grafovi i studija: ©Lisowski i sur. 2024.

Jača rana čvrstoća u cementnim pastama s dodatkom GBFS-a

One of the most important findings for industrial cement and mortar applications is the improvement in early-age strength. According to Lisowski et al. (2024), pulsed ultrasound treatment of cement pastes containing 20% deposited GBFS produced considerably higher strength after two days. The reported increases reached up to 132% in compressive strength and 58% in flexural strength.
This is highly relevant for precast concrete, dry-mix mortar, repair mortars, tile adhesives and other cementitious products where early demolding, early handling strength or rapid construction progress is economically important.
Povećanje čvrstoće bilo je povezano s povećanom kumulativnom toplinom otvrdnjavanja, što sugerira da sonikacija ne poboljšava samo fizičku disperziju već i intenzivira ranu hidrataciju. U praktičnom smislu, to znači da ultrazvuk visokog intenziteta može pomoći proizvođačima da učinkovitije koriste šljaku bez žrtvovanja rane performanse.

SEM slike uzorka cement-GBFS paste C + S uspoređuju učinak bez i s ultrazvukom visokog intenziteta nakon 28 dana.
Slike i studija: ©Lisowski i sur. 2024.

Sonofragmentacija čini grublje frakcije šljake korisnijima

Posebno vrijedan rezultat je učinkovita aktivacija relativno grubih GBFS frakcija. Studija je utvrdila da je frakcija troske od 125–250 μm dala najbolju ranu i 28-dnevnu čvrstoću u kombinaciji s odvajanjem čestica taložene šljake i ultrazvučnim tretmanom pod naponom.
Ovo je industrijski značajno jer je mljevenje šljake na vrlo fine veličine energetski zahtjevno. Ako sonikacija poboljša reaktivnost grubljih ili taloženih GBFS frakcija, proizvođači mogu smanjiti potražnju za mljevenjem, poboljšati učinkovitost sirovina i bolje iskoristiti sekundarne tokove materijala.
 
Saznajte kako ultrazvučna disperzija olakšava proizvodnju mortova ojačanih nanočesticama!

Industrijska relevantnost: Snažni ultrazvuk za učinkovitu proizvodnju cementa i morta

Za industrijske proizvođače cementa i morta, sonikacija nudi nekoliko strateških prednosti. Može se integrirati kao korak intenziviranja procesa tijekom pripreme suspenzije, aktivacije veziva, disperzije aditiva ili miješanja visokoučinkovitog morta. Tehnologija je posebno atraktivna za proizvode koji ovise o finom rasporedu čestica, brzom hidratacijom i optimiziranom korištenju dodatnih cementnih materijala.

• Veću ranu čvrstoću bez povećanja sadržaja klinkera
• Bolju aktivaciju GBFS-a i drugih dodatnih cementnih materijala
• Poboljšana upotreba grubih ili taloženih frakcija troske
• Smanjena aglomeracija u cementnim suspenzijama
• Dosljednije ponašanje hidratacije i očvršćavanja
• Potencijalno smanjenje intenziteta mljevenja za odabrane tokove troske
• Poboljšane performanse nisko-klinker i niskougljičnih cementnih formulacija

Zbog toga je sonikacija izuzetno relevantna za proizvodnju održivog cementa, cementa za trosku, visokoučinkovitih mortova, predgotovljenih elemenata, materijala za popravak i specijaliziranih građevinskih proizvoda.

Sonikacija kao alat za tehnologiju niskougljičnog cementa

The cement industry is under pressure to reduce CO₂ emissions, and lowering the clinker factor is one of the most direct routes. However, higher replacement levels with GBFS, fly ash, calcined clay or other supplementary cementitious materials can slow down early strength development. Power ultrasound may help overcome this bottleneck by improving dispersion, activating particles and accelerating early hydration.
Sonication can make slag-blended cement pastes more reactive and mechanically stronger, especially when the process is optimized for particle size fraction and treatment time. That combination is highly relevant for industrial-scale binder engineering.

Hielscher Sonicators for Enhanced Cement Hydration, Strength and Slag Reactivity

Hielscher inline sonicatori moćan su alat za poboljšanje hidratacije i čvrstoće cementa, posebno u sustavima cementa pomiješanog sa šljakom.
Za industrijsku deagregaciju i disperziju cementa, Hielscher visokoučinkoviti sonicatori pružaju intenzivno kavitacijsko smicanje potrebno za razbijanje aglomerata cementa, šljake i mineralnog punila u fino dispergirane čestice, poboljšavajući mokrenje čestica, aktivaciju površine i homogenost u cementnim kašama. Hielscher sustavi dostupni su od stolnih i pilot-skala sustava do robusnih sustava za proizvodnju visoke propusnosti, uključujući visokoučinkovite inline sonicatori za kontinuiranu obradu cementnih mješavina i mineralnih suspenzija. Ovo omogućuje da razvoj procesa bude izravno skalabilan s R&D na punu industrijsku propusnost. Uklanjanjem ili smanjenjem potrebe za brusnim medijima, ultrazvučna deaglomeracija pojednostavljuje procesiranje, smanjuje rizike od kontaminacije i smanjuje napor čišćenja, dok istovremeno osigurava ponovljivu disperzijsku kvalitetu. Za proizvođače cementa i morta, Hielscherovi sonikatori stoga nude praktičan put do ujednačenijih sustava veziva, poboljšane kinetike hidratacije, bolje upotrebe GBFS-a i drugih dodatnih cementnih materijala te visokoučinkovitih formulacija s niskim cijevom klinkera.

Tablica ispod daje vam približnu kapacitet obrade naših ultrazvučnih sustava snage:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / Reference