Sonikacija poboljšava hidrataciju i čvrstoću cementa

Ultrazvuk velike snage, poznat i kao sonikacija, privlači pozornost kao praktična tehnologija intenzifikacije proizvodnje cementa i morta. Novija istraživanja pokazuju da ultrazvučna obrada može poboljšati dispergiranje čestica, aktivirati dopunske cementne materijale poput granulirane visokopećne troske (GBFS), ubrzati hidrataciju, profiniti strukturu pora i znatno povećati čvrstoću u ranoj dobi.

Cement i mort s dodatkom troske poboljšanih svojstava uz ultrazvuk velike snage

U proizvodnji cementa i morta jedan je od glavnih tehničkih izazova učinkovita uporaba dopunskih cementnih materijala. Granulirana visokopećna troska, odnosno GBFS, široko se upotrebljava za smanjenje udjela klinkera i poboljšanje održivosti. Međutim, krupne ili aglomerirane čestice troske često sporo reagiraju, ograničavajući razvoj rane čvrstoće. Sonikacija nudi obećavajuće rješenje: primjenjuje akustičnu kavitaciju visokog intenziteta za dispergiranje aglomerata, usitnjavanje čestica i povećanje broja reaktivnih mjesta nukleacije unutar cementne matrice.

Zašto je sonikacija važna za hidrataciju cementa

Prednost sonikacije leži u njezinoj sposobnosti izravnog djelovanja na sustav čestica prije i tijekom rane hidratacije. U cementnoj suspenziji ultrazvučna kavitacija stvara lokalizirane smične sile, mikromlazove i fluktuacije tlaka. Ti učinci pomažu razbiti aglomerate, dispergirati sitne čestice i izložiti svježe mineralne površine.
Za proizvođače cementa i morta to je važno jer hidratacija uvelike ovisi o površinskim procesima. Bolje dispergiranje i manje reaktivne čestice mogu povećati kontakt između vode, klinkerskih faza i čestica troske. To može dovesti do bržeg oslobađanja topline, poboljšanog ranog očvršćivanja i gušće mikrostrukture.
U sustavima s dodatkom troske sonikacija je posebno važna jer GBFS često zahtijeva aktivaciju. Ultrazvučno usitnjavanje čestica GBFS-a – takozvana sonofragmentacija – smanjuje veličinu čestica, osobito u frakciji 125–250 μm.

Ključne prednosti sonikacije u proizvodnji cementa i morta

Ultrazvuk velike snage podupire industrijsku proizvodnju cementa i morta na nekoliko načina:

• Poboljšano dispergiranje čestica: Sonikacija pomaže ravnomjernije dispergirati cement, trosku i sitne mineralne čestice u pasti ili smjesi morta.
• Smanjena aglomeracija: Ultrazvučna obrada može razbiti nakupine čestica i može spriječiti ponovnu aglomeraciju tijekom miješanja.
• Usitnjavanje zrna: Krupnije čestice troske mogu se usitniti u sitnije frakcije, čime se povećava raspoloživa površina.
• Više mjesta nukleacije: Usitnjene čestice GBFS-a mogu djelovati kao centri nukleacije produkata hidratacije u cementnoj matrici.
• Ubrzana hidratacija: Bolje dispergiranje i izložene površine mogu povećati kumulativno oslobađanje topline i ubrzati rano očvršćivanje.
• Veća rana čvrstoća: Sonikirane cementne paste s dodatkom troske mogu pokazati znatna povećanja tlačne i savojne čvrstoće nakon samo dva dana.
• Poboljšana mikrostruktura: Sonikacija može povećati pokazatelje nanoporoznosti i izmijeniti strukturu pora, osobito u rasponu veličine pora 2–10 nm.

Utjecaj ultrazvučne obrade velikom snagom (PUS) na brzinu ultrazvučnog impulsa u cementnim pastama tijekom hidratacije

Brže vezivanje i rana čvrstoća u predgotovljenom betonu uz ultrazvuk velike snage

Studija „Utjecaj ultrazvuka velike snage na tečljivost i vezivanje pasti portlandskog cementa” autora Ch. Rößler istražuje paste portlandskog cementa na bazi CEM I 42,5 R, s vodocementnim omjerom (w/c) od 0,37 i 0,1% poliakrilatnog superplastifikatora. U studiji je upotrijebljen sonikator Hielscher UIP1000hd u protočnoj konfiguraciji kako bi se procijenilo može li ultrazvuk velike snage ubrzati hidrataciju, poboljšati tečljivost, skratiti vrijeme vezivanja i povećati ranu čvrstoću.
Rezultati pokazuju da ultrazvuk velike snage (PUS) ubrzava glavno razdoblje hidratacije. Temperaturna krivulja pokazuje raniji hidratacijski vrhunac, dok su snimke mikrostrukture nakon pet sati pokazale veće C-S-H faze u pasti obrađenoj ultrazvukom nego u referentnoj pasti.
Ostvarene ključne prednosti:

• Veća tečljivost: slijeganje se povećalo sa 122 mm u referentnoj pasti na 158 mm nakon obrade PUS-om.
• Brže vezivanje: vrijeme početka vezivanja skraćeno je s 5 h 15 min na 3 h 45 min, a vrijeme završetka vezivanja sa 6 h 45 min na 4 h 30 min.
• Ubrzano ukrućivanje: brzina ultrazvučnog impulsa upućivala je na približno 2 sata brže očvršćivanje.
• Veća rana čvrstoća: mortne prizme izrađene od cementne paste obrađene PUS-om pokazale su povećanu tlačnu čvrstoću tijekom prvih 24 sata.
• Potencijal za ekonomičniji proces: autori su procijenili da bi unos energije od približno 10 kWh/m³ cementne paste mogao ubrzati vezivanje i razvoj rane čvrstoće za oko dva sata, uz navedeni trošak od ≤ 1 eura/m³ betona.
• Smanjena potreba za dodacima: budući da je PUS povećao tečljivost, autori su zaključili da bi se doza superplastifikatora potencijalno mogla smanjiti.

Ti su rezultati posebno relevantni za proizvodnju predgotovljenih betonskih elemenata, u kojoj brže vezivanje i rana čvrstoća mogu skratiti vrijeme zadržavanja u oplati, smanjiti potrebu za grijanjem i skratiti proizvodne cikluse.

Tvrdoća po Vickersu i modul elastičnosti pasti C + S pripremljenih konvencionalno i uz primjenu ultrazvuka velike snage nakon 28 d.
Grafikoni i studija: ©Lisowski et al. 2024.

Veća rana čvrstoća cementne paste s dodatkom GBFS-a

Jedan od najvažnijih nalaza za industrijsku primjenu cementa i morta jest poboljšanje rane čvrstoće. Prema Lisowski et al. (2024), obrada cementnih pasti koje sadržavaju 20% deponiranog GBFS-a pulsirajućim ultrazvukom rezultirala je znatno većom čvrstoćom nakon dva dana. Zabilježena povećanja dosegnula su do 132% za tlačnu čvrstoću i 58% za čvrstoću pri savijanju.
To je vrlo relevantno za predgotovljene betonske elemente, suhe mortne mješavine, sanacijske mortove, ljepila za pločice i druge proizvode na bazi cementa kod kojih su rano vađenje iz kalupa, rano postizanje čvrstoće potrebne za rukovanje ili brz napredak gradnje ekonomski važni.
Povećanje čvrstoće bilo je povezano s povećanom kumulativnom toplinom očvršćivanja, što upućuje na to da sonikacija ne poboljšava samo fizičko dispergiranje nego i intenzivira ranu hidrataciju. U praksi to znači da bi ultrazvuk velike snage mogao pomoći proizvođačima da učinkovitije upotrebljavaju trosku bez narušavanja svojstava u ranoj dobi.

SEM snimke uzorka cementne paste s GBFS-om C + S koje uspoređuju učinak bez primjene i uz primjenu ultrazvuka velike snage nakon 28d.
Snimke i studija: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentacija čini krupnije frakcije troske korisnijima

Posebno vrijedan rezultat jest učinkovita aktivacija relativno krupnih frakcija GBFS-a. Studija je pokazala da je frakcija troske od 125–250 μm ostvarila najbolju čvrstoću u ranoj dobi i nakon 28 dana u kombinaciji s odvajanjem čestica deponirane troske i obradom ultrazvukom velike snage.
To je značajno za industriju jer je mljevenje troske do vrlo sitnih čestica energetski zahtjevno. Ako sonikacija poboljšava reaktivnost krupnijih ili deponiranih frakcija GBFS-a, proizvođači mogu smanjiti potrebu za mljevenjem, poboljšati učinkovitost iskorištavanja sirovina i bolje iskoristiti tokove sekundarnih materijala.
 
Saznajte kako ultrazvučno dispergiranje olakšava proizvodnju cementnih mortova ojačanih nanomaterijalima!

Industrijski značaj: ultrazvuk velike snage za učinkovitu proizvodnju cementa i morta

Industrijskim proizvođačima cementa i morta sonikacija nudi nekoliko strateških prednosti. Može se integrirati kao korak intenzifikacije procesa tijekom pripreme suspenzije, aktivacije veziva, dispergiranja dodataka ili miješanja morta visokih svojstava. Tehnologija je posebno privlačna za proizvode koji ovise o raspodjeli sitnih čestica, brzoj hidrataciji i optimiziranoj uporabi dodatnih cementnih materijala.

• Veću ranu čvrstoću bez povećanja udjela klinkera
• Bolju aktivaciju GBFS-a i drugih dodatnih cementnih materijala
• Bolje iskorištavanje krupnih ili deponiranih frakcija troske
• Smanjenu aglomeraciju u cementnim suspenzijama
• Ujednačeniji tijek hidratacije i očvršćivanja
• Moguće smanjenje intenziteta mljevenja za odabrane tokove troske
• Poboljšana svojstva formulacija cementa s niskim udjelom klinkera i niskim ugljičnim otiskom

Zbog toga je sonikacija iznimno relevantna za proizvodnju održivog cementa, cementa s troskom, mortova visokih svojstava, predgotovljenih elemenata, materijala za sanaciju i specijaliziranih građevinskih proizvoda.

Sonikacija kao alat za tehnologiju cementa s niskim ugljičnim otiskom

Cementna industrija pod pritiskom je da smanji emisije CO₂, a smanjenje klinkerskog faktora jedan je od najizravnijih načina za to. Međutim, veći stupnjevi zamjene klinkera GBFS-om, letećim pepelom, kalciniranom glinom ili drugim dodatnim cementnim materijalima mogu usporiti razvoj rane čvrstoće. Ultrazvuk velike snage mogao bi pomoći u prevladavanju tog uskog grla poboljšanjem dispergiranja, aktivacijom čestica i ubrzavanjem rane hidratacije.
Sonikacija može cementne paste s dodatkom troske učiniti reaktivnijima i mehanički čvršćima, osobito kada je proces optimiziran za frakciju veličine čestica i vrijeme obrade. Ta je kombinacija iznimno relevantna za inženjerstvo veziva u industrijskom mjerilu.

Hielscher sonikatori za poboljšanu hidrataciju cementa, čvrstoću i reaktivnost troske

Hielscher sonikatori za linijsku obradu moćan su alat za poboljšanje hidratacije i čvrstoće cementa, osobito u cementnim sustavima s dodatkom troske.
Za industrijsku deaglomeraciju i dispergiranje cementa, Hielscher sonikatori visokih performansi osiguravaju intenzivno kavitacijsko smicanje potrebno za razbijanje aglomerata cementa, troske i mineralnih punila u fino dispergirane čestice, čime se poboljšavaju kvašenje čestica, aktivacija površine i homogenost cementnih suspenzija. Hielscher sustavi dostupni su od stolnih sustava i sustava za pilot-mjerilo do robusnih proizvodnih sustava velikog kapaciteta obrade, uključujući sonikatore velike snage za linijsku kontinuiranu obradu cementnog injekcijskog morta i mineralnih suspenzija. To omogućuje izravno povećanje mjerila procesa od istraživanja i razvoja do punog industrijskog kapaciteta obrade. Uklanjanjem ili smanjenjem potrebe za sredstvima za mljevenje, ultrazvučna deaglomeracija pojednostavnjuje obradu, svodi rizike od kontaminacije na najmanju mjeru i smanjuje potreban trud pri čišćenju, uz osiguravanje ponovljive kvalitete dispergiranja. Proizvođačima cementa i morta Hielscher sonikatori stoga nude praktičan put do ujednačenijih sustava veziva, poboljšane kinetike hidratacije, boljeg iskorištavanja GBFS-a i drugih dodatnih cementnih materijala te formulacija s niskim udjelom klinkera i boljim svojstvima.

Tablica u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših sustava ultrazvuka velike snage:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / Reference

• 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.