Az ultrahangos kezelés javítja a cement hidratációját és szilárdságát

A nagy teljesítményű ultrahang, más néven ultrahangos kezelés, egyre nagyobb figyelmet kap a cement- és habarcsgyártásban alkalmazható gyakorlati folyamatintenzifikáló technológiaként. A közelmúlt kutatásai szerint az ultrahangos kezelés javíthatja a részecskék diszpergálását, aktiválhatja a kiegészítő cementkötő anyagokat, például a granulált kohósalakot (GBFS), felgyorsíthatja a hidratációt, finomíthatja a pórusszerkezetet és jelentősen növelheti a korai szilárdságot.

Jobb teljesítményű, salakkal kevert cement és habarcs nagy teljesítményű ultrahanggal

A cement- és habarcsgyártás egyik fő műszaki kihívása a kiegészítő cementkötő anyagok hatékony felhasználása. A granulált kohósalakot, vagyis a GBFS-t széles körben használják a klinkertartalom csökkentésére és a fenntarthatóság javítására. A durva vagy agglomerálódott salakrészecskék azonban gyakran lassan reagálnak, ami korlátozza a korai szilárdság kialakulását. Az ultrahangos kezelés ígéretes megoldást kínál: nagy intenzitású akusztikus kavitációval diszpergálja az agglomerátumokat, aprítja a részecskéket és növeli a reaktív magképződési helyek számát a cementmátrixban.

Miért fontos az ultrahangos kezelés a cement hidratációjához?

Az ultrahangos kezelés előnye, hogy közvetlenül képes hatni a részecskerendszerre a korai hidratáció előtt és annak során. A cementkötő anyagot tartalmazó szuszpenzióban az ultrahangos kavitáció helyi nyíróerőket, mikrosugarakat és nyomásingadozásokat hoz létre. Ezek a hatások elősegítik az agglomerátumok felbontását, a finom részecskék diszpergálását és a friss ásványi felületek feltárását.
A cement- és habarcsgyártók számára ez azért fontos, mert a hidratációt nagymértékben a felületi folyamatok határozzák meg. A jobb diszpergálás és a kisebb reaktív részecskék fokozhatják a víz, a klinkerfázisok és a salakrészecskék közötti érintkezést. Ez gyorsabb hőfelszabaduláshoz, jobb korai szilárduláshoz és tömörebb mikroszerkezethez vezethet.
A salakkal kevert rendszerekben az ultrahangos kezelés különösen fontos, mivel a GBFS gyakran aktiválást igényel. A GBFS-részecskék ultrahangos aprítása – az úgynevezett szonofragmentáció – csökkenti a részecskeméretet, különösen a 125–250 μm-es frakcióban.

Az ultrahangos kezelés fő előnyei a cement- és habarcsgyártásban

A nagy teljesítményű ultrahang többféleképpen támogatja az ipari cement- és habarcsgyártást:

• Jobb részecskediszpergálás: Az ultrahangos kezelés segít egyenletesebben diszpergálni a cementet, a salakot és a finom ásványi részecskéket a pépben vagy a habarcskeverékben.
• Csökkent agglomeráció: Az ultrahangos kezelés felbonthatja a részecskehalmazokat, és gátolhatja az újbóli agglomerációt a keverés során.
• Szemcsefinomítás: A durvább salakrészecskék finomabb frakciókra apríthatók, növelve a rendelkezésre álló felületet.
• Több magképződési hely: Az aprított GBFS-részecskék a hidratációs termékek magképződési központjaiként működhetnek a cementmátrixban.
• Gyorsabb hidratáció: A jobb diszpergálás és a feltárt felületek növelhetik az összesített hőfelszabadulást és gyorsíthatják a korai szilárdulást.
• Nagyobb korai szilárdság: Az ultrahanggal kezelt, salakkal kevert cementpépek nyomó- és hajlítószilárdsága már mindössze két nap elteltével jelentősen növekedhet.
• Javított mikroszerkezet: Az ultrahangos kezelés növelheti a nanoporozitás mutatóit és módosíthatja a pórusszerkezetet, különösen a 2–10 nm-es pórustartományban.

A nagy teljesítményű ultrahangos kezelés (PUS) hatása az ultrahangos impulzusterjedési sebességre hidratálódó cementpépekben

Gyorsabb kötés és korai szilárdság az előregyártott betonban nagy teljesítményű ultrahanggal

Ch. Rößler „A nagy teljesítményű ultrahang hatása a portlandcement-pépek folyóképességére és kötésére” című tanulmánya CEM I 42,5 R alapú portlandcement-pépeket vizsgál 0,37 víz/cement aránnyal és 0,1% poliakrilát szuperfolyósítóval. A vizsgálatban átfolyó elrendezésben alkalmazott Hielscher UIP1000hd ultrahangos kezelőberendezéssel értékelték, hogy a nagy teljesítményű ultrahang képes-e felgyorsítani a hidratációt, javítani a folyóképességet, lerövidíteni a kötési időt és növelni a korai szilárdságot.
Az eredmények azt mutatják, hogy a nagy teljesítményű ultrahang (PUS) felgyorsítja a fő hidratációs szakaszt. A hőmérsékleti görbe korábbi hidratációs csúcsot jelez, míg az öt óra elteltével készült mikroszerkezeti képeken az ultrahanggal kezelt pépben nagyobb C-S-H-fázisok voltak láthatók, mint a referenciamintában.
Az elért fő előnyök:

• Nagyobb folyóképesség: a terülés a referenciapép 122 mm-es értékéről a PUS-kezelés után 158 mm-re nőtt.
• Gyorsabb kötés: a kötés kezdete 5 h 15 min-ről 3 h 45 min-re, a kötés vége pedig 6 h 45 min-ről 4 h 30 min-re rövidült.
• Gyorsabb merevedés: az ultrahangos impulzusterjedési sebesség megközelítőleg 2 órával gyorsabb szilárdulást jelzett.
• Nagyobb korai szilárdság: a PUS-szal kezelt cementpépből készített habarcsprizmák nyomószilárdsága az első 24 órában növekedett.
• A folyamat gazdaságosságának javítási lehetősége: a szerzők becslése szerint megközelítőleg 10 kWh/m³ cementpép energiabevitel körülbelül két órával gyorsíthatná a kötést és a korai szilárdság kialakulását, a megadott költség pedig ≤ 1 Euro/m³ beton.
• Csökkent adalékszerigény: mivel a PUS növelte a folyóképességet, a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a szuperfolyósító adagolása esetleg csökkenthető.

Ezek az eredmények különösen fontosak az előregyártott beton gyártásában, ahol a gyorsabb kötés és a korai szilárdság csökkentheti a zsaluzatban töltött időt, a fűtési igényt és a gyártási ciklusidőt.

Hagyományosan és nagy teljesítményű ultrahanggal készített C + S pépek Vickers-keménysége és rugalmassági modulusa 28 d elteltével.
Grafikonok és tanulmány: ©Lisowski et al. 2024.

Nagyobb korai szilárdság GBFS-szel kevert cementpépben

Az ipari cement- és habarcsalkalmazások egyik legfontosabb megállapítása a korai szilárdság javulása. Lisowski et al. (2024) szerint a 20% deponált GBFS-t tartalmazó cementpépek impulzusos ultrahangos kezelése két nap elteltével lényegesen nagyobb szilárdságot eredményezett. A közölt növekedés a nyomószilárdság esetében akár 132%-ot, a hajlítószilárdság esetében pedig 58%-ot ért el.
Ez különösen fontos az előregyártott beton, a szárazhabarcs, a javítóhabarcsok, a csemperagasztók és más cementkötésű termékek esetében, ahol a korai kizsaluzás, a korai mozgatási szilárdság vagy a gyors építési előrehaladás gazdasági jelentőségű.
A szilárdságnövekedés összefüggött a szilárdulás során felszabaduló összesített hő növekedésével, ami arra utal, hogy az ultrahangos kezelés nem csupán a fizikai diszpergálást javítja, hanem a korai hidratációt is intenzívebbé teszi. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a nagy teljesítményű ultrahang segíthetne a gyártóknak hatékonyabban felhasználni a salakot a korai teljesítmény feláldozása nélkül.

A C + S jelű cement–GBFS pépminta SEM-képei, amelyek a nagy teljesítményű ultrahang nélküli és azzal végzett kezelés hatását hasonlítják össze 28d elteltével.
Képek és tanulmány: ©Lisowski et al. 2024.

A szonofragmentáció jobban hasznosíthatóvá teszi a durvább salakfrakciókat

Különösen értékes eredmény a viszonylag durva GBFS-frakciók hatékony aktiválása. A tanulmány megállapította, hogy a 125–250 μm-es salakfrakció biztosította a legjobb korai és 28 napos szilárdságot, amikor a deponált salakrészecskék szétválasztásával és nagy teljesítményű ultrahangos kezeléssel kombinálták.
Ennek ipari jelentősége van, mivel a salak nagyon finom szemcseméretre történő őrlése energiaigényes. Ha az ultrahangos kezelés javítja a durvább vagy deponált GBFS-frakciók reakcióképességét, a gyártók csökkenthetik az őrlési igényt, javíthatják a nyersanyag-felhasználás hatékonyságát és jobban hasznosíthatják a másodlagos anyagáramokat.
 
Ismerje meg, hogyan segíti az ultrahangos diszpergálás a nanoerősített cementhabarcsok előállítását!

Ipari jelentőség: nagy teljesítményű ultrahang a hatékony cement- és habarcsgyártáshoz

Az ipari cement- és habarcsgyártók számára az ultrahangos kezelés számos stratégiai előnyt kínál. Folyamatintenzifikáló lépésként integrálható az iszap előkészítése, a kötőanyag aktiválása, az adalékszerek diszpergálása vagy a nagy teljesítményű habarcsok keverése során. A technológia különösen vonzó azoknál a termékeknél, amelyeknél meghatározó a finom részecskék eloszlása, a gyors hidratáció és a kiegészítő cementkötő anyagok optimalizált felhasználása.

• Nagyobb korai szilárdság a klinkertartalom növelése nélkül
• A GBFS és más kiegészítő cementkötő anyagok jobb aktiválása
• A durva vagy deponált salakfrakciók jobb hasznosítása
• Csökkent agglomeráció a cementkötő anyagot tartalmazó szuszpenziókban
• Egyenletesebb hidratációs és szilárdulási viselkedés
• Az őrlés intenzitásának lehetséges csökkentése egyes salakáramok esetében
• A kis klinkertartalmú és alacsony szén-dioxid-kibocsátású cementösszetételek jobb teljesítménye

Ez az ultrahangos kezelést különösen fontossá teszi a fenntartható cement, a salakcement, a nagy teljesítményű habarcsok, az előregyártott elemek, a javítóanyagok és a speciális építőipari termékek gyártásában.

Az ultrahangos kezelés mint az alacsony szén-dioxid-kibocsátású cementtechnológia eszköze

A cementiparra nyomás nehezedik a CO₂-kibocsátás csökkentése érdekében, és ennek egyik legközvetlenebb módja a klinkerarány csökkentése. A klinker nagyobb arányú helyettesítése GBFS-szel, pernyével, kalcinált agyaggal vagy más kiegészítő cementkötő anyaggal azonban lassíthatja a korai szilárdság kialakulását. A nagy teljesítményű ultrahang a diszpergálás javításával, a részecskék aktiválásával és a korai hidratáció felgyorsításával segíthet leküzdeni ezt a szűk keresztmetszetet.
Az ultrahangos kezelés reakcióképesebbé és mechanikailag szilárdabbá teheti a salakkal kevert cementpépeket, különösen akkor, ha a folyamatot a részecskeméret-frakcióra és a kezelési időre optimalizálják. Ez a kombináció különösen fontos a kötőanyagok ipari léptékű műszaki fejlesztésében.

Hielscher ultrahangos kezelőberendezések a cement hidratációjának, szilárdságának és a salak reakcióképességének javításához

A Hielscher gyártósorba építhető ultrahangos kezelőberendezései hatékony eszközök a cement hidratációjának és szilárdságának javítására, különösen a salakkal kevert cementkötőanyag-rendszerekben.
A cement ipari deagglomerálásához és diszpergálásához a Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezései biztosítják azt az intenzív kavitációs nyíróhatást, amely a cement-, salak- és ásványi töltőanyag-agglomerátumok finoman diszpergált részecskékre bontásához szükséges, javítva a részecskék nedvesedését, a felületi aktiválást és a cementkötő anyagot tartalmazó iszapok homogenitását. A Hielscher rendszerei az asztali és kísérleti üzemi mérettől a robusztus, nagy áteresztőképességű gyártórendszerekig elérhetők, beleértve a nagy teljesítményű, gyártósorba építhető ultrahangos kezelőberendezéseket cementinjektáló habarcs és ásványi szuszpenziók folyamatos feldolgozására. Ez lehetővé teszi a folyamatfejlesztés közvetlen méretnövelését a kutatás-fejlesztéstől a teljes ipari áteresztőképességig. Az őrlőtestek iránti igény megszüntetésével vagy csökkentésével az ultrahangos deagglomerálás egyszerűsíti a feldolgozást, minimalizálja a szennyeződés kockázatát és csökkenti a tisztítási ráfordítást, miközben reprodukálható diszpergálási minőséget biztosít. A cement- és habarcsgyártók számára a Hielscher ultrahangos kezelőberendezései így gyakorlati lehetőséget kínálnak egyenletesebb kötőanyag-rendszerek, jobb hidratációs kinetika, a GBFS és más kiegészítő cementkötő anyagok jobb hasznosítása, valamint nagyobb teljesítményű, kis klinkertartalmú összetételek elérésére.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad nagy teljesítményű ultrahangos rendszereink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos berendezései a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelhetőségük lehetővé teszi ultrahangos berendezéseink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos berendezései könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és az igényes környezettel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a korszerű technológiát és felhasználóbarát kezelést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos berendezésekre. A Hielscher ultrahangos berendezései természetesen CE-megfelelők, és teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.