Az ultrahangkezelés javítja a cement hidratációját és szilárdságát

A nagy teljesítményű ultrahang – más néven szonikáció – egyre nagyobb figyelmet kap, mint a cement- és habarcsgyártás gyakorlati fokozási technológiája. A legújabb kutatások szerint az ultrahangos kezelés javíthatja a részecskék diszperzióját, aktiválhatja a kiegészítő cementkötő anyagokat – például a granulált nagyolvasztó-salakot (GBFS) –, felgyorsíthatja a hidratációt, finomíthatja a pórusszerkezetet, és jelentősen növelheti a korai szilárdságot.

Nagyobb teljesítményű, salakkal kevert cement és habarcs nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásával

A cementgyártás és a habarcsgyártás területén az egyik legfontosabb műszaki kihívás a kiegészítő cementképző anyagok hatékony felhasználása. A granulált nagyolvasztó-salakot (GBFS) széles körben alkalmazzák a klinker-tartalom csökkentése és a fenntarthatóság javítása érdekében. A durva vagy agglomerált salakrészecskék azonban gyakran lassan reagálnak, ami korlátozza a korai szilárdság kialakulását. Az ultrahangkezelés ígéretes megoldást kínál: nagy intenzitású akusztikus kavitációt alkalmaz az agglomerátumok szétoszlatására, a részecskék felaprózására, valamint a cementmátrixon belüli reaktív nukleációs pontok számának növelésére.

Miért fontos az ultrahangkezelés a cement hidratációja szempontjából?

Az ultrahangkezelés előnye abban rejlik, hogy a hidratáció előtt és annak korai szakaszában közvetlenül hat a részecskerendszerre. A cementalapú szuszpenzióban az ultrahangos kavitáció helyi nyíróerőket, mikrosugarakat és nyomásingadozásokat generál. Ezek a hatások elősegítik az agglomerátumok felbomlását, a finom részecskék diszpergálását, valamint a friss ásványi felületek felszínre kerülését.
A cement- és habarcsgyártók számára ez azért fontos, mert a hidratáció nagymértékben a felületi folyamatoktól függ. A jobb diszperzió és a kisebb reaktív részecskék növelhetik a víz, a klinkerfázisok és a salakrészecskék közötti érintkezést. Ez gyorsabb hőfelszabaduláshoz, jobb korai kötéshez és sűrűbb mikroszerkezethez vezethet.
A salakkal kevert rendszerekben az ultrahangos kezelés különösen fontos, mivel a GBFS gyakran aktiválást igényel. A részecskék ultrahangos felaprózása – az úgynevezett ultrahangos fragmentáció – A GBFS-részecskék használata csökkenti a részecskeméretet, különösen a 125–250 μm-es frakciót.

A szonikáció fő előnyei a cement- és habarcsgyártásban

A nagy teljesítményű ultrahang többféle módon is támogatja az ipari cement- és habarcsgyártást:

• Jobb részecskeszórás: Az ultrahangkezelés elősegíti a cement, a salak és a finom ásványi részecskék egyenletesebb eloszlását a paszta- vagy habarcskeverékben.
• Csökkentett agglomeráció: Az ultrahangos kezelés felbonthatja a részecskecsoportokat, és gátolhatja azok újbóli összetapadását a keverés során.
• Gabona finomítás: A durvább salakrészecskék finomabb frakciókra bonthatók, ami növeli a rendelkezésre álló felületet.
• További nukleációs helyek: A szétesett GBFS-részecskék a cementmátrixban a hidratációs termékek kristályképződési központjaként működhetnek.
• Gyorsított hidratálás: A jobb eloszlás és a kitett felületek növelhetik a kumulatív hőleadást és a korai kötést.
• Magasabb kezdeti szilárdság: Az ultrahanggal kezelt, salakkal kevert cementpaszták már két nap elteltével is jelentős növekedést mutathatnak a nyomó- és hajlítószilárdság terén.
• Továbbfejlesztett mikroszerkezet: Az ultrahangkezelés növelheti a nanopórusosság mutatóit és módosíthatja a pórusszerkezetet, különösen a 2–10 nm-es pórusméret-tartományban.

A teljesítmény ultrahangos hatása (PUS) a hidratáló cementpaszták ultrahangos impulzussebességére

Gyorsabb kötés és korai szilárdság az előregyártott betonban nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásával

A tanulmány “A teljesítmény-ultrahang hatása a portlandcement paszták folyékonyságára és beállítására” Ch. Rößler tanulmánya a CEM I 42,5 R típusú portlandcement-pasztákat vizsgálja, amelyek víz-cement aránya 0,37, és 0,1% poliakrilát szuperplasztikizálót tartalmaznak. A vizsgálat során egy Hielscher UIP1000hd ultrahangos készüléket használtak átfolyó rendszerben annak értékelésére, hogy a nagy teljesítményű ultrahang felgyorsíthatja-e a hidratációt, javíthatja-e a folyékonyságot, lerövidítheti-e a kötési időt és növelheti-e a korai szilárdságot.
Az eredmények azt mutatják, hogy a nagy teljesítményű ultrahang (PUS) felgyorsítja a hidratáció fő szakaszát. A hőmérsékleti görbe a hidratáció csúcsának korábbi elérését mutatja, míg az öt óra elteltével készült mikroszerkezeti felvételek azt mutatták, hogy az ultrahanggal kezelt pasztában nagyobb C-S-H-fázisok voltak láthatók, mint a kontrollmintában.
A legfontosabb elért előnyök:

• Jobb folyékonyság: A süllyedés a referencia-paszta 122 mm-es értékéről a PUS-kezelés után 158 mm-re nőtt.
• Gyorsabb beállítás: az első szettet 5 óra 15 percről 3 óra 45 percre, a záró szettet pedig 6 óra 45 percről 4 óra 30 percre rövidítették.
• Gyorsított megszilárdulás: Az ultrahangos impulzussebesség alapján a kötés körülbelül 2 órával gyorsabbnak bizonyult.
• Magasabb kezdeti szilárdság: A PUS-kezelésű cementpasztából készült habarcsprizmák az első 24 órában megnövekedett nyomószilárdságot mutattak.
• Folyamat-hatékonysági potenciál: A szerzők becslése szerint körülbelül 10 kWh/m³ cementpaszta energiabevitel körülbelül két órával gyorsíthatja a kötést és a korai szilárdság kialakulását, a jelzett költség pedig ≤ 1 euró/m³ beton.
• A keverék iránti kereslet csökkenése: Mivel a PUS javította a folyékonyságot, a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a szuperplasztikálószer adagja esetleg csökkenthető.

Ezek az eredmények különösen fontosak az előregyártott betonelemek gyártása szempontjából, ahol a gyorsabb kötés és a korai szilárdság csökkentheti a zsaluzási időt, a fűtési igényt és a gyártási ciklus időtartamát.

A hagyományos módon, illetve nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásával előállított C + S paszták Vicker-keménysége és rugalmassági modulusza 28 nap elteltével.
Ábrák és tanulmány: ©Lisowski és társai, 2024.

A GBFS-keverékű cementpaszta korai szilárdságának növekedése

Az ipari cement- és habarcsalkalmazások szempontjából az egyik legfontosabb eredmény a korai szilárdság javulása. Lisowski és munkatársai (2024) szerint a 20%-ban lerakódott GBFS-t tartalmazó cementpaszták impulzusos ultrahangos kezelése két nap elteltével jelentősen magasabb szilárdságot eredményezett. A jelentett növekedés a nyomószilárdság esetében akár 132%-ot, a hajlítószilárdság esetében pedig 58%-ot ért el.
Ez különösen fontos az előregyártott beton, a szárazkeverékű habarcs, a javítóhabarcsok, a csemperagasztók és egyéb cementalapú termékek esetében, ahol a korai formából való kivétel, a korai kezelési szilárdság vagy a gyors építési előrehaladás gazdasági szempontból fontos.
A szilárdságnövekedés összefüggésbe hozható a megkeményedés kumulatív hőmennyiségének növekedésével, ami arra utal, hogy az ultrahangkezelés nem csupán a fizikai diszperziót javítja, hanem a korai hidratációt is fokozza. Gyakorlati szempontból ez azt jelenti, hogy a nagy teljesítményű ultrahang segíthet a gyártóknak a salak hatékonyabb felhasználásában anélkül, hogy a korai teljesítmény romlana.

A C + S jelű cement–GBFS paszta mintáról készült SEM-felvételek, amelyek a 28. napon a nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásával és anélkül elért eredményeket hasonlítják össze.
Képek és tanulmány: ©Lisowski és társai 2024.

A sonofragmentációval a durvább salakfrakciók is hasznosabbá válnak

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, ha azt a lerakódott salakrészecskék elválasztásával és nagy teljesítményű ultrahangos kezeléssel kombinálták.
Ez ipari szempontból azért jelentős, mert a salak nagyon finomra történő őrlése energiaigényes folyamat. Ha az ultrahangkezelés javítja a durvább vagy lerakódott GBFS-frakciók reaktivitását, a gyártók csökkenthetik az őrlési igényt, javíthatják a nyersanyag-hatékonyságot, és jobban kihasználhatják a másodlagos anyagáramokat.
 
Tudja meg, hogyan segíti elő az ultrahangos diszpergálás a nanorészecskékkel megerősített cementhabarcsok gyártását!

Ipari jelentőség: Erőteljes ultrahang a cement és habarcs hatékony előállításához

Az ipari cement- és habarcsgyártók számára az ultrahangos kezelés számos stratégiai előnyt kínál. Beépíthető a folyamatok intenzívebbé tételét szolgáló lépésként a szuszpenzió előkészítése, a kötőanyag aktiválása, az adalékanyagok diszpergálása vagy a nagy teljesítményű habarcs keverése során. A technológia különösen vonzó azoknál a termékeknél, amelyeknél fontos a finom részecskék eloszlása, a gyors hidratáció és a kiegészítő cementtartalmú anyagok optimális kihasználása.

• Magasabb korai szilárdság a klinker-tartalom növelése nélkül
• A GBFS és más kiegészítő cementkötő anyagok hatékonyabb aktiválása
• A durva vagy lerakódott salakfrakciók hatékonyabb felhasználása
• A cementalapú szuszpenziókban fellépő agglomeráció csökkentése
• Következetesebb hidratációs és keményedési viselkedés
• A kiválasztott salakáramok őrlési intenzitásának lehetséges csökkentése
• Az alacsony klinker- és alacsony széntartalmú cementkeverékek teljesítményének javítása

Ezért az ultrahangkezelés rendkívül fontos szerepet játszik a fenntartható cement, a salakcement, a nagy teljesítményű habarcsok, az előregyártott elemek, a javítóanyagok és a speciális építőipari termékek gyártásában.

Az ultrahangkezelés mint eszköz az alacsony szén-dioxid-kibocsátású cementtechnológiában

A cementipar nyomás alatt áll a CO₂-kibocsátás csökkentése tekintetében, és a klinker-tényező csökkentése az egyik legközvetlenebb módszer erre. Ugyanakkor a GBFS, a repülőhamu, a kalcinált agyag vagy más kiegészítő cementkötő anyagok magasabb arányú felhasználása lassíthatja a korai szilárdság kialakulását. A nagy teljesítményű ultrahang segíthet leküzdeni ezt a szűk keresztmetszetet azáltal, hogy javítja a diszperziót, aktiválja a részecskéket és felgyorsítja a korai hidratációt.
Az ultrahangkezelés révén a salakkal kevert cementpaszták reaktívabbá és mechanikailag szilárdabbá válhatnak, különösen akkor, ha a folyamatot a részecskeméret-frakció és a kezelési idő tekintetében optimalizálják. Ez a kombináció rendkívül fontos az ipari méretű kötőanyag-fejlesztés szempontjából.

Hielscher ultrahangos készülékek a cement hidratációjának, szilárdságának és a salakkal való reakcióképességének javítására

A Hielscher inline ultrahangos berendezései hatékony eszközök a cement hidratációjának és szilárdságának javítására, különösen a salakkal kevert cementalapú rendszerek esetében.
Az ipari cement-deagglomeráláshoz és -diszpergáláshoz a Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos berendezései biztosítják azt az intenzív kavitációs nyíróerőt, amely szükséges a cement-, salak- és ásványi töltőanyag-agglomerátumok finoman diszpergált részecskékre történő felbontásához, javítva ezzel a részecskék nedvesedését, a felületi aktiválást és a cementalapú szuszpenziók homogenitását. A Hielscher rendszerei asztali és kísérleti méretű kivitelektől a robusztus, nagy áteresztőképességű gyártórendszerekig terjednek, beleértve a nagy teljesítményű, beépíthető ultrahangos készülékeket is, amelyek a cementhabarcs és az ásványi szuszpenziók folyamatos feldolgozására szolgálnak. Ez lehetővé teszi a folyamatfejlesztés közvetlen méretezhetőségét a kutatási fázistól kezdve&D-től a teljes ipari termelési kapacitásig. Az ultrahangos deagglomerálás – az őrlőanyagok iránti igény kiküszöbölésével vagy csökkentésével – egyszerűsíti a feldolgozást, minimalizálja a szennyeződés kockázatát és csökkenti a tisztítási igényt, miközben reprodukálható diszperziós minőséget biztosít. A cement- és habarcsgyártók számára a Hielscher ultrahangos készülékei ezért praktikus megoldást kínálnak az egyenletesebb kötőanyag-rendszerek, a jobb hidratációs kinetika, a GBFS és más kiegészítő cementkötő anyagok hatékonyabb felhasználása, valamint a nagyobb teljesítményű, alacsony klinker-tartalmú keverékek előállításához.

Az alábbi táblázat áttekintést nyújt nagy teljesítményű ultrahangos rendszereink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Irodalom / Hivatkozások