Sonikasi Meningkatkan Hidrasi dan Kekuatan Semen

Ultrasonik berdaya tinggi, yang juga dikenal sebagai sonikasi, semakin mendapat perhatian sebagai teknologi intensifikasi praktis untuk produksi semen dan mortar. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa perlakuan ultrasonik dapat meningkatkan dispersi partikel, mengaktifkan bahan sementisius tambahan seperti terak tanur tinggi bergranul (GBFS), mempercepat hidrasi, memperhalus struktur pori, dan secara signifikan meningkatkan kekuatan pada umur awal.

Semen dan Mortar Campuran Terak Berkinerja Lebih Tinggi dengan Ultrasonik Berdaya Tinggi

Dalam pembuatan semen dan produksi mortar, salah satu tantangan teknis utama adalah penggunaan bahan sementisius tambahan secara efisien. Terak tanur tinggi bergranul, atau GBFS, banyak digunakan untuk mengurangi kandungan klinker dan meningkatkan keberlanjutan. Namun, partikel terak yang kasar atau teraglomerasi sering bereaksi lambat sehingga membatasi perkembangan kekuatan awal. Sonikasi menawarkan solusi yang menjanjikan: teknologi ini menggunakan kavitasi akustik berintensitas tinggi untuk mendispersikan aglomerat, memfragmentasi partikel, dan meningkatkan jumlah situs nukleasi reaktif di dalam matriks semen.

Mengapa Sonikasi Penting bagi Hidrasi Semen

Keunggulan sonikasi terletak pada kemampuannya untuk bekerja langsung pada sistem partikel sebelum dan selama hidrasi awal. Dalam suspensi sementisius, kavitasi ultrasonik menghasilkan gaya geser lokal, semburan mikro, dan fluktuasi tekanan. Efek ini membantu memecah aglomerat, mendispersikan partikel halus, dan menyingkap permukaan mineral yang baru.
Bagi produsen semen dan mortar, hal ini penting karena hidrasi sangat bergantung pada permukaan. Dispersi yang lebih baik dan partikel reaktif yang lebih kecil dapat meningkatkan kontak antara air, fase klinker, dan partikel terak. Hal ini dapat menghasilkan pelepasan panas yang lebih cepat, pengerasan awal yang lebih baik, dan mikrostruktur yang lebih padat.
Dalam sistem campuran terak, sonikasi sangat relevan karena GBFS sering memerlukan aktivasi. Fragmentasi ultrasonik partikel GBFS – yang disebut sonofragmentasi – mengurangi ukuran partikel, khususnya fraksi 125–250 μm.

Keunggulan Utama Sonikasi dalam Produksi Semen dan Mortar

Ultrasonik berdaya tinggi mendukung produksi semen dan mortar industri melalui beberapa cara:

• Dispersi partikel yang lebih baik: Sonikasi membantu mendispersikan semen, terak, dan partikel mineral halus secara lebih merata dalam campuran pasta atau mortar.
• Aglomerasi yang berkurang: Perlakuan ultrasonik dapat memecah kelompok partikel dan berpotensi menghambat reaglomerasi selama pencampuran.
• Penghalusan butiran: Partikel terak yang lebih kasar dapat difragmentasi menjadi fraksi yang lebih halus, sehingga meningkatkan luas permukaan yang tersedia.
• Lebih banyak situs nukleasi: Partikel GBFS yang terfragmentasi dapat bertindak sebagai pusat nukleasi bagi produk hidrasi dalam matriks semen.
• Hidrasi yang dipercepat: Dispersi yang lebih baik dan permukaan yang tersingkap dapat meningkatkan pelepasan panas kumulatif dan pengerasan awal.
• Kekuatan awal yang lebih tinggi: Pasta semen campuran terak yang disonikasi dapat menunjukkan peningkatan besar pada kekuatan tekan dan lentur setelah hanya dua hari.
• Mikrostruktur yang lebih baik: Sonikasi dapat meningkatkan indikator nanoporositas dan memodifikasi struktur pori, khususnya pada rentang pori 2–10 nm.

Pengaruh Ultrasonikasi Berdaya Tinggi (PUS) terhadap Kecepatan Pulsa Ultrasonik pada Pasta Semen yang Mengalami Hidrasi

Pengikatan Lebih Cepat dan Kekuatan Awal pada Beton Pracetak dengan Ultrasonik Berdaya Tinggi

Studi “Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes” oleh Ch. Rößler meneliti pasta semen Portland berbasis CEM I 42,5 R, dengan rasio air/semen (w/c) 0,37 dan superplasticizer poliakrilat 0,1%. Studi tersebut menggunakan sonikator Hielscher UIP1000hd dalam konfigurasi aliran menerus untuk mengevaluasi apakah ultrasonik berdaya tinggi dapat mempercepat hidrasi, meningkatkan fluiditas, mempersingkat pengikatan, dan meningkatkan kekuatan awal.
Hasilnya menunjukkan bahwa ultrasonik berdaya tinggi (PUS) mempercepat periode hidrasi utama. Kurva suhu menunjukkan puncak hidrasi yang lebih awal, sementara citra mikrostruktur setelah lima jam menunjukkan fase C-S-H yang lebih besar pada pasta yang diberi perlakuan ultrasonik dibandingkan dengan pasta acuan.
Keunggulan utama yang dicapai:

• Fluiditas yang lebih tinggi: slump meningkat dari 122 mm pada pasta acuan menjadi 158 mm setelah perlakuan PUS.
• Pengikatan yang lebih cepat: waktu pengikatan awal dipersingkat dari 5 h 15 min menjadi 3 h 45 min, dan waktu pengikatan akhir dari 6 h 45 min menjadi 4 h 30 min.
• Pembentukan kekakuan yang dipercepat: kecepatan pulsa ultrasonik menunjukkan pengerasan yang sekitar 2 jam lebih cepat.
• Kekuatan awal yang lebih tinggi: prisma mortar yang dibuat dari pasta semen yang diberi perlakuan PUS menunjukkan peningkatan kekuatan tekan selama 24 jam pertama.
• Potensi keekonomian proses: para penulis memperkirakan bahwa masukan energi sekitar 10 kWh/m³ pasta semen dapat mempercepat pengikatan dan perkembangan kekuatan awal sekitar dua jam, dengan biaya yang disebutkan sebesar ≤ 1 Euro/m³ beton.
• Kebutuhan bahan tambah yang berkurang: karena PUS meningkatkan fluiditas, para penulis menyimpulkan bahwa dosis superplasticizer berpotensi dikurangi.

Hasil ini sangat relevan untuk produksi beton pracetak, di mana pengikatan yang lebih cepat dan kekuatan awal dapat mengurangi waktu penggunaan bekisting, kebutuhan pemanasan, dan waktu siklus produksi.

Kekerasan Vickers dan Modulus Elastisitas pasta C + S yang dibuat secara konvensional dan menggunakan Ultrasonik Berdaya Tinggi setelah 28 d.
Grafik dan studi: ©Lisowski et al. 2024.

Kekuatan Awal yang Lebih Tinggi pada Pasta Semen Campuran GBFS

Salah satu temuan terpenting untuk aplikasi semen dan mortar industri adalah peningkatan kekuatan pada umur awal. Menurut Lisowski et al. (2024), perlakuan ultrasonik berpulsa pada pasta semen yang mengandung 20% GBFS terdeposit menghasilkan kekuatan yang jauh lebih tinggi setelah dua hari. Peningkatan yang dilaporkan mencapai hingga 132% pada kekuatan tekan dan 58% pada kekuatan lentur.
Hal ini sangat relevan untuk beton pracetak, mortar campuran kering, mortar perbaikan, perekat ubin, dan produk sementisius lainnya, di mana pelepasan cetakan lebih awal, kekuatan untuk penanganan awal, atau kemajuan konstruksi yang cepat penting secara ekonomis.
Peningkatan kekuatan berkorelasi dengan peningkatan panas pengerasan kumulatif, yang menunjukkan bahwa sonikasi tidak hanya memperbaiki dispersi fisik, tetapi juga mengintensifkan hidrasi awal. Secara praktis, ini berarti ultrasonik berdaya tinggi dapat membantu produsen menggunakan terak secara lebih efektif tanpa mengorbankan kinerja awal.

Citra SEM spesimen pasta Semen-GBFS C + S yang membandingkan efek tanpa dan dengan Ultrasonik Berdaya Tinggi pada 28d.
Citra dan studi: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentasi Membuat Fraksi Terak yang Lebih Kasar Lebih Bermanfaat

Hasil yang sangat bernilai adalah aktivasi efektif fraksi GBFS yang relatif kasar. Studi tersebut menemukan bahwa fraksi terak 125–250 μm menghasilkan kekuatan terbaik pada umur awal dan umur 28 hari ketika dikombinasikan dengan pemisahan partikel terak terdeposit dan perlakuan ultrasonik berdaya tinggi.
Hal ini signifikan bagi industri karena penggilingan terak hingga ukuran sangat halus membutuhkan banyak energi. Jika sonikasi meningkatkan reaktivitas fraksi GBFS yang lebih kasar atau terdeposit, produsen dapat mengurangi kebutuhan penggilingan, meningkatkan efisiensi bahan baku, dan memanfaatkan aliran bahan sekunder dengan lebih baik.
 
Pelajari bagaimana dispersi ultrasonik memfasilitasi produksi mortar semen dengan penguatan nano!

Relevansi Industri: Ultrasonik Berdaya Tinggi untuk Produksi Semen dan Mortar yang Efisien

Bagi produsen semen dan mortar industri, sonikasi menawarkan beberapa keunggulan strategis. Sonikasi dapat diintegrasikan sebagai tahap intensifikasi proses selama penyiapan slurry, aktivasi bahan pengikat, dispersi bahan tambah, atau pencampuran mortar berkinerja tinggi. Teknologi ini sangat menarik untuk produk yang bergantung pada distribusi partikel halus, hidrasi cepat, dan penggunaan bahan sementisius tambahan yang dioptimalkan.

• Kekuatan awal yang lebih tinggi tanpa meningkatkan kandungan klinker
• Aktivasi GBFS dan bahan sementisius tambahan lainnya yang lebih baik
• Pemanfaatan fraksi terak kasar atau terdeposit yang lebih baik
• Aglomerasi yang berkurang dalam suspensi sementisius
• Perilaku hidrasi dan pengerasan yang lebih konsisten
• Potensi pengurangan intensitas penggilingan untuk aliran terak tertentu
• Peningkatan kinerja formulasi semen rendah klinker dan rendah karbon

Hal ini membuat sonikasi sangat relevan untuk produksi semen berkelanjutan, semen terak, mortar berkinerja tinggi, elemen pracetak, bahan perbaikan, dan produk konstruksi khusus.

Sonikasi sebagai Alat untuk Teknologi Semen Rendah Karbon

Industri semen menghadapi tekanan untuk mengurangi emisi CO₂, dan menurunkan faktor klinker merupakan salah satu cara yang paling langsung. Namun, tingkat penggantian yang lebih tinggi dengan GBFS, abu terbang, lempung terkalsinasi, atau bahan sementisius tambahan lainnya dapat memperlambat perkembangan kekuatan awal. Ultrasonik berdaya tinggi dapat membantu mengatasi hambatan ini dengan meningkatkan dispersi, mengaktifkan partikel, dan mempercepat hidrasi awal.
Sonikasi dapat membuat pasta semen campuran terak lebih reaktif dan lebih kuat secara mekanis, khususnya ketika proses dioptimalkan berdasarkan fraksi ukuran partikel dan waktu perlakuan. Kombinasi tersebut sangat relevan bagi rekayasa bahan pengikat berskala industri.

Sonikator Hielscher untuk Meningkatkan Hidrasi Semen, Kekuatan, dan Reaktivitas Terak

Sonikator inline Hielscher merupakan alat yang ampuh untuk meningkatkan hidrasi dan kekuatan semen, khususnya dalam sistem sementisius campuran terak.
Untuk deaglomerasi dan dispersi semen industri, sonikator berkinerja tinggi Hielscher menghasilkan gaya geser kavitasi intens yang diperlukan untuk memecah aglomerat semen, terak, dan bahan pengisi mineral menjadi partikel yang terdispersi halus, sehingga meningkatkan pembasahan partikel, aktivasi permukaan, dan homogenitas dalam slurry sementisius. Sistem Hielscher tersedia mulai dari skala meja laboratorium dan percontohan hingga sistem produksi tangguh dengan kapasitas pemrosesan yang tinggi, termasuk sonikator inline berdaya tinggi untuk pemrosesan kontinu grout semen dan suspensi mineral. Hal ini memungkinkan pengembangan proses ditingkatkan skalanya secara langsung dari penelitian dan pengembangan (R&D) hingga kapasitas pemrosesan industri penuh. Dengan menghilangkan atau mengurangi kebutuhan media penggilingan, deaglomerasi ultrasonik menyederhanakan pemrosesan, meminimalkan risiko kontaminasi, dan mengurangi upaya pembersihan, sekaligus menghasilkan kualitas dispersi yang dapat direproduksi. Oleh karena itu, bagi produsen semen dan mortar, sonikator Hielscher menawarkan cara praktis untuk memperoleh sistem bahan pengikat yang lebih seragam, kinetika hidrasi yang lebih baik, pemanfaatan GBFS dan bahan sementisius tambahan lainnya yang lebih baik, serta formulasi rendah klinker dengan kinerja yang lebih tinggi.

Tabel di bawah memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan sistem ultrasonik berdaya tinggi kami:

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonikator Hielscher terkenal karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan pengoperasian yang mudah memungkinkan integrasi ultrasonikator kami ke dalam fasilitas industri secara lancar. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh ultrasonikator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikasi ISO dan memberikan perhatian khusus pada ultrasonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir dan mudah digunakan. Tentu saja, ultrasonikator Hielscher mematuhi ketentuan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA, dan RoHs.

Literatur / Referensi

• 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.