Sonikasi Meningkatkan Hidrasi dan Kekuatan Semen

Ultrasonik bertenaga, yang juga dikenal sebagai sonikasi, semakin menarik perhatian sebagai teknologi intensifikasi yang praktis untuk produksi semen dan mortar. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa perlakuan ultrasonik dapat meningkatkan dispersi partikel, mengaktifkan bahan semen tambahan seperti terak tanur tiup yang digranulasi (GBFS), mempercepat proses hidrasi, menyempurnakan struktur pori, serta secara signifikan meningkatkan kekuatan pada tahap awal.

Semen dan Mortar Campuran Terak Berkinerja Tinggi dengan Ultrasonik Berdaya Tinggi

Dalam industri pembuatan semen dan produksi mortar, salah satu tantangan teknis utama adalah pemanfaatan bahan semen tambahan secara efisien. Slag tanur tiup yang digranulasi (GBFS) banyak digunakan untuk mengurangi kandungan klinker dan meningkatkan keberlanjutan. Namun, partikel terak yang kasar atau menggumpal sering kali bereaksi lambat, sehingga menghambat perkembangan kekuatan awal. Sonikasi menawarkan solusi yang menjanjikan: metode ini menggunakan kavitasi akustik berintensitas tinggi untuk mendispersikan gumpalan, memecah partikel, dan meningkatkan jumlah titik nukleasi reaktif di dalam matriks semen.

Mengapa Sonikasi Penting bagi Hidrasi Semen

Keunggulan sonikasi terletak pada kemampuannya untuk bekerja secara langsung pada sistem partikel sebelum dan selama tahap awal hidrasi. Dalam suspensi semen, kavitasi ultrasonik menghasilkan gaya geser lokal, mikrojet, dan fluktuasi tekanan. Efek-efek ini membantu memecah aglomerat, mendispersikan partikel halus, dan mengekspos permukaan mineral yang masih segar.
Bagi produsen semen dan mortar, hal ini penting karena proses hidrasi sangat dipengaruhi oleh permukaan. Dispersi yang lebih baik dan partikel reaktif yang lebih kecil dapat meningkatkan kontak antara air, fase klinker, dan partikel slag. Hal ini dapat menyebabkan pelepasan panas yang lebih cepat, pengerasan awal yang lebih baik, serta mikrostruktur yang lebih padat.
Dalam sistem campuran terak, sonikasi sangat penting karena GBFS sering kali memerlukan aktivasi. Fragmentasi partikel dengan ultrasonik – yang disebut sonofragmentasi – Partikel GBFS mengurangi ukuran partikel, terutama fraksi berukuran 125–250 μm.

Keunggulan Utama Penggunaan Sonikasi dalam Produksi Semen dan Mortar

Ultrasonik bertenaga mendukung produksi semen dan mortar industri dalam beberapa cara:

• Penyebaran partikel yang lebih baik: Proses sonikasi membantu mendispersikan semen, terak, dan partikel mineral halus secara lebih merata dalam campuran pasta atau mortar.
• Pengurangan penggumpalan: Perlakuan ultrasonik dapat memecah gumpalan partikel dan mungkin menghambat terjadinya penggumpalan kembali selama proses pencampuran.
• Penyempurnaan biji-bijian: Partikel terak yang lebih kasar dapat dihancurkan menjadi fraksi yang lebih halus, sehingga meningkatkan luas permukaan yang tersedia.
• Lebih banyak titik nukleasi: Partikel GBFS yang terfragmentasi dapat berfungsi sebagai pusat nukleasi bagi produk hidrasi dalam matriks semen.
• Hidrasi yang dipercepat: Dispersi yang lebih baik dan permukaan yang terpapar dapat meningkatkan pelepasan panas kumulatif serta mempercepat proses pengerasan.
• Kekuatan awal yang lebih tinggi: Adonan semen yang dicampur dengan terak dan diolah dengan ultrasonik dapat menunjukkan peningkatan yang signifikan pada kekuatan tekan dan lentur hanya dalam waktu dua hari.
• Mikrostruktur yang ditingkatkan: Proses sonikasi dapat meningkatkan nilai indikator nanopori dan mengubah struktur pori, terutama pada rentang ukuran pori 2–10 nm.

 

Pengeringan yang Lebih Cepat dan Kekuatan Awal pada Beton Pracetak dengan Ultrasonik Bertenaga

Penelitian tersebut “Pengaruh Power-Ultrasound pada Fluiditas dan Pengaturan Pasta Semen Portland” Penelitian oleh Ch. Rößler ini mengkaji pasta semen Portland yang menggunakan semen CEM I 42.5 R, dengan rasio air-semen (w/c) sebesar 0,37 dan 0,1% superplastisizer poliakrilat. Penelitian ini menggunakan sonikator Hielscher UIP1000hd dalam konfigurasi aliran melalui (flow-through) untuk mengevaluasi apakah ultrasonik berdaya tinggi dapat mempercepat hidrasi, meningkatkan fluiditas, memperpendek waktu pengikatan, dan meningkatkan kekuatan awal.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa ultrasonik berdaya (PUS) mempercepat periode hidrasi utama. Kurva suhu menunjukkan puncak hidrasi yang lebih awal, sedangkan gambar mikrostruktur setelah lima jam memperlihatkan fase C-S-H yang lebih besar pada pasta yang diberi perlakuan ultrasonik dibandingkan dengan sampel acuan.
Keunggulan utama yang telah dicapai:

• Kekentalan yang lebih tinggi: Nilai slump meningkat dari 122 mm pada pasta acuan menjadi 158 mm setelah perlakuan PUS.
• Pengaturan yang lebih cepat: Set awal dipersingkat dari 5 jam 15 menit menjadi 3 jam 45 menit, sedangkan set terakhir dipersingkat dari 6 jam 45 menit menjadi 4 jam 30 menit.
• Pengerasan yang dipercepat: Kecepatan pulsa ultrasonik menunjukkan bahwa proses pengerasan berlangsung sekitar 2 jam lebih cepat.
• Kekuatan awal yang lebih tinggi: Prisma mortar yang dibuat dari pasta semen yang telah diberi perlakuan PUS menunjukkan peningkatan kekuatan tekan selama 24 jam pertama.
• Potensi efisiensi proses: Para penulis memperkirakan bahwa masukan energi sebesar sekitar 10 kWh/m³ pasta semen dapat mempercepat proses pengikatan dan kekuatan awal sekitar dua jam, dengan perkiraan biaya sebesar ≤ 1 Euro/m³ beton.
• Penurunan permintaan campuran: Karena PUS meningkatkan kelancaran, para penulis menyimpulkan bahwa takaran superplastisator berpotensi dapat dikurangi.

Hasil-hasil ini sangat relevan bagi produksi beton pracetak, di mana waktu pengeringan yang lebih cepat dan kekuatan awal yang lebih tinggi dapat mengurangi waktu pemasangan bekisting, kebutuhan pemanasan, serta durasi siklus produksi.

 

 

Kekuatan Awal yang Lebih Tinggi pada Pasta Semen Campuran GBFS

Salah satu temuan terpenting untuk aplikasi semen dan mortar industri adalah peningkatan kekuatan pada tahap awal. Menurut Lisowski dkk. (2024), perlakuan ultrasonik berdenyut pada pasta semen yang mengandung 20% GBFS hasil endapan 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 bagi beton pracetak, mortar campuran kering, mortar perbaikan, perekat ubin, dan produk-produk berbasis semen lainnya, di mana pelepasan cetakan dini, kekuatan penanganan dini, atau kemajuan konstruksi yang cepat memiliki nilai ekonomi yang penting.
Peningkatan kekuatan tersebut berkorelasi dengan peningkatan panas pengerasan kumulatif, yang menunjukkan bahwa sonikasi tidak hanya meningkatkan dispersi fisik, tetapi juga mempercepat proses hidrasi awal. Dalam praktiknya, hal ini berarti bahwa ultrasonik berdaya tinggi dapat membantu produsen memanfaatkan terak secara lebih efektif tanpa mengorbankan kinerja awal.

 

 

Proses Sonofragmentasi Membuat Fraksi Terak yang Lebih Kasar Menjadi Lebih Berguna

Salah satu hasil yang sangat berharga adalah aktivasi yang efektif terhadap fraksi GBFS yang berukuran relatif kasar. Penelitian ini menemukan bahwa fraksi terak berukuran 125–250 μm menghasilkan kekuatan pada tahap awal dan kekuatan pada hari ke-28 yang terbaik ketika dikombinasikan dengan pemisahan partikel terak yang mengendap dan perlakuan ultrasonik berdaya tinggi.
Hal ini memiliki arti penting secara industri karena proses penggilingan terak hingga ukuran yang sangat halus membutuhkan banyak energi. Jika sonikasi dapat meningkatkan reaktivitas fraksi GBFS yang berukuran lebih kasar atau yang telah mengendap, 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 yang diperkuat partikel nano!

Relevansi Industri: Ultrasonik Bertenaga untuk Produksi Semen dan Mortar yang Efisien

Bagi produsen semen dan mortar industri, sonikasi menawarkan sejumlah keunggulan strategis. Teknologi ini dapat diintegrasikan sebagai tahap intensifikasi proses selama persiapan slurry, aktivasi bahan pengikat, dispersi bahan campuran, atau pencampuran mortar berkinerja tinggi. Teknologi ini sangat menarik terutama untuk produk-produk yang bergantung pada distribusi partikel halus, hidrasi cepat, dan pemanfaatan bahan semen tambahan yang optimal.

Manfaat industri dari produksi semen dengan teknologi ultrasonik antara lain:

• Kekuatan awal yang lebih tinggi tanpa menambah kandungan klinker
• Aktivasi yang lebih baik terhadap GBFS dan bahan semen tambahan lainnya
• Pemanfaatan yang lebih baik terhadap fraksi terak kasar atau terendap
• Pengurangan aglomerasi dalam suspensi semen
• Perilaku hidrasi dan pengerasan yang lebih konsisten
• Kemungkinan pengurangan intensitas penggilingan untuk aliran terak tertentu
• Peningkatan kinerja formulasi semen rendah klinker dan rendah karbon

Hal ini menjadikan 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 sedang menghadapi tekanan untuk mengurangi emisi CO₂, dan menurunkan faktor klinker merupakan salah satu cara paling langsung untuk mencapainya. Namun, peningkatan tingkat penggantian dengan GBFS, abu terbang, tanah liat yang dikalsinasi, atau bahan semen tambahan lainnya dapat memperlambat perkembangan kekuatan awal. Ultrasonik berdaya tinggi dapat membantu mengatasi kendala ini dengan meningkatkan dispersi, mengaktifkan partikel, dan mempercepat hidrasi awal.
Proses sonikasi dapat membuat pasta semen yang dicampur dengan terak menjadi lebih reaktif dan lebih kuat secara mekanis, terutama jika proses tersebut dioptimalkan berdasarkan fraksi ukuran partikel dan waktu perlakuan. Kombinasi tersebut sangat relevan bagi rekayasa bahan pengikat skala industri.

Sonicator Hielscher untuk Meningkatkan Hidrasi Semen, Kekuatan, dan Reaktivitas Terhadap Terak

Sonicator inline Hielscher merupakan alat yang ampuh untuk meningkatkan hidrasi dan kekuatan semen, terutama pada sistem semen yang dicampur dengan terak.
Untuk proses deaglomerasi dan dispersi semen industri, sonikator berkinerja tinggi dari Hielscher menyediakan gaya geser kavitasi yang intens, yang diperlukan untuk memecah aglomerat semen, terak, dan pengisi mineral menjadi partikel-partikel yang tersebar halus, sehingga meningkatkan pembasahan partikel, aktivasi permukaan, dan homogenitas dalam suspensi semen. Sistem Hielscher tersedia mulai dari skala meja laboratorium dan skala percontohan hingga sistem produksi berkapasitas tinggi yang tangguh, termasuk sonikator inline berdaya tinggi untuk pemrosesan berkelanjutan campuran semen dan suspensi mineral. Hal ini memungkinkan pengembangan proses yang dapat diskalakan secara langsung dari R&D hingga kapasitas produksi industri penuh. Dengan menghilangkan atau mengurangi kebutuhan akan media penggilingan, deaglomerasi ultrasonik menyederhanakan proses, meminimalkan risiko kontaminasi, dan mengurangi upaya pembersihan, sekaligus menghasilkan kualitas dispersi yang dapat diulang. Bagi produsen semen dan mortar, sonikator Hielscher menawarkan solusi praktis untuk menghasilkan sistem pengikat yang lebih seragam, kinetika hidrasi yang lebih baik, pemanfaatan GBFS dan bahan semen tambahan lainnya yang lebih optimal, serta formulasi rendah klinker dengan kinerja lebih tinggi.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran mengenai kapasitas pemrosesan perkiraan dari sistem ultrasonik bertenaga kami:

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonicators Hielscher terkenal dengan kualitas dan standar desainnya yang tertinggi. Ketahanan dan pengoperasian yang mudah memungkinkan integrasi ultrasonicator kami ke dalam fasilitas industri. Kondisi kasar dan lingkungan yang menuntut mudah ditangani oleh ultrasonicator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan penekanan khusus pada ultrasonicators berkinerja tinggi yang menampilkan teknologi canggih dan keramahan pengguna. Tentu saja, ultrasonicators Hielscher sesuai dengan 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.