La sonicazione migliora l'idratazione e la resistenza del cemento

Gli ultrasuoni ad alta potenza, noti anche come sonicazione, stanno suscitando crescente interesse come tecnologia di intensificazione pratica per la produzione di cemento e malta. Ricerche recenti dimostrano che il trattamento a ultrasuoni può migliorare la dispersione delle particelle, attivare i materiali cementizi supplementari come le scorie granulari di altoforno (GBFS), accelerare l’idratazione, perfezionare la struttura porosa e aumentare significativamente la resistenza in fase iniziale.

Cemento e malta con aggiunta di scorie ad alte prestazioni grazie alla tecnologia a ultrasuoni ad alta potenza

Nella produzione di cemento e malta, una delle principali sfide tecniche è l’uso efficiente dei materiali cementizi supplementari. Le scorie granulari di altoforno, note come GBFS, sono ampiamente utilizzate per ridurre il contenuto di clinker e migliorare la sostenibilità. Tuttavia, le particelle di scoria grossolane o agglomerate spesso reagiscono lentamente, limitando lo sviluppo della resistenza iniziale. La sonicazione offre una soluzione promettente: utilizza la cavitazione acustica ad alta intensità per disperdere gli agglomerati, frammentare le particelle e aumentare il numero di siti di nucleazione reattivi all’interno della matrice cementizia.

Perché la sonicazione è importante per l'idratazione del cemento

Il vantaggio della sonicazione risiede nella sua capacità di agire direttamente sul sistema di particelle prima e durante la fase iniziale di idratazione. In una sospensione cementizia, la cavitazione ultrasonica genera forze di taglio localizzate, microgetti e fluttuazioni di pressione. Questi effetti contribuiscono a rompere gli agglomerati, a disperdere le particelle fini e a esporre le superfici minerali fresche.
Per i produttori di cemento e malta, questo aspetto è importante poiché l’idratazione è un processo fortemente legato alla superficie. Una migliore dispersione e particelle reattive più piccole possono aumentare il contatto tra l’acqua, le fasi del clinker e le particelle di scoria. Ciò può comportare un rilascio più rapido di calore, un indurimento iniziale migliore e una microstruttura più densa.
Nei sistemi a miscela di scorie, la sonicazione riveste particolare importanza poiché il GBFS richiede spesso un’attivazione. Frammentazione delle particelle mediante ultrasuoni – la cosiddetta sonoframmentazione – La presenza di particelle GBFS riduce la granulometria, in particolare la frazione compresa tra 125 e 250 μm.

Principali vantaggi della sonicazione nella produzione di cemento e malta

Gli ultrasuoni ad alta potenza supportano la produzione industriale di cemento e malta in diversi modi:

• Migliore dispersione delle particelle: La sonicazione contribuisce a distribuire in modo più uniforme il cemento, le scorie e le particelle minerali fini nella pasta o nella miscela di malta.
• Riduzione dell'agglomerazione: Il trattamento a ultrasuoni può disgregare gli aggregati di particelle e può inibire la riagglomerazione durante la miscelazione.
• Affinamento della grana: Le particelle di scoria più grossolane possono essere frantumate in frazioni più fini, aumentando così la superficie disponibile.
• Altri siti di nucleazione: Le particelle frammentate di GBFS possono fungere da centri di nucleazione per i prodotti di idratazione nella matrice cementizia.
• Idratazione accelerata: Una migliore dispersione e superfici esposte possono aumentare il rilascio cumulativo di calore e accelerare l'indurimento.
• Maggiore resistenza iniziale: Le paste cementizie miscelate con scorie trattate con ultrasuoni possono mostrare un notevole aumento della resistenza alla compressione e alla flessione già dopo soli due giorni.
• Microstruttura migliorata: La sonicazione può aumentare gli indicatori di nanoporosità e modificare la struttura dei pori, in particolare nella fascia di dimensioni compresa tra 2 e 10 nm.

 

Indurimento più rapido e resistenza precoce nel calcestruzzo prefabbricato grazie agli ultrasuoni ad alta potenza

Lo studio “Influenza degli ultrasuoni sulla fluidità e sulla presa delle paste di cemento Portland” Lo studio di Ch. Rößler analizza le paste di cemento Portland a base di CEM I 42.5 R, con un rapporto acqua/cemento pari a 0,37 e lo 0,1% di superplastificante poliacrilato. Lo studio ha utilizzato un sonicatore Hielscher UIP1000hd in configurazione a flusso continuo per valutare se gli ultrasuoni di potenza potessero accelerare l’idratazione, migliorare la fluidità, ridurre i tempi di presa e aumentare la resistenza iniziale.
I risultati dimostrano che gli ultrasuoni ad alta potenza (PUS) accelerano la fase principale di idratazione. La curva di temperatura evidenzia un picco di idratazione anticipato, mentre le immagini della microstruttura dopo cinque ore mostrano fasi C-S-H più estese nella pasta trattata con ultrasuoni rispetto al campione di riferimento.
Principali vantaggi ottenuti:

• Maggiore fluidità: Il cedimento è aumentato da 122 mm nella pasta di riferimento a 158 mm dopo il trattamento con PUS.
• Indurimento più rapido: Il set iniziale è stato ridotto da 5 ore e 15 minuti a 3 ore e 45 minuti, mentre quello finale da 6 ore e 45 minuti a 4 ore e 30 minuti.
• Rigidificazione accelerata: La velocità dell'impulso ultrasonico ha indicato un indurimento più rapido di circa 2 ore.
• Maggiore resistenza iniziale: I prismi di malta realizzati con pasta di cemento trattata con PUS hanno mostrato un aumento della resistenza alla compressione nelle prime 24 ore.
• Potenziale di efficienza dei processi: Gli autori hanno stimato che un apporto energetico di circa 10 kWh/m³ di pasta di cemento potrebbe accelerare la presa e lo sviluppo della resistenza iniziale di circa due ore, con un costo indicato pari a ≤ 1 euro/m³ di calcestruzzo.
• Riduzione della domanda di additivi: Poiché il PUS ha aumentato la fluidità, gli autori hanno concluso che il dosaggio del superplastificante potrebbe essere potenzialmente ridotto.

Questi risultati sono particolarmente rilevanti per la produzione di elementi prefabbricati in calcestruzzo, dove una presa più rapida e una resistenza iniziale più elevata possono ridurre i tempi di casseratura, il fabbisogno di riscaldamento e i tempi di ciclo produttivo.

 

 

Maggiore resistenza iniziale nella pasta di cemento miscelata con GBFS

Uno dei risultati più significativi per le applicazioni industriali del cemento e della malta è il miglioramento della resistenza nelle prime fasi di maturazione. Secondo Lisowski et al. (2024), il trattamento con ultrasuoni pulsati delle paste di cemento contenenti il 20% di GBFS depositato ha prodotto una resistenza notevolmente superiore dopo due giorni. Gli aumenti riportati hanno raggiunto il 132% nella resistenza alla compressione e il 58% nella resistenza alla flessione.
Ciò è particolarmente rilevante per il calcestruzzo prefabbricato, le malte pronte all’uso, le malte di riparazione, gli adesivi per piastrelle e altri prodotti cementizi, nei quali la sformatura precoce, la resistenza precoce alla manipolazione o la rapidità di esecuzione dei lavori rivestono un’importanza economica fondamentale.
L'aumento della resistenza è risultato correlato all'aumento del calore cumulativo di indurimento, il che suggerisce che la sonicazione non si limiti a migliorare la dispersione fisica, ma intensifichi anche l'idratazione iniziale. In pratica, ciò significa che gli ultrasuoni di potenza potrebbero aiutare i produttori a utilizzare le scorie in modo più efficace senza compromettere le prestazioni iniziali.

 

 

La sonoframmentazione rende più utili le frazioni più grossolane delle scorie

Un risultato particolarmente significativo è l’efficace attivazione delle frazioni GBFS relativamente grossolane. Lo studio ha evidenziato che la frazione di scorie compresa tra 125 e 250 μm ha garantito la migliore resistenza sia a breve termine che a 28 giorni, se combinata con la separazione delle particelle di scorie depositate e il trattamento con ultrasuoni ad alta potenza.
Ciò riveste una notevole importanza dal punto di vista industriale, poiché la macinazione delle scorie in particelle di dimensioni molto fini richiede un elevato consumo energetico. Se la sonicazione migliora la reattività delle frazioni più grossolane o depositate di GBFS, i produttori possono ridurre il fabbisogno di macinazione, migliorare l’efficienza delle materie prime e sfruttare meglio i flussi di materiali secondari.
 
Scopri come la dispersione a ultrasuoni facilita la produzione di malte cementizie nanorinforzate!

Rilevanza industriale: ultrasuoni ad alta potenza per una produzione efficiente di cemento e malta

Per i produttori industriali di cemento e malta, la sonicazione offre numerosi vantaggi strategici. Può essere integrata come fase di intensificazione del processo durante la preparazione delle sospensioni, l’attivazione dei leganti, la dispersione degli additivi o la miscelazione di malte ad alte prestazioni. Questa tecnologia risulta particolarmente interessante per i prodotti che richiedono una distribuzione fine delle particelle, un’idratazione rapida e un impiego ottimizzato dei materiali cementizi supplementari.

I vantaggi industriali della produzione di cemento mediante ultrasuoni includono:

• Maggiore resistenza iniziale senza aumentare il contenuto di clinker
• Migliore attivazione del GBFS e di altri materiali cementizi supplementari
• Migliore utilizzo delle frazioni di scorie grossolane o depositate
• Riduzione dell'agglomerazione nelle sospensioni cementizie
• Comportamento più uniforme in termini di idratazione e indurimento
• Possibile riduzione dell'intensità di macinazione per determinati flussi di scorie
• Miglioramento delle prestazioni delle formulazioni di cemento a basso contenuto di clinker e a basse emissioni di carbonio

Ciò rende la sonicazione particolarmente indicata per la produzione di cemento sostenibile, cemento di scorie, malte ad alte prestazioni, elementi prefabbricati, materiali di riparazione e prodotti edili speciali.

La sonicazione come strumento per la tecnologia del cemento a basse emissioni di carbonio

L'industria del cemento è sotto pressione per ridurre le emissioni di CO₂, e la riduzione del fattore clinker rappresenta una delle vie più dirette per raggiungere tale obiettivo. Tuttavia, livelli più elevati di sostituzione con GBFS, ceneri volanti, argilla calcinata o altri materiali cementizi supplementari possono rallentare lo sviluppo della resistenza iniziale. Gli ultrasuoni di potenza possono aiutare a superare questo ostacolo migliorando la dispersione, attivando le particelle e accelerando l’idratazione iniziale.
La sonicazione può rendere le paste cementizie miscelate con scorie più reattive e meccanicamente più resistenti, soprattutto quando il processo viene ottimizzato in termini di frazione granulometrica e tempo di trattamento. Tale combinazione è di grande rilevanza per l’ingegneria dei leganti su scala industriale.

Sonicatori Hielscher per migliorare l'idratazione del cemento, la resistenza e la reattività delle scorie

I sonicatori in linea Hielscher rappresentano uno strumento efficace per migliorare l'idratazione e la resistenza del cemento, in particolare nei sistemi cementizi con aggiunta di scorie.
Per la deagglomerazione e la dispersione del cemento industriale, i sonicatori ad alte prestazioni Hielscher forniscono l’intenso taglio cavitazionale necessario per frantumare gli agglomerati di cemento, scorie e riempitivi minerali in particelle finemente disperse, migliorando la bagnabilità delle particelle, l’attivazione superficiale e l’omogeneità nelle sospensioni cementizie. I sistemi Hielscher sono disponibili in diverse configurazioni, da quelli da banco e su scala pilota fino a robusti impianti di produzione ad alta produttività, compresi i sonicatori in linea ad alta potenza per il trattamento continuo di malte cementizie e sospensioni minerali. Ciò rende lo sviluppo del processo direttamente scalabile dalla fase di ricerca e sviluppo (R&D)&Da D alla piena capacità produttiva industriale. Eliminando o riducendo la necessità di corpi macinanti, la deagglomerazione ultrasonica semplifica il processo, riduce al minimo i rischi di contaminazione e alleggerisce l’onere di pulizia, garantendo al contempo una qualità di dispersione riproducibile. Per i produttori di cemento e malta, i sonicatori Hielscher offrono quindi una soluzione pratica per ottenere sistemi leganti più uniformi, una cinetica di idratazione migliorata, un migliore utilizzo di GBFS e di altri materiali cementizi supplementari, nonché formulazioni a basso contenuto di clinker e dalle prestazioni più elevate.

La tabella che segue fornisce un'indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sistemi a ultrasuoni ad alta potenza:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

---

---

 

Letteratura / Riferimenti

• 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.