La sonicazione migliora l’idratazione e la resistenza del cemento

Gli ultrasuoni di potenza, noti anche come sonicazione, stanno suscitando interesse come tecnologia pratica di intensificazione per la produzione di cemento e malta. Ricerche recenti mostrano che il trattamento a ultrasuoni può migliorare la dispersione delle particelle, attivare materiali cementizi supplementari come la loppa granulata d’altoforno (GBFS), accelerare l’idratazione, affinare la struttura dei pori e aumentare significativamente la resistenza alle brevi stagionature.

Cemento e malta con aggiunta di loppa a prestazioni superiori grazie agli ultrasuoni di potenza

Nella fabbricazione del cemento e nella produzione di malta, una delle principali sfide tecniche è l’impiego efficiente dei materiali cementizi supplementari. La loppa granulata d’altoforno, o GBFS, è ampiamente utilizzata per ridurre il contenuto di clinker e migliorare la sostenibilità. Tuttavia, le particelle di loppa grossolane o agglomerate reagiscono spesso 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 le prime fasi dell’idratazione. In una sospensione cementizia, la cavitazione ultrasonica genera forze di taglio localizzate, microgetti e fluttuazioni di pressione. Questi effetti contribuiscono a disgregare gli agglomerati, disperdere le particelle fini ed esporre nuove superfici minerali.
Per i produttori di cemento e malta, questo è importante perché l’idratazione dipende fortemente dai fenomeni superficiali. Una migliore dispersione e particelle reattive più piccole possono aumentare il contatto tra acqua, fasi del clinker e particelle di loppa. Ciò può portare a un rilascio di calore più rapido, a un migliore indurimento iniziale e a una microstruttura più densa.
Nei sistemi con aggiunta di loppa, la sonicazione è particolarmente rilevante perché la GBFS richiede spesso un’attivazione. La frammentazione a ultrasuoni delle particelle di GBFS – la cosiddetta sonoframmentazione – riduce le dimensioni delle particelle, in particolare nella frazione 125–250 μm.

Principali vantaggi della sonicazione nella produzione di cemento e malta

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

• Migliore dispersione delle particelle: La sonicazione contribuisce a disperdere più uniformemente il cemento, la loppa e le particelle minerali fini nella pasta o nell’impasto di malta.
• Riduzione dell’agglomerazione: Il trattamento a ultrasuoni può disgregare gli aggregati di particelle e può inibire la riagglomerazione durante la miscelazione.
• Affinamento granulometrico: Le particelle di loppa più grossolane possono essere frammentate in frazioni più fini, aumentando la superficie disponibile.
• Più siti di nucleazione: Le particelle di GBFS frammentate possono fungere da centri di nucleazione per i prodotti di idratazione nella matrice cementizia.
• Idratazione accelerata: Una migliore dispersione e l’esposizione delle superfici possono aumentare il rilascio cumulativo di calore e l’indurimento iniziale.
• Maggiore resistenza iniziale: Le paste cementizie con aggiunta di loppa sottoposte a sonicazione possono mostrare aumenti sostanziali della resistenza a compressione e a flessione dopo soli due giorni.
• Microstruttura migliorata: La sonicazione può aumentare gli indicatori di nanoporosità e modificare la struttura dei pori, soprattutto nell’intervallo di dimensioni dei pori di 2–10 nm.

 

Presa più rapida e resistenza iniziale nel calcestruzzo prefabbricato grazie agli ultrasuoni di potenza

Lo studio “Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes” di Ch. Rößler esamina paste di cemento Portland a base di CEM I 42,5 R, con un rapporto acqua/cemento di 0,37 e lo 0,1% di superfluidificante a base di poliacrilato. Lo studio ha utilizzato un sonicatore Hielscher UIP1000hd in una configurazione a flusso continuo per valutare se gli ultrasuoni di potenza potessero accelerare l’idratazione, migliorare la fluidità, abbreviare i tempi di presa e aumentare la resistenza iniziale.
I risultati mostrano che gli ultrasuoni di potenza (PUS) accelerano il periodo principale di idratazione. La curva della temperatura evidenzia un picco di idratazione anticipato, mentre le immagini della microstruttura dopo cinque ore mostrano fasi C-S-H più grandi nella pasta trattata a ultrasuoni rispetto al campione di riferimento.
Principali vantaggi ottenuti:

• Maggiore fluidità: l’abbassamento al cono è aumentato da 122 mm nella pasta di riferimento a 158 mm dopo il trattamento PUS.
• Presa più rapida: il tempo di inizio presa si è ridotto da 5 h 15 min a 3 h 45 min e il tempo di fine presa da 6 h 45 min a 4 h 30 min.
• Irrigidimento accelerato: la velocità degli impulsi ultrasonici ha indicato un indurimento anticipato di circa 2 ore.
• Maggiore resistenza iniziale: i prismi di malta prodotti con pasta cementizia trattata con PUS hanno mostrato una maggiore resistenza a compressione durante le prime 24 ore.
• Potenziale di economicità del processo: gli autori hanno stimato che un apporto energetico di circa 10 kWh/m³ di pasta cementizia potesse anticipare la presa e lo sviluppo della resistenza iniziale di circa due ore, con un costo indicato di ≤ 1 Euro/m³ di calcestruzzo.
• Minore fabbisogno di additivi: poiché il trattamento PUS ha aumentato la fluidità, gli autori hanno concluso che il dosaggio del superfluidificante potrebbe essere ridotto.

Questi risultati sono particolarmente rilevanti per la produzione di calcestruzzo prefabbricato, dove una presa più rapida e una maggiore resistenza iniziale possono ridurre il tempo di permanenza nei casseri, il fabbisogno di riscaldamento e i tempi dei cicli produttivi.

 

 

Maggiore resistenza iniziale nella pasta cementizia con aggiunta di GBFS

Uno dei risultati più importanti per le applicazioni industriali del cemento e della malta è il miglioramento della resistenza alle brevi stagionature. Secondo Lisowski et al. (2024), il trattamento a ultrasuoni pulsati di paste cementizie contenenti il 20% di GBFS depositata ha prodotto una resistenza considerevolmente maggiore dopo due giorni. Gli aumenti riportati hanno raggiunto il 132% per la resistenza a compressione e il 58% per la resistenza a flessione.
Questo è particolarmente rilevante per il calcestruzzo prefabbricato, le malte premiscelate a secco, le malte da riparazione, gli adesivi per piastrelle e altri prodotti cementizi per i quali il disarmo precoce, la resistenza necessaria per una movimentazione anticipata o il rapido avanzamento dei lavori sono economicamente importanti.
L’aumento della resistenza è stato correlato a un maggiore calore cumulativo di indurimento, suggerendo che la sonicazione non migliora soltanto la dispersione fisica, ma intensifica anche l’idratazione iniziale. In termini pratici, ciò significa che gli ultrasuoni di potenza potrebbero aiutare i produttori a utilizzare la loppa in modo più efficace senza sacrificare le prestazioni iniziali.

 

 

La sonoframmentazione rende più utili le frazioni di loppa più grossolane

Un risultato particolarmente prezioso è l’efficace attivazione di frazioni di GBFS relativamente grossolane. Lo studio ha rilevato che la frazione di loppa 125–250 μm ha fornito la migliore resistenza alle brevi stagionature e a 28 giorni quando abbinata alla separazione delle particelle di loppa depositate e al trattamento con ultrasuoni di potenza.
Questo è significativo a livello industriale perché la macinazione della loppa fino a dimensioni molto fini richiede molta energia. Se la sonicazione migliora la reattività delle frazioni di GBFS più grossolane o depositate, i produttori possono ridurre il fabbisogno di macinazione, migliorare l’efficienza nell’uso delle materie prime e sfruttare meglio i flussi di materiali secondari.
 
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Rilevanza industriale: ultrasuoni di potenza per una produzione efficiente di cemento e malta

Per i produttori industriali di cemento e malta, la sonicazione offre diversi 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. La tecnologia è particolarmente interessante per i prodotti che dipendono dalla distribuzione delle particelle fini, da un’idratazione rapida e da un impiego ottimizzato dei materiali cementizi supplementari.

I vantaggi industriali della produzione di cemento con ultrasuoni comprendono:

• Maggiore resistenza iniziale senza aumentare il contenuto di clinker
• Migliore attivazione della GBFS e di altri materiali cementizi supplementari
• Migliore utilizzo delle frazioni di loppa grossolane o depositate
• Riduzione dell’agglomerazione nelle sospensioni cementizie
• Comportamento più costante durante l’idratazione e l’indurimento
• Potenziale riduzione dell’intensità di macinazione per flussi di loppa selezionati
• Migliori prestazioni delle formulazioni cementizie a basso contenuto di clinker e a basse emissioni di carbonio

Questo rende la sonicazione particolarmente rilevante per la produzione di cemento sostenibile, cemento alla loppa, malte ad alte prestazioni, elementi prefabbricati, materiali da riparazione e prodotti speciali per l’edilizia.

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 è una delle vie più dirette. 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 contribuire a superare questo collo di bottiglia migliorando la dispersione, attivando le particelle e accelerando l’idratazione iniziale.
La sonicazione può rendere le paste cementizie con aggiunta di loppa più reattive e meccanicamente più resistenti, soprattutto quando il processo è ottimizzato in funzione della frazione granulometrica e del tempo di trattamento. Questa combinazione è particolarmente rilevante per la progettazione dei leganti su scala industriale.

Sonicatori Hielscher per migliorare l’idratazione del cemento, la resistenza e la reattività della loppa

I sonicatori in linea Hielscher sono uno strumento potente per migliorare l’idratazione e la resistenza del cemento, in particolare nei sistemi cementizi con aggiunta di loppa.
Per la deagglomerazione e la dispersione industriale del cemento, i sonicatori Hielscher ad alte prestazioni forniscono l’intensa azione di taglio generata dalla cavitazione necessaria per disgregare gli agglomerati di cemento, loppa e filler minerali in particelle finemente disperse, migliorando la bagnabilità delle particelle, l’attivazione superficiale e l’omogeneità delle sospensioni cementizie. I sistemi Hielscher sono disponibili dalla scala da banco e pilota fino a robusti sistemi produttivi ad alta capacità di trattamento, compresi sonicatori in linea ad alta potenza per il trattamento continuo di boiacche cementizie e sospensioni minerali. Questo consente di scalare direttamente lo sviluppo del processo dalla ricerca e sviluppo alla piena capacità produttiva industriale. Eliminando o riducendo la necessità di corpi macinanti, la deagglomerazione a ultrasuoni semplifica il trattamento, minimizza i rischi di contaminazione e riduce le operazioni di pulizia, garantendo al contempo una qualità di dispersione riproducibile. Per i produttori di cemento e malta, i sonicatori Hielscher offrono quindi una via pratica per ottenere sistemi leganti più uniformi, una migliore cinetica di idratazione, un migliore utilizzo della GBFS e di altri materiali cementizi supplementari e formulazioni a basso contenuto di clinker con prestazioni superiori.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sistemi a ultrasuoni di potenza:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la semplicità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e dedica particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e facili da usare. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla marcatura CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.

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Letteratura / Riferimenti bibliografici

• 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.