Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo cementa hidratāciju un stiprību

Lieljaudas ultraskaņa, ko dēvē arī par apstrādi ar ultraskaņu, piesaista uzmanību kā praktiska procesu intensifikācijas tehnoloģija cementa un javas ražošanā. Jaunākie pētījumi liecina, ka apstrāde ar ultraskaņu var uzlabot daļiņu dispersiju, aktivēt papildu cementējošos materiālus, piemēram, granulētos domnu izdedžus (GBFS), paātrināt hidratāciju, padarīt poru struktūru smalkāku un ievērojami palielināt agrīno stiprību.

Cements un java ar izdedžu piedevu un uzlabotām ekspluatācijas īpašībām, izmantojot lieljaudas ultraskaņu

Cementa un javas ražošanā viens no galvenajiem tehniskajiem izaicinājumiem ir papildu cementējošo materiālu efektīva izmantošana. Granulētos domnu izdedžus jeb GBFS plaši izmanto, lai samazinātu klinkera saturu un uzlabotu ilgtspēju. Tomēr rupjas vai aglomerētas izdedžu daļiņas bieži reaģē lēni, ierobežojot agrīnās stiprības attīstību. Apstrāde ar ultraskaņu piedāvā daudzsološu risinājumu: tā izmanto augstas intensitātes akustisko kavitāciju, lai izkliedētu aglomerātus, sadrumstalotu daļiņas un palielinātu reaktīvo kristalizācijas aizmetņu veidošanās vietu skaitu cementa matricā.

Kāpēc apstrāde ar ultraskaņu ir nozīmīga cementa hidratācijai

Apstrādes ar ultraskaņu priekšrocība ir tās spēja tieši iedarboties uz daļiņu sistēmu pirms agrīnās hidratācijas un tās laikā. Cementējošu materiālu suspensijā ultraskaņas kavitācija rada lokālus bīdes spēkus, mikrostrūklas un spiediena svārstības. Šī iedarbība palīdz sašķelt aglomerātus, izkliedēt smalkās daļiņas un atsegt svaigas minerālu virsmas.
Cementa un javas ražotājiem tas ir svarīgi, jo hidratācija lielā mērā ir atkarīga no virsmas procesiem. Labāka dispersija un mazākas reaktīvās daļiņas var palielināt saskari starp ūdeni, klinkera fāzēm un izdedžu daļiņām. Tas var veicināt ātrāku siltuma izdalīšanos, uzlabotu agrīno cietēšanu un blīvāku mikrostruktūru.
Sistēmās ar izdedžu piedevu apstrāde ar ultraskaņu ir īpaši nozīmīga, jo GBFS bieži nepieciešama aktivēšana. GBFS daļiņu sadrumstalošana ar ultraskaņu – tā dēvētā sonofragmentācija – samazina daļiņu izmēru, jo īpaši 125–250 μm frakcijā.

Galvenās apstrādes ar ultraskaņu priekšrocības cementa un javas ražošanā

Lieljaudas ultraskaņa veicina rūpniecisku cementa un javas ražošanu vairākos veidos:

• Uzlabota daļiņu dispersija: Apstrāde ar ultraskaņu palīdz vienmērīgāk izkliedēt cementa, izdedžu un smalkās minerālu daļiņas pastā vai javas maisījumā.
• Samazināta aglomerācija: Apstrāde ar ultraskaņu var sašķelt daļiņu sakopojumus un var kavēt atkārtotu aglomerāciju maisīšanas laikā.
• Graudu izmēra samazināšana: Rupjākas izdedžu daļiņas var sadrumstalot smalkākās frakcijās, palielinot pieejamo virsmas laukumu.
• Vairāk kristalizācijas aizmetņu veidošanās vietu: Sadrumstalotās GBFS daļiņas var kalpot par hidratācijas produktu kristalizācijas aizmetņu veidošanās centriem cementa matricā.
• Paātrināta hidratācija: Labāka dispersija un atsegtās virsmas var palielināt kopējo izdalītā siltuma daudzumu un veicināt agrīno cietēšanu.
• Lielāka agrīnā stiprība: Ar ultraskaņu apstrādātām cementa pastām ar izdedžu piedevu jau pēc divām dienām var būt ievērojami lielāka spiedes un lieces stiprība.
• Uzlabota mikrostruktūra: Apstrāde ar ultraskaņu var palielināt nanoporainības rādītājus un mainīt poru struktūru, īpaši 2–10 nm poru izmēru diapazonā.

 

Ātrāka saistīšanās un agrīnā stiprība saliekamajā betonā, izmantojot lieljaudas ultraskaņu

Ch. Rößler pētījumā „Jaudas ultraskaņas ietekme uz portlandcementa pastu plūstamību un saistīšanos” aplūkotas portlandcementa pastas, kuru pamatā ir CEM I 42,5 R, ar ūdens un cementa attiecību (w/c) 0,37 un 0,1% poliakrilāta superplastifikatora. Pētījumā izmantota Hielscher UIP1000hd ultraskaņas apstrādes ierīce caurplūdes konfigurācijā, lai izvērtētu, vai jaudas ultraskaņa varētu paātrināt hidratāciju, uzlabot plūstamību, saīsināt saistīšanās laiku un palielināt agrīno stiprību.
Rezultāti liecina, ka jaudas ultraskaņa (PUS) paātrina galveno hidratācijas periodu. Temperatūras līkne liecina par agrāku hidratācijas maksimumu, savukārt mikrostruktūras attēlos pēc piecām stundām ar ultraskaņu apstrādātajā pastā bija redzamas lielākas C-S-H fāzes nekā references paraugā.
Galvenās sasniegtās priekšrocības:

• Lielāka plūstamība: nosēdums palielinājās no 122 mm references pastā līdz 158 mm pēc PUS apstrādes.
• Ātrāka saistīšanās: saistīšanās sākuma laiks tika saīsināts no 5 h 15 min līdz 3 h 45 min, bet saistīšanās beigu laiks – no 6 h 45 min līdz 4 h 30 min.
• Paātrināta stinguma veidošanās: ultraskaņas impulsa ātrums liecināja par aptuveni 2 stundas ātrāku sacietēšanu.
• Lielāka agrīnā stiprība: javas prizmām, kas izgatavotas no ar PUS apstrādātas cementa pastas, pirmajās 24 stundās bija lielāka spiedes stiprība.
• Procesa ekonomiskuma uzlabošanas potenciāls: autori aplēsa, ka aptuveni 10 kWh/m³ cementa pastas enerģijas ievade varētu paātrināt saistīšanos un agrīnās stiprības attīstību par aptuveni divām stundām, norādot izmaksas ≤ 1 eiro/m³ betona.
• Mazāka nepieciešamība pēc piedevām: tā kā PUS palielināja plūstamību, autori secināja, ka superplastifikatora devu potenciāli varētu samazināt.

Šie rezultāti ir īpaši nozīmīgi saliekamā betona ražošanā, kur ātrāka saistīšanās un agrīnās stiprības attīstība var samazināt veidņos pavadīto laiku, sildīšanas nepieciešamību un ražošanas ciklu ilgumu.

 

 

Lielāka agrīnā stiprība cementa pastā ar GBFS piedevu

Viens no svarīgākajiem atklājumiem cementa un javas rūpnieciskās izmantošanas kontekstā ir agrīnās stiprības uzlabošanās. Saskaņā ar Lisowski et al. (2024) cementa pastu, kas satur 20% deponētu GBFS, apstrāde ar impulsu ultraskaņu nodrošināja ievērojami lielāku stiprību pēc divām dienām. Ziņotais pieaugums sasniedza līdz 132% spiedes stiprībai un 58% lieces stiprībai.
Tas ir ļoti nozīmīgi saliekamajam betonam, sausajiem javas maisījumiem, remontjavām, flīžu līmēm un citiem cementu saturošiem izstrādājumiem, kuriem agrīna atveidņošana, agrīna pārvietošanai nepieciešamās stiprības sasniegšana vai strauja būvniecības gaita ir ekonomiski svarīga.
Stiprības pieaugums korelēja ar palielinātu kumulatīvo cietēšanas siltumu, kas liecina, ka apstrāde ar ultraskaņu ne vien uzlabo fizikālo dispersiju, bet arī intensificē agrīno hidratāciju. Praksē tas nozīmē, ka jaudas ultraskaņa varētu palīdzēt ražotājiem efektīvāk izmantot sārņus, nepasliktinot agrīnās īpašības.

 

 

Sonofragmentācija padara rupjākās sārņu frakcijas lietderīgākas

Īpaši vērtīgs rezultāts ir relatīvi rupju GBFS frakciju efektīva aktivēšana. Pētījumā konstatēts, ka 125–250 μm sārņu frakcija nodrošināja vislabāko agrīno stiprību un stiprību pēc 28 dienām, ja to apvienoja ar deponētu sārņu daļiņu atdalīšanu un apstrādi ar jaudas ultraskaņu.
Tas ir rūpnieciski nozīmīgi, jo sārņu samalšana līdz ļoti smalkam daļiņu izmēram ir energoietilpīga. Ja apstrāde ar ultraskaņu uzlabo rupjāku vai deponētu GBFS frakciju reaģētspēju, ražotāji var samazināt nepieciešamību pēc malšanas, uzlabot izejvielu izmantošanas efektivitāti un labāk izmantot sekundāro materiālu plūsmas.
 
Uzziniet, kā ultraskaņas dispersija atvieglo ar nanomateriāliem stiegrotu cementa javu ražošanu!

Rūpnieciskā nozīme: jaudas ultraskaņa efektīvai cementa un javas ražošanai

Rūpnieciskajiem cementa un javas ražotājiem apstrāde ar ultraskaņu sniedz vairākas stratēģiskas priekšrocības. To var integrēt kā procesa intensifikācijas posmu suspensijas sagatavošanas, saistvielas aktivācijas, piedevu disperģēšanas vai augstas veiktspējas javas maisīšanas laikā. Šī tehnoloģija ir īpaši pievilcīga tādu produktu ražošanai, kuru īpašības ir atkarīgas no smalko daļiņu sadalījuma, ātras hidratācijas un optimizētas cementējošo papildmateriālu izmantošanas.

Ultraskaņas izmantošana cementa ražošanā sniedz šādus rūpnieciskos ieguvumus:

• Lielāka agrīnā stiprība, nepalielinot klinkera saturu
• Labāka GBFS un citu cementējošo papildmateriālu aktivācija
• Efektīvāka rupjo vai nogulsnēto izdedžu frakciju izmantošana
• Samazināta aglomerācija cementu saturošās suspensijās
• Vienmērīgāka hidratācijas un cietēšanas norise
• Iespējama malšanas intensitātes samazināšana atsevišķām izdedžu plūsmām
• Uzlabotas īpašības cementa sastāviem ar zemu klinkera saturu un mazu oglekļa pēdu

Tādēļ apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti nozīmīga ilgtspējīga cementa, izdedžu cementa, augstas veiktspējas javu, saliekamo elementu, remontmateriālu un specializētu būvizstrādājumu ražošanā.

Apstrāde ar ultraskaņu kā rīks cementa tehnoloģijai ar mazu oglekļa pēdu

Cementa nozare saskaras ar spiedienu samazināt CO₂ emisijas, un klinkera īpatsvara samazināšana ir viens no tiešākajiem veidiem, kā to panākt. Tomēr lielākas klinkera daļas aizstāšana ar GBFS, vieglajiem pelniem, kalcinētiem māliem vai citiem cementējošiem papildmateriāliem var palēnināt agrīnās stiprības attīstību. Jaudas ultraskaņa var palīdzēt pārvarēt šo ierobežojumu, uzlabojot disperģēšanu, aktivējot daļiņas un paātrinot agrīno hidratāciju.
Apstrāde ar ultraskaņu var padarīt cementa pastas ar izdedžu piedevu reaģētspējīgākas un mehāniski stiprākas, īpaši tad, ja process ir optimizēts atbilstoši daļiņu izmēra frakcijai un apstrādes ilgumam. Šī kombinācija ir ļoti nozīmīga saistvielu izstrādē rūpnieciskā mērogā.

Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas cementa hidratācijas, stiprības un izdedžu reaģētspējas uzlabošanai

Hielscher plūsmā darbināmās ultraskaņas apstrādes iekārtas ir jaudīgs rīks cementa hidratācijas un stiprības uzlabošanai, īpaši cementējošās sistēmās ar izdedžu piedevu.
Rūpnieciskai cementa deaglomerācijai un disperģēšanai Hielscher augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtas nodrošina intensīvo kavitācijas radīto bīdi, kas nepieciešama cementa, izdedžu un minerālo pildvielu aglomerātu sadalīšanai smalki disperģētās daļiņās, uzlabojot daļiņu samitrināšanu, virsmas aktivāciju un viendabīgumu cementu saturošās suspensijās. Hielscher sistēmas ir pieejamas dažādos mērogos – no uz laboratorijas galda novietojamām iekārtām un pilotiekārtām līdz izturīgām ražošanas sistēmām ar lielu ražīgumu, tostarp lieljaudas ultraskaņas apstrādes iekārtām darbam plūsmā, kas paredzētas cementa injekciju javas un minerālo suspensiju nepārtrauktai apstrādei. Tas ļauj procesa izstrādi tieši mērogot no pētniecības un izstrādes līdz pilnai rūpnieciskajai ražībai. Novēršot vai samazinot nepieciešamību pēc malšanas ķermeņiem, ultraskaņas deaglomerācija vienkāršo apstrādi, līdz minimumam samazina piesārņojuma riskus un atvieglo tīrīšanu, vienlaikus nodrošinot reproducējamu disperģēšanas kvalitāti. Tādēļ cementa un javas ražotājiem Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas piedāvā praktisku veidu, kā iegūt viendabīgākas saistvielu sistēmas, uzlabot hidratācijas kinētiku, efektīvāk izmantot GBFS un citus cementējošos papildmateriālus un iegūt labākas īpašības sastāviem ar zemu klinkera saturu.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu jaudas ultraskaņas sistēmu aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas iekārtas ir plaši pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas iekārtas netraucēti integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas iekārtas atbilst CE prasībām, kā arī UL, CSA un RoHs prasībām.

---

---

 

Literatūra / Atsauces

• 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.