Ultraskaņas apstrāde uzlabo cementa hidratāciju un izturību

Jaudīgais ultraskaņas apstrādes process, kas pazīstams arī kā sonikācija, piesaista arvien lielāku uzmanību kā praktiska intensifikācijas tehnoloģija cementa un javas ražošanā. Jaunākie pētījumi liecina, ka ultraskaņas apstrāde var uzlabot daļiņu dispersiju, aktivizēt papildu cementveida materiālus, piemēram, granulētu domnas šlakas (GBFS), paātrināt hidratāciju, uzlabot poru struktūru un ievērojami palielināt agrīnās izturības rādītājus.

Augstākas veiktspējas cements un javas ar izdedžu piedevu, izmantojot jaudīgu ultraskaņu

Cementa ražošanā un javas pagatavošanā viena no galvenajām tehniskajām problēmām ir papildu cementveida materiālu efektīva izmantošana. Granulētais domnas šlakas (GBFS) tiek plaši izmantots, lai samazinātu klinkera saturu un uzlabotu ilgtspējību. Tomēr rupjām vai aglomerētām izdedžu daļiņām bieži vien ir lēna reakcija, kas ierobežo agrīnās izturības attīstību. Ultraskaņas apstrāde piedāvā daudzsološu risinājumu: tajā tiek izmantota augstas intensitātes akustiskā kavitācija, lai izkliedētu aglomerātus, sadalītu daļiņas un palielinātu reaģējošo kodolu veidošanās vietu skaitu cementa matricā.

Kāpēc ultraskaņas apstrāde ir svarīga cementa hidratācijai

Ultraskaņas apstrādes priekšrocība slēpjas tās spējā tieši iedarboties uz daļiņu sistēmu pirms hidratācijas un tās sākuma posmā. Cementa suspensijā ultraskaņas kavitācija rada lokalizētus šķērsspēkus, mikrostrūklas un spiediena svārstības. Šie efekti palīdz sadalīt aglomerātus, disperģēt smalkās daļiņas un atklāt svaigas minerālvielu virsmas.
Cementa un javas ražotājiem tas ir svarīgi, jo hidratācija galvenokārt notiek virsmas līmenī. Labāka dispersija un mazākas reaģējošās daļiņas var palielināt kontaktu starp ūdeni, klinkera fāzēm un izdedžu daļiņām. Tas var veicināt ātrāku siltuma atbrīvošanos, uzlabotu agrīno sacietēšanu un nodrošināt blīvāku mikrostruktūru.
Sistēmās, kurās tiek izmantoti izdedžu maisījumi, ultraskaņas apstrāde ir īpaši nozīmīga, jo GBFS bieži vien ir jāaktivizē. Daļiņu sadalīšana ar ultraskaņu – tā saucamā sonofragmentācija – GBFS daļiņu izmērs samazinās, jo īpaši 125–250 μm frakcijā.

Sonicācijas galvenās priekšrocības cementa un javas ražošanā

Jaudīgais ultraskaņas aprīkojums dažādos veidos atbalsta rūpniecisko cementa un javas ražošanu:

• Uzlabota daļiņu dispersija: Ultraskaņas apstrāde palīdz cementu, izdedžus un smalkās minerālvielu daļiņas vienmērīgāk izkliedēt pastā vai javas maisījumā.
• Samazināta aglomerācija: Ultraskaņas apstrāde var sadalīt daļiņu kopas un var kavēt to atkārtotu salipšanu sajaukšanas laikā.
• Graudu pārstrāde: Grubākas izdedžu daļiņas var sadalīt smalkākās frakcijās, palielinot pieejamo virsmas laukumu.
• Vairāk kodolu veidošanās vietu: Sasmalcinātās GBFS daļiņas var darboties kā hidratācijas produktu kodolu veidošanās centri cementa matricā.
• Paātrināta mitrināšana: Labāka dispersija un atklātās virsmas var palielināt kopējo siltuma atdevi un paātrināt sacietēšanu.
• Augstāka sākotnējā izturība: Ar ultraskaņu apstrādātām cementa pastām, kurās pievienots izdedžu maisījums, jau pēc divām dienām var novērot ievērojamu spiedes un lieces izturības pieaugumu.
• Uzlabota mikrostruktūra: Ultraskaņas apstrāde var palielināt nanoporozitātes rādītājus un mainīt poru struktūru, jo īpaši 2–10 nm poru diapazonā.

Power Ultrasonication (PUS) ietekme uz mitrinošo cementa pastu ultraskaņas impulsa ātrumu

Ātrāka sacietēšana un agrīna izturība rūpnieciski izgatavotajos betona izstrādājumos, izmantojot jaudīgu ultraskaņu

Pētījums “Power-Ultrasound ietekme uz Portlandcementa pastas plūstamību un iestatīšanu” Ch. Rößler pētījumā tiek izpētītas portlandcementa pastas, kuru pamatā ir CEM I 42.5 R, ūdens un cementa attiecība 0,37 un 0,1 % poliacrilāta superplastifikatora. Pētījumā tika izmantots Hielscher UIP1000hd ultraskaņas ģenerators caurplūdes konfigurācijā, lai novērtētu, vai jaudīgais ultraskaņas viļņi var paātrināt hidratāciju, uzlabot plūstamību, saīsināt sacietēšanas laiku un palielināt sākotnējo izturību.
Rezultāti liecina, ka jaudas ultraskaņa (PUS) paātrina galveno hidratācijas periodu. Temperatūras līkne liecina par agrāku hidratācijas maksimumu, savukārt mikrostruktūras attēli pēc piecām stundām parādīja, ka ultraskaņas apstrādātajā pastā C-S-H fāzes ir lielākas nekā kontroles paraugā.
Sasniegtās galvenās priekšrocības:

• Labāka plūstamība: slump palielinājās no 122 mm etalona pastā līdz 158 mm pēc apstrādes ar PUS.
• Ātrāka sacietēšana: sākotnējais sets tika saīsināts no 5 stundām 15 minūtēm līdz 3 stundām 45 minūtēm, bet pēdējais sets — no 6 stundām 45 minūtēm līdz 4 stundām 30 minūtēm.
• Paātrināta sacietēšana: Ultraskaņas impulsa ātrums liecināja, ka sacietēšana notika aptuveni par 2 stundām ātrāk.
• Augstāka sākotnējā izturība: No ar PUS apstrādātas cementa pastas izgatavotajām javas prizmām pirmajās 24 stundās tika novērota paaugstināta spiedes izturība.
• Procesu ekonomikas potenciāls: Autori aprēķināja, ka enerģijas patēriņš aptuveni 10 kWh/m³ cementa pastas varētu paātrināt sacietēšanu un agrīno izturību par aptuveni divām stundām, un norādītās izmaksas būtu ≤ 1 eiro/m³ betona.
• Samazināts pieprasījums pēc piedevām: Tā kā PUS palielināja šķidrumu plūstamību, autori secināja, ka superplastifikatora devu, iespējams, varētu samazināt.

Šie rezultāti ir īpaši nozīmīgi betona prefabrikātu ražošanā, kur ātrāka sacietēšana un agrīna izturība var samazināt veidņu izmantošanas laiku, siltumenerģijas patēriņu un ražošanas cikla ilgumu.

C + S pastu, kas pagatavotas tradicionāli un izmantojot jaudīgu ultraskaņu, Vickera cietība un elastības modulis pēc 28 dienām.
Diagrammas un pētījums: ©Lisowski et al. 2024.

Lielāka sākotnējā izturība GBFS-pildītajai cementa pastai

Viens no svarīgākajiem atklājumiem saistībā ar cementa un javas izmantošanu rūpniecībā ir izturības uzlabošanās agrīnā posmā. Saskaņā ar Lisowski u.c. (2024) pētījumu, cementa pastu, kurās bija 20 % nogulsnēta GBFS, apstrāde ar impulsveida ultraskaņu nodrošināja ievērojami augstāku izturību jau pēc divām dienām. Paziņotais pieaugums sasniedza līdz pat 132 % spiedes izturībā un 58 % lieces izturībā.
Tas ir īpaši svarīgi attiecībā uz dzelzsbetona prefabrikātiem, sausajiem javas maisījumiem, remonta javas maisījumiem, flīžu līmēm un citiem cementa izstrādājumiem, kur agrīna atbrīvošana no veidņiem, agrīna apstrādes izturība vai ātra būvniecības gaita ir ekonomiski nozīmīga.
Stiprības pieaugums bija saistīts ar palielinātu kumulatīvo sacietēšanas siltumu, liecinot, ka ultraskaņas apstrāde ne tikai uzlabo fizisko dispersiju, bet arī pastiprina agrīno hidratāciju. Praktiski tas nozīmē, ka jaudīgais ultraskaņas apstrādes process varētu palīdzēt ražotājiem efektīvāk izmantot izdedžus, nezaudējot agrīnās īpašības.

Cementa-GBFS pastas parauga C + S SEM attēli, kuros salīdzināta ietekme bez un ar jaudīgu ultraskaņu pēc 28 dienām.
Attēli un pētījums: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentācija padara rupjākas izdedžu frakcijas lietderīgākas

Īpaši vērtīgs rezultāts ir salīdzinoši rupjo GBFS frakciju efektīva aktivizēšana. Pētījumā tika konstatēts, ka 125–250 μm lielā izdedžu frakcija nodrošināja vislabāko agrīnās un 28 dienu izturību, to apvienojot ar nogulsnēto izdedžu daļiņu atdalīšanu un ultraskaņas apstrādi.
Tam ir nozīme rūpniecībā, jo izdedžu sasmalcināšana līdz ļoti smalkām daļiņām ir energoietilpīgs process. Ja ultraskaņas apstrāde uzlabo rupjāku vai nogulsnējušos GBFS frakciju reaktivitāti, ražotāji var samazināt nepieciešamību pēc sasmalcināšanas, uzlabot izejvielu izmantošanas efektivitāti un labāk izmantot sekundāro materiālu plūsmas.
 
Uzziniet, kā ultraskaņas dispersija atvieglo nano-pastiprinātu cementa javu ražošanu!

Nozīme rūpniecībā: jaudīgs ultraskaņas pielietojums efektīvai cementa un javas ražošanai

Rūpnieciskajiem cementa un javas ražotājiem ultraskaņas apstrāde piedāvā vairākas stratēģiskas priekšrocības. To var integrēt kā procesa intensifikācijas posmu šķidrās maisījuma sagatavošanas, saistvielas aktivizēšanas, piedevu disperģēšanas vai augstas veiktspējas javas sajaukšanas laikā. Šī tehnoloģija ir īpaši pievilcīga produktiem, kuru kvalitāte ir atkarīga no smalko daļiņu sadalījuma, ātrās hidratācijas un papildu cementveida materiālu optimizētas izmantošanas.

• Augstāka sākotnējā izturība, nepalielinot klinkera saturu
• GBFS un citu papildus cementveida materiālu labāka aktivizēšana
• Lielgraudaino vai nogulsnēto izdedžu frakciju efektīvāka izmantošana
• Samazināta aglomerācija cementa suspensijās
• Vienmērīgāka hidratācija un sacietēšanas process
• Iespējamais malšanas intensitātes samazinājums atsevišķām izdedžu plūsmām
• Uzlabotas zema klinkera satura un zema oglekļa satura cementa maisījumu īpašības

Tādēļ ultraskaņas apstrāde ir ļoti nozīmīga ilgtspējīga cementa, izdedžu cementa, augstas veiktspējas javas, dzelzsbetona elementu, remonta materiālu un speciālo būvmateriālu ražošanā.

Ultraskaņas apstrāde kā līdzeklis zema oglekļa satura cementa tehnoloģijā

Cementa rūpniecība saskaras ar spiedienu samazināt CO₂ emisijas, un klinkera faktora samazināšana ir viens no tiešākajiem veidiem, kā to panākt. Tomēr lielāks aizstājumu daudzums ar GBFS, lidojošajām pelnām, kalcinētu mālu vai citiem cementveida piedevu materiāliem var palēnināt agrīnās izturības attīstību. Jaudīgais ultraskaņas viļņu lauks var palīdzēt pārvarēt šo šķērsli, uzlabojot dispersiju, aktivizējot daļiņas un paātrinot agrīno hidratāciju.
Ultraskaņas apstrāde var padarīt ar izdedžiem sajauktās cementa pastas reaģētspējīgākas un mehāniski izturīgākas, it īpaši tad, ja process ir optimizēts attiecībā uz daļiņu izmēra frakciju un apstrādes laiku. Šī kombinācija ir ļoti nozīmīga saistvielu izstrādē rūpnieciskā mērogā.

Hielscher ultraskaņas iekārtas cementa hidratācijas, izturības un izdedžu reaktivitātes uzlabošanai

Hielscher inline ultraskaņas iekārtas ir spēcīgs līdzeklis, lai uzlabotu cementa hidratāciju un izturību, jo īpaši cementa sistēmās ar izdedžu piedevu.
Rūpnieciskai cementa deaglomerācijai un dispersijai Hielscher augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas nodrošina intensīvu kavitācijas griezes spēku, kas nepieciešams, lai sadalītu cementa, izdedžu un minerālo pildvielu aglomerātus smalki disperģētās daļiņās, uzlabojot daļiņu mitrināšanu, virsmas aktivizēšanu un viendabīgumu cementa šķidrumos. „Hielscher“ sistēmas ir pieejamas no galda un eksperimentālā mēroga līdz izturīgām ražošanas sistēmām ar lielu caurlaidspēju, ieskaitot lieljaudas iebūvētos ultraskaņas iekārtas cementa šuvju un minerālu suspensiju nepārtrauktai apstrādei. Tas ļauj procesa attīstību tieši pielāgot no pētniecības&No D līdz pilnai rūpnieciskai ražošanas jaudai. Novēršot vai samazinot nepieciešamību pēc malšanas līdzekļiem, ultraskaņas deaglomerācija vienkāršo apstrādes procesu, samazina piesārņojuma risku un mazinā tīrīšanas darbu apjomu, vienlaikus nodrošinot reproducējamu dispersijas kvalitāti. Tādējādi cementa un javas ražotājiem Hielscher ultraskaņas iekārtas piedāvā praktisku ceļu uz vienmērīgākām saistvielu sistēmām, uzlabotu hidratācijas kinētiku, labāku GBFS un citu papildu cementveida materiālu izmantošanu, kā arī augstākas veiktspējas zema klinkera satura formulējumiem.

Zemāk esošajā tabulā ir norādīta mūsu jaudīgo ultraskaņas sistēmu aptuvenā apstrādes jauda:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces