Sonicatie verbetert de hydratatie en sterkte van cement

Ultrageluid met hoog vermogen, ook bekend als sonicatie, krijgt steeds meer aandacht als praktische intensiveringstechnologie voor de productie van cement en mortel. Recent onderzoek toont aan dat ultrasone behandeling de deeltjesdispersie kan verbeteren, aanvullende cementgebonden materialen zoals gegranuleerde hoogovenslak (GBFS) kan activeren, de hydratatie kan versnellen, de poriënstructuur kan verfijnen en de sterkte op jonge leeftijd aanzienlijk kan verhogen.

Beter presterend cement en mortel met bijgemengde slak dankzij ultrageluid met hoog vermogen

Bij de productie van cement en mortel is het efficiënte gebruik van aanvullende cementgebonden materialen een van de belangrijkste technische uitdagingen. Gegranuleerde hoogovenslak, oftewel GBFS, wordt op grote schaal gebruikt om het klinkergehalte te verlagen en de duurzaamheid te verbeteren. Grove of geagglomereerde slakdeeltjes reageren echter vaak langzaam, waardoor de vroege sterkteontwikkeling wordt beperkt. Sonicatie biedt een veelbelovende oplossing: deze gebruikt akoestische cavitatie met hoge intensiteit om agglomeraten te dispergeren, deeltjes te fragmenteren en het aantal reactieve kiemvormingsplaatsen in de cementmatrix te vergroten.

Waarom sonicatie belangrijk is voor cementhydratatie

Het voordeel van sonicatie ligt in het vermogen om vóór en tijdens de vroege hydratatie rechtstreeks op het deeltjessysteem in te werken. In een cementgebonden suspensie genereert ultrasone cavitatie plaatselijke afschuifkrachten, microjets en drukschommelingen. Deze effecten helpen agglomeraten uiteen te breken, fijne deeltjes te dispergeren en verse minerale oppervlakken bloot te leggen.
Voor cement- en mortelproducenten is dit belangrijk omdat hydratatie sterk door oppervlakteprocessen wordt bepaald. Een betere dispersie en kleinere reactieve deeltjes kunnen het contact tussen water, klinkerfasen en slakdeeltjes vergroten. Dit kan leiden tot snellere warmteafgifte, betere vroege verharding en een dichtere microstructuur.
In systemen met bijgemengde slak is sonicatie bijzonder relevant, omdat GBFS vaak activering vereist. Ultrasone deeltjesfragmentatie – de zogenoemde sonofragmentatie – van GBFS-deeltjes verkleint de deeltjes, met name in de fractie van 125–250 μm.

Belangrijkste voordelen van sonicatie bij de productie van cement en mortel

Ultrageluid met hoog vermogen ondersteunt de industriële productie van cement en mortel op verschillende manieren:

• Verbeterde deeltjesdispersie: Sonicatie helpt cement, slak en fijne minerale deeltjes gelijkmatiger in de pasta of het mortelmengsel te dispergeren.
• Verminderde agglomeratie: Ultrasone behandeling kan deeltjesclusters afbreken en kan hernieuwde agglomeratie tijdens het mengen tegengaan.
• Korrelverfijning: Grovere slakdeeltjes kunnen tot fijnere fracties worden gefragmenteerd, waardoor het beschikbare oppervlak toeneemt.
• Meer kiemvormingsplaatsen: Gefragmenteerde GBFS-deeltjes kunnen als kiemvormingscentra voor hydratatieproducten in de cementmatrix fungeren.
• Versnelde hydratatie: Een betere dispersie en blootgelegde oppervlakken kunnen de cumulatieve warmteafgifte en de vroege verharding verhogen.
• Hogere vroege sterkte: Gesoniceerde cementpasta’s met bijgemengde slak kunnen al na slechts twee dagen aanzienlijke toenames in druksterkte en buigsterkte vertonen.
• Verbeterde microstructuur: Sonicatie kan indicatoren voor nanoporositeit verhogen en de poriënstructuur veranderen, vooral in het poriëngroottebereik van 2–10 nm.

 

Snellere binding en vroege sterkte in prefabbeton met ultrageluid met hoog vermogen

De studie “Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes” van Ch. Rößler onderzoekt portlandcementpasta’s op basis van CEM I 42,5 R, een water-cementverhouding van 0,37 en 0,1% superplastificeerder op basis van polyacrylaat. In de studie werd een sonicator van Hielscher van het type UIP1000hd in een doorstroomopstelling gebruikt om te beoordelen of ultrageluid met hoog vermogen de hydratatie kon versnellen, de vloeibaarheid kon verbeteren, de bindingstijd kon verkorten en de vroege sterkte kon verhogen.
De resultaten tonen aan dat ultrageluid met hoog vermogen (PUS) de belangrijkste hydratatieperiode versnelt. De temperatuurcurve laat een eerdere hydratatiepiek zien, terwijl de beelden van de microstructuur na vijf uur grotere C-S-H-fasen in de ultrasoon behandelde pasta dan in de referentie lieten zien.
Belangrijkste behaalde voordelen:

• Hogere vloeibaarheid: de zetmaat nam toe van 122 mm in de referentiepasta tot 158 mm na de PUS-behandeling.
• Snellere binding: het begin van de binding werd vervroegd van 5 h 15 min tot 3 h 45 min en het einde van de binding van 6 h 45 min tot 4 h 30 min.
• Versnelde verstijving: de ultrasone pulssnelheid wees op een ongeveer 2 uur snellere verharding.
• Hogere vroege sterkte: mortelprisma’s die uit met PUS behandelde cementpasta waren vervaardigd, vertoonden gedurende de eerste 24 uur een hogere druksterkte.
• Potentieel voor een economischer proces: de auteurs schatten dat een energie-inbreng van ongeveer 10 kWh/m³ cementpasta de binding en de ontwikkeling van vroege sterkte met ongeveer twee uur zou kunnen versnellen, bij vermelde kosten van ≤ 1 Euro/m³ beton.
• Verminderde behoefte aan hulpstoffen: omdat PUS de vloeibaarheid verhoogde, concludeerden de auteurs dat de dosering van de superplastificeerder mogelijk kon worden verlaagd.

Deze resultaten zijn bijzonder relevant voor de productie van prefabbeton, waarbij een snellere binding en vroege sterkte de bekistingsduur, de verwarmingsbehoefte en de productiecyclustijden kunnen verkorten.

 

 

Hogere vroege sterkte in cementpasta met bijgemengde GBFS

Een van de belangrijkste bevindingen voor industriële cement- en morteltoepassingen is de verbetering van de sterkte op jonge leeftijd. Volgens Lisowski et al. (2024) leverde gepulseerde ultrasone behandeling van cementpasta’s met 20% gedeponeerde GBFS na twee dagen een aanzienlijk hogere sterkte op. De gerapporteerde toenames bedroegen tot 132% in druksterkte en 58% in buigsterkte.
Dit is zeer relevant voor prefabbeton, droge mortelmengsels, reparatiemortels, tegellijmen en andere cementgebonden producten waarbij vroeg ontkisten, vroege sterkte voor hantering of snelle bouwvoortgang economisch belangrijk is.
De sterktetoename correleerde met een hogere cumulatieve verhardingswarmte, wat erop wijst dat sonicatie niet alleen de fysieke dispersie verbetert, maar ook de vroege hydratatie intensiveert. In de praktijk betekent dit dat ultrageluid met hoog vermogen producenten zou kunnen helpen slak effectiever te gebruiken zonder aan vroege prestaties in te boeten.

 

 

Sonofragmentatie maakt grovere slakfracties bruikbaarder

Een bijzonder waardevol resultaat is de effectieve activering van relatief grove GBFS-fracties. De studie toonde aan dat de slakfractie van 125–250 μm de beste sterkte op jonge leeftijd en na 28 dagen opleverde wanneer deze werd gecombineerd met de scheiding van gedeponeerde slakdeeltjes en behandeling met ultrageluid met hoog vermogen.
Dit is van industrieel belang omdat het malen van slak tot zeer fijne deeltjes veel energie vergt. Als sonicatie de reactiviteit van grovere of gedeponeerde GBFS-fracties verbetert, kunnen producenten de maalbehoefte verminderen, de grondstoffenefficiëntie verbeteren en secundaire materiaalstromen beter benutten.
 
Ontdek hoe ultrasone dispersie de productie van nanoversterkte cementmortels vergemakkelijkt!

Industriële relevantie: ultrageluid met hoog vermogen voor efficiënte cement- en mortelproductie

Voor industriële cement- en mortelproducenten biedt sonicatie verschillende strategische voordelen. Deze kan als stap voor procesintensivering worden geïntegreerd tijdens de bereiding van slurries, de activering van bindmiddelen, de dispersie van hulpstoffen of het mengen van mortels met hoge prestaties. De technologie is bijzonder aantrekkelijk voor producten die afhankelijk zijn van de verdeling van fijne deeltjes, snelle hydratatie en een geoptimaliseerd gebruik van aanvullende cementgebonden materialen.

Industriële voordelen van ultrasone cementproductie zijn onder meer:

• Hogere vroege sterkte zonder verhoging van het klinkergehalte
• Betere activering van GBFS en andere aanvullende cementgebonden materialen
• Betere benutting van grove of gedeponeerde slakfracties
• Verminderde agglomeratie in cementgebonden suspensies
• Consistenter hydratatie- en verhardingsgedrag
• Mogelijke vermindering van de maalintensiteit voor geselecteerde slakstromen
• Verbeterde prestaties van cementformuleringen met een laag klinkergehalte en een lage CO₂-voetafdruk

Dit maakt sonicatie zeer relevant voor de productie van duurzaam cement, slakcement, mortels met hoge prestaties, prefabelementen, reparatiematerialen en speciale bouwproducten.

Sonicatie als hulpmiddel voor cementtechnologie met een lage CO₂-voetafdruk

De cementindustrie staat onder druk om de CO₂-uitstoot te verminderen, en verlaging van de klinkerfactor is een van de meest directe mogelijkheden. Hogere vervangingspercentages met GBFS, vliegas, gecalcineerde klei of andere aanvullende cementgebonden materialen kunnen de vroege sterkteontwikkeling echter vertragen. Ultrageluid met hoog vermogen kan helpen dit knelpunt te overwinnen door de dispersie te verbeteren, deeltjes te activeren en de vroege hydratatie te versnellen.
Sonicatie kan cementpasta’s met bijgemengde slak reactiever en mechanisch sterker maken, vooral wanneer het proces wordt geoptimaliseerd voor de deeltjesgroottefractie en de behandeltijd. Die combinatie is zeer relevant voor de ontwikkeling van bindmiddelen op industriële schaal.

Sonicatoren van Hielscher voor verbeterde cementhydratatie, sterkte en slakreactiviteit

Inline sonicatoren van Hielscher zijn een krachtig hulpmiddel om de hydratatie en sterkte van cement te verbeteren, met name in cementgebonden systemen met bijgemengde slak.
Voor industriële deagglomeratie en dispersie van cement leveren de sonicatoren van Hielscher met hoge prestaties de intense afschuiving door cavitatie die nodig is om agglomeraten van cement, slak en minerale vulstoffen uiteen te breken tot fijn gedispergeerde deeltjes. Hierdoor verbeteren de bevochtiging van deeltjes, de oppervlakteactivering en de homogeniteit in cementgebonden slurries. Systemen van Hielscher zijn verkrijgbaar van tafelmodellen en systemen op pilotschaal tot robuuste productiesystemen met hoge verwerkingscapaciteit, waaronder inline sonicatoren met hoog vermogen voor de continue verwerking van cementgrout en minerale suspensies. Hierdoor kan procesontwikkeling rechtstreeks worden opgeschaald van R&D naar volledige industriële verwerkingscapaciteit. Door de behoefte aan maalmedia weg te nemen of te verminderen, vereenvoudigt ultrasone deagglomeratie de verwerking, minimaliseert deze verontreinigingsrisico’s en vermindert deze de reinigingsinspanning, terwijl een reproduceerbare dispersiekwaliteit wordt geleverd. Voor cement- en mortelfabrikanten bieden sonicatoren van Hielscher daarom een praktische weg naar gelijkmatigere bindmiddelsystemen, verbeterde hydratatiekinetiek, betere benutting van GBFS en andere aanvullende cementgebonden materialen en beter presterende formuleringen met een laag klinkergehalte.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze systemen voor ultrageluid met hoog vermogen:

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Ultrasonicatoren van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Dankzij hun robuustheid en eenvoudige bediening kunnen onze ultrasonicatoren soepel in industriële installaties worden geïntegreerd. Ultrasonicatoren van Hielscher zijn moeiteloos bestand tegen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op ultrasonicatoren met hoge prestaties met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen ultrasonicatoren van Hielscher aan de CE-voorschriften en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

---

---

 

Literatuur / Referenties

• 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.