Ultrasone behandeling verbetert de hydratatie en sterkte van cement

Krachtultrasoon, ook wel sonicatie genoemd, wint aan aandacht als een praktische intensificatietechniek voor de productie van cement en mortel. Uit recent onderzoek blijkt dat ultrasone behandeling de deeltjesverspreiding kan verbeteren, aanvullende cementachtige materialen zoals gegranuleerde hoogovenslak (GBFS) kan activeren, de hydratatie kan versnellen, de poriënstructuur kan verfijnen en de vroege sterkte aanzienlijk kan verhogen.

Cement en mortel met slakkenbijmenging en betere prestaties dankzij krachtige ultrasone golven

Bij de cement- en mortelproductie is het efficiënte gebruik van aanvullende cementachtige materialen een van de grootste technische uitdagingen. Gegranuleerde hoogovenslak, ook wel GBFS genoemd, wordt op grote schaal gebruikt om het klinkeraandeel te verlagen en de duurzaamheid te verbeteren. Grove of samengeklonterde slakdeeltjes reageren echter vaak traag, waardoor de vroege sterkteontwikkeling wordt beperkt. Ultrasone behandeling biedt een veelbelovende oplossing: hierbij wordt gebruikgemaakt van akoestische cavitatie met hoge intensiteit om agglomeraten te dispergeren, deeltjes te fragmenteren en het aantal reactieve nucleatieplaatsen binnen de cementmatrix te vergroten.

Waarom ultrasone behandeling belangrijk is voor de hydratatie van cement

Het voordeel van ultrasone behandeling ligt in het vermogen om direct in te werken op het deeltjessysteem, zowel vóór als tijdens de vroege hydratatie. In een cementachtige suspensie veroorzaakt ultrasone cavitatie plaatselijke schuifkrachten, microstralen en drukschommelingen. Deze effecten dragen bij aan het afbreken van agglomeraten, het verspreiden van fijne deeltjes en het blootleggen van verse minerale oppervlakken.
Voor producenten van cement en mortel is dit van belang omdat hydratatie in hoge mate aan het oppervlak plaatsvindt. Een betere dispersie en kleinere reactieve deeltjes kunnen het contact tussen water, klinkerfasen en slakdeeltjes vergroten. Dit kan leiden tot een snellere warmteafgifte, een betere vroege uitharding en een dichtere microstructuur.
In systemen met slakbijmengingen is ultrasone behandeling van bijzonder belang, omdat GBFS vaak geactiveerd moet worden. Fragmentatie van deeltjes door ultrasone trillingen – zogenaamde sonofragmentatie – van GBFS-deeltjes leidt tot een afname van de deeltjesgrootte, met name van de fractie van 125–250 μm.

Belangrijkste voordelen van ultrasone behandeling bij de productie van cement en mortel

Krachtultrasoon ondersteunt de industriële productie van cement en mortel op verschillende manieren:

• Verbeterde deeltjesverspreiding: Door middel van ultrasone behandeling worden cement, slakken en fijne minerale deeltjes gelijkmatiger door de pasta of het mortelmengsel verspreid.
• Minder klontervorming: Ultrasone behandeling kan deeltjesclusters afbreken en kan heragglomeratie tijdens het mengen tegengaan.
• Korrelverfijning: Grovere slakdeeltjes kunnen worden verkleind tot fijnere fracties, waardoor het beschikbare oppervlak toeneemt.
• Meer nucleatieplaatsen: Gefragmenteerde GBFS-deeltjes kunnen fungeren als nucleatiecentra voor hydratatieproducten in de cementmatrix.
• Versnelde hydratatie: Een betere verspreiding en blootgestelde oppervlakken kunnen de cumulatieve warmteafgifte en vroegtijdige uitharding bevorderen.
• Hogere vroege sterkte: Met ultrasone trillingen behandelde cementpasta’s met slakkenbijmenging kunnen al na twee dagen een aanzienlijke toename in druk- en buigsterkte vertonen.
• Verbeterde microstructuur: Ultrasone behandeling kan de indicatoren voor nanoporeusheid verhogen en de poriënstructuur wijzigen, met name in het poriëngebied van 2–10 nm.

 

Snellere uitharding en vroege sterkte in prefabbeton met krachtige ultrasone golven

Het onderzoek “Invloed van ultrageluid op de vloeibaarheid en uitharding van portlandcementpasta's” In een onderzoek van Ch. Rößler worden Portlandcementpasta’s onderzocht op basis van CEM I 42,5 R, met een water-cementverhouding van 0,37 en 0,1% polyacrylaat-superplastificeerder. In het onderzoek werd gebruikgemaakt van een Hielscher UIP1000hd-sonicator in een doorstroomopstelling om te beoordelen of krachtige ultrasone trillingen de hydratatie kunnen versnellen, de vloeibaarheid kunnen verbeteren, de uithardingstijd kunnen verkorten en de vroege sterkte kunnen verhogen.
Uit de resultaten blijkt dat krachtige ultrasone trillingen (PUS) de belangrijkste hydratatiefase versnellen. De temperatuurcurve laat zien dat de hydratatiepiek eerder optreedt, terwijl uit de microstructuurbeelden na vijf uur blijkt dat de C-S-H-fasen in de met ultrasone trillingen behandelde pasta groter zijn dan in de referentiemonster.
Belangrijkste behaalde voordelen:

• Hogere vloeibaarheid: De slump nam toe van 122 mm in de referentiepasta tot 158 mm na PUS-behandeling.
• Snellere uitharding: De eerste set werd ingekort van 5 uur en 15 minuten tot 3 uur en 45 minuten, en de laatste set van 6 uur en 45 minuten tot 4 uur en 30 minuten.
• Versnelde verharding: De ultrasone pulssnelheid wees op een ongeveer 2 uur snellere uitharding.
• Hogere vroege sterkte: Mortelprisma’s vervaardigd uit met PUS behandelde cementpasta vertoonden gedurende de eerste 24 uur een hogere druksterkte.
• Potentieel voor procesoptimalisatie: De auteurs schatten dat een energie-inbreng van ongeveer 10 kWh/m³ cementpasta de uitharding en de vroege sterkte met ongeveer twee uur zou kunnen versnellen, tegen een aangegeven kostprijs van ≤ 1 euro/m³ beton.
• Verminderde vraag naar bijmengingen: Omdat PUS de vloeibaarheid verhoogde, concludeerden de auteurs dat de dosering van het superplastificeermiddel mogelijk zou kunnen worden verlaagd.

Deze resultaten zijn met name relevant voor de productie van prefabbeton, waar een snellere uitharding en vroege sterkte de bekistingstijd, de verwarmingsbehoefte en de productiecyclustijden kunnen verkorten.

 

 

Grotere vroege sterkte bij GBFS-gemengde cementpasta

Een van de belangrijkste bevindingen voor industriële cement- en morteltoepassingen is de verbetering van de vroege sterkte. Volgens Lisowski et al. (2024) leidde een behandeling met gepulseerde ultrasone golven van cementpasta’s met 20% afgezette GBFS na twee dagen tot een aanzienlijk hogere sterkte. De gerapporteerde stijgingen bedroegen tot 132% in druksterkte en 58% in buigsterkte.
Dit is van groot belang voor prefabbeton, droogmengmortel, reparatiemortels, tegellijmen en andere cementgebonden producten waarbij vroegtijdige ontkisting, vroege verwerkingssterkte of een snelle bouwvoortgang economisch gezien van groot belang zijn.
De toename in sterkte hing samen met een hogere cumulatieve verhardingswarmte, wat erop wijst dat ultrasone behandeling niet alleen de fysische dispersie verbetert, maar ook de vroege hydratatie versterkt. In de praktijk betekent dit dat krachtige ultrasone golven producenten kunnen helpen slakken effectiever te gebruiken zonder dat dit ten koste gaat van de vroege prestaties.

 

 

Door sonofragmentatie worden grovere slakkenfracties bruikbaarder

Een bijzonder waardevol resultaat is de effectieve activering van relatief grove GBFS-fracties. Uit het onderzoek bleek dat de slakfractie van 125–250 μm de beste vroege sterkte en 28-daagse sterkte opleverde in combinatie met de afscheiding van afgezette slakdeeltjes en behandeling met krachtige ultrasone golven.
Dit is van industrieel belang omdat het vermalen van slakken tot zeer fijne deeltjes veel energie kost. Als ultrasone behandeling de reactiviteit van grovere of afgezette GBFS-fracties verbetert, kunnen producenten de behoefte aan vermaling verminderen, de grondstofefficiëntie verbeteren en beter gebruikmaken van secundaire materiaalstromen.
 
Ontdek hoe ultrasone dispersie de productie van met nanodeeltjes versterkte cementmortels vergemakkelijkt!

Toepassingsmogelijkheden in de industrie: Krachtige ultrasone golven voor een efficiënte productie van cement en mortel

Voor industriële cement- en mortelproducenten biedt ultrasone behandeling verschillende strategische voordelen. Deze techniek kan worden geïntegreerd als een stap ter intensivering van het proces tijdens de bereiding van slurry, de activering van bindmiddelen, de dispersie van toeslagstoffen of het mengen van hoogwaardige mortel. De technologie is met name aantrekkelijk voor producten waarbij een fijne deeltjesverdeling, snelle hydratatie en een geoptimaliseerd gebruik van aanvullende cementachtige materialen van belang zijn.

De industriële voordelen van de productie van cement met behulp van ultrasone technologie zijn onder meer:

• Hogere vroege sterkte zonder het klinkeraandeel te verhogen
• Een betere activering van GBFS en andere aanvullende cementachtige materialen
• Beter gebruik van grove of afgezette slakfracties
• Verminderde agglomeratie in cementachtige suspensies
• Consistenter gedrag bij hydratatie en uitharding
• Mogelijke vermindering van de maalintensiteit voor bepaalde slakkenstroomsoorten
• Verbeterde prestaties van cementformules met een laag klinkeraandeel en een lage koolstofuitstoot

Dit maakt ultrasone behandeling bijzonder geschikt voor de productie van duurzaam cement, slakcement, hoogwaardige mortels, prefab-elementen, reparatiematerialen en gespecialiseerde bouwproducten.

Ultrasoonbehandeling als hulpmiddel voor koolstofarme cementtechnologie

De cementindustrie staat onder druk om de CO₂-uitstoot te verminderen, en het verlagen van de klinkerfactor is een van de meest directe manieren om dat te bereiken. Een hoger vervangingspercentage met GBFS, vliegas, gecalcineerde klei of andere cementvervangende materialen kan echter de vroege sterkteontwikkeling vertragen. Krachtige ultrasone trillingen kunnen helpen dit knelpunt te overwinnen door de dispersie te verbeteren, de deeltjes te activeren en de vroege hydratatie te versnellen.
Door middel van ultrasone behandeling kunnen cementpasta’s met slakkenbijmenging reactiever en mechanisch sterker worden, vooral wanneer het proces wordt geoptimaliseerd wat betreft de deeltjesgrootteverdeling en de behandelingstijd. Die combinatie is van groot belang voor de ontwikkeling van bindmiddelen op industriële schaal.

Hielscher-sonicatoren voor een betere cementhydratatie, sterkte en slakreactiviteit

De inline-sonicators van Hielscher zijn een krachtig hulpmiddel om de hydratatie en sterkte van cement te verbeteren, met name in cementachtige systemen waaraan slakken zijn toegevoegd.
Voor de deagglomeratie en dispersie van industrieel cement zorgen de hoogwaardige sonicators van Hielscher voor de intense cavitatiescheerkracht die nodig is om agglomeraten van cement, slakken en minerale vulstoffen op te breken tot fijn gedispergeerde deeltjes, waardoor de bevochtiging van de deeltjes, de oppervlakteactivering en de homogeniteit in cementachtige slurries worden verbeterd. Hielscher-systemen zijn verkrijgbaar in uitvoeringen variërend van tafelmodellen en proefschaal tot robuuste productiesystemen met hoge doorvoercapaciteit, waaronder krachtige inline-sonicators voor de continue verwerking van cementmortel en minerale suspensies. Hierdoor is procesontwikkeling direct schaalbaar vanaf R&D tot volledige industriële doorvoer. Door de behoefte aan maalmedia te elimineren of te verminderen, vereenvoudigt ultrasone deagglomeratie het verwerkingsproces, minimaliseert het het risico op verontreiniging en vermindert het de reinigingsinspanning, terwijl tegelijkertijd een reproduceerbare dispersiekwaliteit wordt geleverd. Voor cement- en mortelfabrikanten bieden de ultrasone apparaten van Hielscher daarom een praktische weg naar uniformere bindmiddelsystemen, verbeterde hydratatiekinetiek, beter gebruik van GBFS en andere aanvullende cementachtige materialen, en beter presterende formuleringen met een laag klinkeraandeel.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze krachtige ultrasone systemen:

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze 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.