Sonikacja poprawia hydratację i wytrzymałość cementu

Ultradźwięki dużej mocy, znane również jako sonikacja, zyskują zainteresowanie jako praktyczna technologia intensyfikacji produkcji cementu i zapraw. Najnowsze badania pokazują, że obróbka ultradźwiękowa może poprawić dyspersję cząstek, aktywować uzupełniające materiały cementowe, takie jak granulowany żużel wielkopiecowy (GBFS), przyspieszyć hydratację, rozdrobnić strukturę porów i znacznie zwiększyć wytrzymałość wczesną.

Cement i zaprawy z dodatkiem żużla o lepszych właściwościach dzięki ultradźwiękom dużej mocy

W produkcji cementu i zapraw jednym z głównych wyzwań technicznych jest efektywne wykorzystanie uzupełniających materiałów cementowych. Granulowany żużel wielkopiecowy, czyli GBFS, jest powszechnie stosowany w celu zmniejszenia zawartości klinkieru i poprawy zrównoważonego charakteru produkcji. Jednak grube lub zaglomerowane cząstki żużla często reagują powoli, ograniczając rozwój wytrzymałości wczesnej. Sonikacja oferuje obiecujące rozwiązanie: wykorzystuje kawitację akustyczną o dużej intensywności do dyspergowania aglomeratów, rozdrabniania cząstek i zwiększania liczby reaktywnych miejsc zarodkowania w matrycy cementowej.

Dlaczego sonikacja ma znaczenie dla hydratacji cementu

Zaletą sonikacji jest jej zdolność do bezpośredniego oddziaływania na układ cząstek przed hydratacją i na jej wczesnym etapie. W zawiesinie cementowej kawitacja ultradźwiękowa generuje lokalne siły ścinające, mikrostrumienie i wahania ciśnienia. Efekty te pomagają rozbijać aglomeraty, dyspergować drobne cząstki i odsłaniać świeże powierzchnie mineralne.
Dla producentów cementu i zapraw ma to znaczenie, ponieważ hydratacja jest w dużym stopniu determinowana zjawiskami powierzchniowymi. Lepsza dyspersja i mniejsze reaktywne cząstki mogą zwiększać kontakt między wodą, fazami klinkierowymi a cząstkami żużla. Może to prowadzić do szybszego wydzielania ciepła, poprawy wczesnego twardnienia i uzyskania bardziej zwartej mikrostruktury.
W układach z dodatkiem żużla sonikacja jest szczególnie istotna, ponieważ GBFS często wymaga aktywacji. Ultradźwiękowe rozdrabnianie cząstek GBFS – tak zwana sonofragmentacja – zmniejsza rozmiar cząstek, szczególnie we frakcji 125–250 μm.

Główne zalety sonikacji w produkcji cementu i zapraw

Ultradźwięki dużej mocy wspierają przemysłową produkcję cementu i zapraw na kilka sposobów:

• Lepsza dyspersja cząstek: Sonikacja pomaga bardziej równomiernie dyspergować cement, żużel i drobne cząstki mineralne w zaczynie lub mieszance zaprawy.
• Ograniczona aglomeracja: Obróbka ultradźwiękowa może rozbijać skupiska cząstek i może hamować ponowną aglomerację podczas mieszania.
• Rozdrobnienie ziaren: Grubsze cząstki żużla mogą być rozdrabniane do drobniejszych frakcji, co zwiększa dostępną powierzchnię.
• Więcej miejsc zarodkowania: Rozdrobnione cząstki GBFS mogą działać jako ośrodki zarodkowania produktów hydratacji w matrycy cementowej.
• Przyspieszona hydratacja: Lepsza dyspersja i odsłonięte powierzchnie mogą zwiększać skumulowane wydzielanie ciepła i przyspieszać wczesne twardnienie.
• Wyższa wytrzymałość wczesna: Zaczyny cementowe z dodatkiem żużla poddane sonikacji mogą wykazywać znaczny wzrost wytrzymałości na ściskanie i zginanie już po zaledwie dwóch dniach.
• Ulepszona mikrostruktura: Sonikacja może zwiększać wskaźniki nanoporowatości i modyfikować strukturę porów, szczególnie w zakresie porów 2–10 nm.

Wpływ sonikacji ultradźwiękami dużej mocy (PUS) na prędkość impulsu ultradźwiękowego w hydratyzujących zaczynach cementowych

Szybsze wiązanie i uzyskiwanie wytrzymałości wczesnej w betonie prefabrykowanym dzięki ultradźwiękom dużej mocy

W badaniu „Wpływ ultradźwięków dużej mocy na płynność i wiązanie zaczynów z cementu portlandzkiego” autorstwa Ch. Rößler analizowano zaczyny z cementu portlandzkiego na bazie CEM I 42,5 R, o stosunku w/c wynoszącym 0,37 i z dodatkiem 0,1% superplastyfikatora poliakrylanowego. W badaniu zastosowano sonikator Hielscher UIP1000hd w układzie przepływowym, aby ocenić, czy ultradźwięki dużej mocy mogą przyspieszać hydratację, poprawiać płynność, skracać czas wiązania i zwiększać wytrzymałość wczesną.
Wyniki pokazują, że ultradźwięki dużej mocy (PUS) przyspieszają główny okres hydratacji. Krzywa temperatury wskazuje na wcześniejsze wystąpienie maksimum hydratacji, natomiast obrazy mikrostruktury po pięciu godzinach wykazały większe fazy C-S-H w zaczynie poddanym obróbce ultradźwiękowej niż w zaczynie referencyjnym.
Uzyskane główne korzyści:

• Większa płynność: rozpływ wzrósł ze 122 mm w zaczynie referencyjnym do 158 mm po obróbce PUS.
• Szybsze wiązanie: czas do początku wiązania skrócił się z 5 h 15 min do 3 h 45 min, a czas do końca wiązania z 6 h 45 min do 4 h 30 min.
• Przyspieszony wzrost sztywności: prędkość impulsu ultradźwiękowego wskazywała na twardnienie szybsze o około 2 godziny.
• Wyższa wytrzymałość wczesna: beleczki zaprawy wykonane z zaczynu cementowego poddanego obróbce PUS wykazały zwiększoną wytrzymałość na ściskanie w ciągu pierwszych 24 godzin.
• Potencjał poprawy ekonomiki procesu: autorzy oszacowali, że nakład energii wynoszący około 10 kWh/m³ zaczynu cementowego mógłby przyspieszyć wiązanie i uzyskiwanie wytrzymałości wczesnej o około dwie godziny, przy wskazanym koszcie ≤ 1 Euro/m³ betonu.
• Mniejsze zapotrzebowanie na domieszki: ponieważ PUS zwiększyło płynność, autorzy stwierdzili, że dawkę superplastyfikatora można byłoby potencjalnie zmniejszyć.

Wyniki te są szczególnie istotne dla produkcji betonu prefabrykowanego, w której szybsze wiązanie i uzyskiwanie wytrzymałości wczesnej mogą skrócić czas pozostawania w formach, zmniejszyć zapotrzebowanie na ogrzewanie i skrócić cykle produkcyjne.

Twardość Vickersa i moduł sprężystości zaczynów C + S przygotowanych konwencjonalnie i z wykorzystaniem ultradźwięków dużej mocy po 28 d.
Wykresy i badanie: ©Lisowski et al. 2024.

Wyższa wytrzymałość wczesna zaczynu cementowego z dodatkiem GBFS

Jednym z najważniejszych ustaleń dla przemysłowych zastosowań cementu i zapraw jest poprawa wytrzymałości wczesnej. Według Lisowski et al. (2024) obróbka impulsowymi ultradźwiękami zaczynów cementowych zawierających 20% zdeponowanego GBFS pozwoliła uzyskać znacznie wyższą wytrzymałość po dwóch dniach. Odnotowane wzrosty sięgały nawet 132% w przypadku wytrzymałości na ściskanie i 58% w przypadku wytrzymałości na zginanie.
Ma to duże znaczenie dla betonu prefabrykowanego, suchych mieszanek zapraw, zapraw naprawczych, klejów do płytek i innych wyrobów cementowych, w których wczesne rozformowanie, wczesne uzyskanie wytrzymałości umożliwiającej manipulowanie elementami lub szybki postęp prac budowlanych mają znaczenie ekonomiczne.
Wzrost wytrzymałości był skorelowany ze wzrostem skumulowanego ciepła twardnienia, co sugeruje, że sonikacja nie tylko poprawia fizyczną dyspersję, lecz także intensyfikuje wczesną hydratację. W praktyce oznacza to, że ultradźwięki dużej mocy mogłyby pomóc producentom efektywniej wykorzystywać żużel bez pogarszania właściwości na wczesnym etapie.

Obrazy SEM próbki zaczynu cementowo-żużlowego Cement-GBFS C + S porównujące efekt bez zastosowania i z zastosowaniem ultradźwięków dużej mocy po 28d.
Obrazy i badanie: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentacja zwiększa przydatność grubszych frakcji żużla

Szczególnie cennym wynikiem jest skuteczna aktywacja stosunkowo grubych frakcji GBFS. Badanie wykazało, że frakcja żużla 125–250 μm zapewniała najlepszą wytrzymałość wczesną i po 28 dniach w połączeniu z separacją cząstek zdeponowanego żużla i obróbką ultradźwiękami dużej mocy.
Ma to znaczenie przemysłowe, ponieważ mielenie żużla do bardzo drobnych rozmiarów jest energochłonne. Jeśli sonikacja poprawia reaktywność grubszych lub zdeponowanych frakcji GBFS, producenci mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na mielenie, poprawić efektywność wykorzystania surowców i lepiej wykorzystywać strumienie materiałów wtórnych.
 
Dowiedz się, jak dyspersja ultradźwiękowa ułatwia produkcję zapraw cementowych wzmacnianych nanomateriałami!

Znaczenie przemysłowe: ultradźwięki dużej mocy w efektywnej produkcji cementu i zapraw

Dla przemysłowych producentów cementu i zapraw sonikacja oferuje kilka korzyści strategicznych. Można ją zintegrować jako etap intensyfikacji procesu podczas przygotowywania zawiesiny, aktywacji spoiwa, dyspergowania domieszek lub mieszania zapraw o wysokich parametrach użytkowych. Technologia ta jest szczególnie atrakcyjna w przypadku produktów, których właściwości zależą od rozmieszczenia drobnych cząstek, szybkiej hydratacji i zoptymalizowanego wykorzystania uzupełniających materiałów cementowych.

• Wyższą wytrzymałość wczesną bez zwiększania zawartości klinkieru
• Lepszą aktywację GBFS i innych uzupełniających materiałów cementowych
• Lepsze wykorzystanie grubych lub zdeponowanych frakcji żużla
• Ograniczoną aglomerację w zawiesinach cementowych
• Bardziej jednorodny przebieg hydratacji i twardnienia
• Potencjalne ograniczenie intensywności mielenia wybranych strumieni żużla
• Lepsze właściwości receptur cementu o niskiej zawartości klinkieru i niskim śladzie węglowym

Sprawia to, że sonikacja ma duże znaczenie dla produkcji cementu w sposób zrównoważony, cementu żużlowego, zapraw o wysokich parametrach użytkowych, elementów prefabrykowanych, materiałów naprawczych i specjalistycznych wyrobów budowlanych.

Sonikacja jako narzędzie w technologii cementu o niskim śladzie węglowym

Przemysł cementowy znajduje się pod presją ograniczenia emisji CO₂, a obniżenie współczynnika klinkierowego jest jedną z najbardziej bezpośrednich dróg do tego celu. Jednak większy stopień zastąpienia klinkieru przez GBFS, popiół lotny, glinę kalcynowaną lub inne uzupełniające materiały cementowe może spowolnić rozwój wytrzymałości wczesnej. Ultradźwięki dużej mocy mogą pomóc przezwyciężyć to ograniczenie poprzez poprawę dyspersji, aktywację cząstek i przyspieszenie wczesnej hydratacji.
Sonikacja może zwiększać reaktywność i wytrzymałość mechaniczną zaczynów cementowych z dodatkiem żużla, szczególnie gdy proces jest zoptymalizowany pod kątem frakcji wielkości cząstek i czasu obróbki. Takie połączenie ma duże znaczenie dla projektowania spoiw na skalę przemysłową.

Sonikatory Hielscher poprawiające hydratację cementu, wytrzymałość i reaktywność żużla

Przepływowe sonikatory Hielscher są skutecznym narzędziem poprawy hydratacji i wytrzymałości cementu, szczególnie w układach cementowych z dodatkiem żużla.
Do przemysłowej deaglomeracji i dyspersji cementu wysokowydajne sonikatory Hielscher zapewniają intensywne ścinanie kawitacyjne wymagane do rozbijania aglomeratów cementu, żużla i wypełniaczy mineralnych na drobno zdyspergowane cząstki, poprawiając zwilżanie cząstek, aktywację powierzchni i jednorodność zawiesin cementowych. Systemy Hielscher są dostępne w wersjach stołowych i do skali pilotażowej, aż po wytrzymałe systemy produkcyjne o dużej wydajności, w tym przepływowe sonikatory dużej mocy do ciągłego przetwarzania zaczynu cementowego i zawiesin mineralnych. Umożliwia to bezpośrednie skalowanie opracowywanego procesu od prac badawczo-rozwojowych do pełnej wydajności przemysłowej. Eliminując lub ograniczając potrzebę stosowania mediów mielących, deaglomeracja ultradźwiękowa upraszcza przetwarzanie, minimalizuje ryzyko zanieczyszczenia i zmniejsza nakład pracy związany z czyszczeniem, zapewniając jednocześnie powtarzalną jakość dyspersji. Sonikatory Hielscher oferują zatem producentom cementu i zapraw praktyczną drogę do bardziej jednorodnych układów spoiwowych, lepszej kinetyki hydratacji, lepszego wykorzystania GBFS i innych uzupełniających materiałów cementowych oraz receptur o niskiej zawartości klinkieru i wyższych parametrach użytkowych.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych systemów ultradźwięków dużej mocy:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość z Niemiec

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwość obsługi umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / Źródła

• 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.