Ultradźwiękowanie poprawia hydratację i wytrzymałość cementu

Ultradźwięki o dużej mocy, znane również jako sonikacja, zyskują na popularności jako praktyczna technologia usprawniająca produkcję cementu i zapraw. Najnowsze badania wskazują, że obróbka ultradźwiękowa może poprawić dyspersję cząstek, aktywować dodatkowe materiały cementowe, takie jak granulowany żużel wielkopiecowy (GBFS), przyspieszyć hydratację, udoskonalić strukturę porów oraz znacznie zwiększyć wytrzymałość w początkowym okresie.

Cement i zaprawa o podwyższonej wydajności z dodatkiem żużla, wytwarzane przy użyciu ultradźwięków o dużej mocy

W produkcji cementu i zapraw jednym z głównych wyzwań technicznych jest efektywne wykorzystanie dodatków cementowych. Żużel wielkopiecowy granulowany (GBFS) jest szeroko stosowany w celu zmniejszenia zawartości klinkieru i poprawy zrównoważonego rozwoju. Jednak gruboziarniste lub zbite cząstki żużla często reagują powoli, co ogranicza wczesny rozwój wytrzymałości. Obiecującym rozwiązaniem jest sonikacja: wykorzystuje ona kawitację akustyczną o wysokiej intensywności do rozbijania aglomeratów, rozdrobnienia cząstek oraz zwiększenia liczby reaktywnych miejsc nukleacji wewnątrz matrycy cementowej.

Dlaczego sonikacja ma znaczenie dla hydratacji cementu

Zaletą sonikacji jest jej zdolność do bezpośredniego oddziaływania na układ cząstek przed rozpoczęciem hydratacji oraz w jej wczesnej fazie. W zawiesinie cementowej kawitacja ultradźwiękowa generuje miejscowe siły ścinające, mikrostrumienie oraz wahania ciśnienia. Efekty te pomagają rozbijać aglomeraty, dyspergować drobne cząstki oraz odsłaniać świeże powierzchnie minerałów.
Dla producentów cementu i zapraw ma to duże znaczenie, ponieważ proces hydratacji przebiega głównie na powierzchni. Lepsze rozproszenie i mniejsze cząstki reaktywne mogą zwiększyć kontakt między wodą, fazami klinkieru i cząstkami żużlu. Może to prowadzić do szybszego uwalniania ciepła, lepszego wczesnego twardnienia oraz uzyskania gęstszej mikrostruktury.
W systemach z domieszką żużlu ultradźwiękowanie ma szczególne znaczenie, ponieważ GBFS często wymaga aktywacji. Rozdrabnianie cząstek za pomocą ultradźwięków – tzw. sonofragmentacja – Cząstki GBFS zmniejszają wielkość cząstek, zwłaszcza frakcji o wielkości 125–250 μm.

Główne zalety zastosowania ultradźwięków w produkcji cementu i zapraw

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

• Lepsze rozproszenie cząstek: Ultradźwiękowanie pomaga w bardziej równomiernym rozproszeniu cząstek cementu, żużlu i drobnych cząstek mineralnych w masie lub zaprawie.
• Ograniczone tworzenie się aglomeratów: Obróbka ultradźwiękowa może rozbijać skupiska cząstek i może zapobiegać ich ponownemu aglomerowaniu podczas mieszania.
• Uszlachetnianie ziarna: Grubsze cząstki żużla można rozdrobnić na drobniejsze frakcje, zwiększając w ten sposób powierzchnię aktywną.
• Więcej miejsc nukleacji: Rozdrobnione cząstki GBFS mogą pełnić rolę ośrodków nukleacji dla produktów hydratacji w matrycy cementowej.
• Przyspieszone nawodnienie: Lepsze rozproszenie oraz odsłonięte powierzchnie mogą zwiększyć skumulowane wydzielanie ciepła i przyspieszyć wiązanie.
• Wyższa wytrzymałość początkowa: Pasty cementowe z domieszką żużla, poddane obróbce ultradźwiękowej, mogą wykazywać znaczny wzrost wytrzymałości na ściskanie i zginanie już po dwóch dniach.
• Ulepszona mikrostruktura: Ultradźwiękowanie może zwiększyć wskaźniki nanoporowatości oraz zmodyfikować strukturę porów, zwłaszcza w zakresie wielkości porów wynoszącym 2–10 nm.

 

Szybsze wiązanie i wcześniejsze osiągnięcie wytrzymałości w prefabrykatach betonowych dzięki zastosowaniu ultradźwięków o dużej mocy

Badanie “Wpływ ultradźwięków na płynność i wiązanie past z cementu portlandzkiego” W pracy autorstwa Ch. Rößlera zbadano pasty cementowe typu portland na bazie cementu CEM I 42,5 R, o stosunku woda/cement wynoszącym 0,37 oraz z dodatkiem 0,1% superplastyfikatora poliakrylowego. W badaniu wykorzystano ultradźwiękowiec Hielscher UIP1000hd w układzie przepływowym w celu oceny, czy ultradźwięki o dużej mocy mogą przyspieszyć hydratację, poprawić płynność, skrócić czas wiązania oraz zwiększyć wytrzymałość wczesną.
Wyniki wskazują, że ultradźwięki o dużej mocy (PUS) przyspieszają główny etap wiązania. Krzywa temperatury wskazuje na wcześniejszy szczyt wiązania, natomiast zdjęcia mikrostruktury wykonane po pięciu godzinach wykazały większe fazy C-S-H w paście poddanej działaniu ultradźwięków niż w próbce referencyjnej.
Najważniejsze osiągnięte korzyści:

• Większa płynność: Opad wzrósł ze 122 mm w paście referencyjnej do 158 mm po obróbce metodą PUS.
• Szybsze wiązanie: czas trwania pierwszego seta skrócono z 5 godz. 15 min do 3 godz. 45 min, a ostatniego seta z 6 godz. 45 min do 4 godz. 30 min.
• Przyspieszone utwardzanie: Prędkość impulsu ultradźwiękowego wskazywała na około 2 godziny szybsze twardnienie.
• Wyższa wytrzymałość początkowa: Pryzmaty zaprawowe wykonane z pasty cementowej poddanej obróbce PUS wykazały wzrost wytrzymałości na ściskanie w ciągu pierwszych 24 godzin.
• Potencjał w zakresie oszczędności procesowych: Autorzy oszacowali, że dostarczenie energii w ilości około 10 kWh/m³ pasty cementowej może przyspieszyć wiązanie i osiągnięcie wczesnej wytrzymałości o około dwie godziny, przy szacowanym koszcie wynoszącym ≤ 1 euro/m³ betonu.
• Zmniejszone zapotrzebowanie na domieszki: Ponieważ PUS zwiększył płynność, autorzy doszli do wniosku, że dawkę superplastyfikatora można potencjalnie zmniejszyć.

Wyniki te mają szczególne znaczenie w produkcji prefabrykatów betonowych, gdzie szybsze wiązanie i wczesna wytrzymałość mogą skrócić czas szalowania, zmniejszyć zapotrzebowanie na ogrzewanie oraz skrócić czas trwania cyklu produkcyjnego.

 

 

Większa wytrzymałość początkowa pasty cementowej z dodatkiem GBFS

Jednym z najważniejszych wyników badań dotyczących przemysłowych zastosowań cementu i zapraw jest poprawa wytrzymałości w początkowym okresie dojrzewania. Według Lisowskiego i in. (2024) obróbka impulsami ultradźwiękowymi past cementowych zawierających 20% osadzonego GBFS zapewniła znacznie wyższą wytrzymałość po dwóch dniach. Odnotowany wzrost wyniósł aż 132% w przypadku wytrzymałości na ściskanie i 58% w przypadku wytrzymałości na zginanie.
Ma to ogromne znaczenie w przypadku prefabrykatów betonowych, zapraw suchomieszankowych, zapraw naprawczych, klejów do płytek oraz innych produktów cementowych, w przypadku których wczesne wyjęcie z formy, wczesna wytrzymałość na obciążenia robocze lub szybki postęp prac budowlanych mają istotne znaczenie ekonomiczne.
Wzrost wytrzymałości był powiązany ze wzrostem skumulowanego ciepła twardnienia, co sugeruje, że sonikacja nie tylko poprawia fizyczne rozproszenie, ale także intensyfikuje wczesną hydratację. W praktyce oznacza to, że ultradźwięki o dużej mocy mogą pomóc producentom w bardziej efektywnym wykorzystaniu żużlu bez utraty wczesnych właściwości użytkowych.

 

 

Dzięki sonofragmentacji grubsze frakcje żużla stają się bardziej przydatne

Szczególnie cennym wynikiem jest skuteczna aktywacja stosunkowo gruboziarnistych frakcji GBFS. Badanie wykazało, że frakcja żużla o wielkości ziaren 125–250 μm zapewniła najlepszą wytrzymałość wczesną oraz wytrzymałość po 28 dniach w połączeniu z separacją osadzonych cząstek żużla i obróbką ultradźwiękami o dużej mocy.
Ma to znaczenie przemysłowe, ponieważ rozdrabnianie żużla do bardzo drobnych frakcji jest procesem energochłonnym. Jeśli sonikacja poprawi reaktywność grubszych lub osadzonych frakcji GBFS, producenci będą mogli zmniejszyć zapotrzebowanie na rozdrabnianie, zwiększyć efektywność wykorzystania surowców oraz lepiej wykorzystać strumienie materiałów wtórnych.
 
Dowiedz się, w jaki sposób dyspersja ultradźwiękowa ułatwia produkcję zapraw cementowych wzmocnionych nanomateriałami!

Znaczenie dla przemysłu: Ultradźwięki o dużej mocy w wydajnej produkcji cementu i zaprawy

Dla przemysłowych producentów cementu i zapraw ultradźwiękowanie oferuje szereg strategicznych korzyści. Można je włączyć jako etap intensyfikacji procesu podczas przygotowywania zawiesiny, aktywacji spoiwa, dyspersji domieszek lub mieszania zapraw o wysokiej wydajności. Technologia ta jest szczególnie atrakcyjna w przypadku produktów, w których kluczowe znaczenie ma rozkład cząstek o drobnej wielkości, szybkie wiązanie oraz optymalne wykorzystanie dodatkowych materiałów cementowych.

Korzyści przemysłowe wynikające z ultradźwiękowej produkcji cementu obejmują:

• Wyższa wytrzymałość początkowa bez zwiększania zawartości klinkieru
• Lepsza aktywacja GBFS i innych dodatkowych materiałów cementowych
• Lepsze wykorzystanie gruboziarnistych lub osadzonych frakcji żużlu
• Zmniejszone aglomerowanie w zawiesinach cementowych
• Bardziej spójne zachowanie w zakresie nawilżania i utwardzania
• Możliwe zmniejszenie intensywności mielenia w przypadku wybranych strumieni żużlu
• Poprawa właściwości mieszanek cementowych o niskiej zawartości klinkieru i niskiej emisji dwutlenku węgla

Dzięki temu sonikacja ma ogromne znaczenie dla produkcji cementu ekologicznego, cementu żużlowego, zapraw o wysokiej wydajności, elementów prefabrykowanych, materiałów naprawczych oraz specjalistycznych produktów budowlanych.

Ultradźwiękowanie jako narzędzie w technologii cementu niskoemisyjnego

Przemysł cementowy znajduje się pod presją, by ograniczyć emisję CO₂, a obniżenie współczynnika klinkieru jest jednym z najbardziej bezpośrednich sposobów osiągnięcia tego celu. Jednak zwiększenie udziału GBFS, popiołu lotnego, gliny kalcynowanej lub innych dodatkowych materiałów cementowych może spowolnić rozwój wczesnej wytrzymałości. Ultradźwięki o dużej mocy mogą pomóc w pokonaniu tej przeszkody poprzez poprawę dyspersji, aktywację cząstek i przyspieszenie wczesnej hydratacji.
Wykorzystanie ultradźwięków może zwiększyć reaktywność i wytrzymałość mechaniczną past cementowych z domieszką żużlu, zwłaszcza gdy proces ten jest zoptymalizowany pod kątem rozkładu wielkości cząstek i czasu obróbki. Takie połączenie ma ogromne znaczenie dla inżynierii spoiw na skalę przemysłową.

Urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher do poprawy hydratacji cementu, wytrzymałości i reaktywności żużla

Sonikatory typu inline firmy Hielscher stanowią skuteczne narzędzie służące do poprawy hydratacji i wytrzymałości cementu, zwłaszcza w systemach cementowych z dodatkiem żużlu.
W przypadku przemysłowego rozbijania aglomeratów i dyspersji cementu wysokowydajne sonikatory firmy Hielscher zapewniają intensywne ścinanie kawitacyjne niezbędne do rozbicia aglomeratów cementu, żużlu i wypełniaczy mineralnych na drobno zdyspergowane cząstki, poprawiając zwilżanie cząstek, aktywację powierzchniową oraz jednorodność zawiesin cementowych. Systemy firmy Hielscher są dostępne w wersjach od stołowych i pilotażowych po solidne systemy produkcyjne o wysokiej wydajności, w tym ultradźwiękowce rzędowe o dużej mocy do ciągłej obróbki zapraw cementowych i zawiesin mineralnych. Dzięki temu opracowywanie procesów można bezpośrednio skalować od etapu badań R&D&Od D do pełnej wydajności przemysłowej. Dzięki wyeliminowaniu lub ograniczeniu zapotrzebowania na środki mielące, deaglomeracja ultradźwiękowa upraszcza proces przetwarzania, minimalizuje ryzyko zanieczyszczeń i zmniejsza nakład pracy związany z czyszczeniem, zapewniając jednocześnie powtarzalną jakość dyspersji. Dla producentów cementu i zapraw sonikatory firmy Hielscher stanowią zatem praktyczną drogę do uzyskania bardziej jednolitych systemów wiążących, poprawy kinetyki hydratacji, lepszego wykorzystania GBFS i innych dodatkowych materiałów cementowych oraz receptur o niższej zawartości klinkieru i wyższej wydajności.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjne wydajności przetwarzania naszych systemów ultradźwiękowych o dużej mocy:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

---

---

 

Literatura / Referencje

• 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.