A sonicação melhora a hidratação e a resistência do cimento

Os ultrassons de potência, também conhecidos como sonicação, estão a suscitar interesse como tecnologia prática de intensificação para a produção de cimento e argamassa. Estudos recentes mostram que o tratamento ultrassónico pode melhorar a dispersão de partículas, ativar materiais cimentícios suplementares, como a escória granulada de alto-forno (GBFS), acelerar a hidratação, refinar a estrutura porosa e aumentar significativamente a resistência às primeiras idades.

Cimento e argamassa com adição de escória de maior desempenho graças aos ultrassons de potência

No fabrico de cimento e na produção de argamassa, um dos principais desafios técnicos é a utilização eficiente de materiais cimentícios suplementares. A escória granulada de alto-forno, ou GBFS, é amplamente utilizada para reduzir o teor de clínquer e melhorar a sustentabilidade. No entanto, as partículas de escória grossas ou aglomeradas reagem frequentemente de forma lenta, limitando o desenvolvimento da resistência inicial. A sonicação oferece uma solução promissora: utiliza cavitação acústica de alta intensidade para dispersar aglomerados, fragmentar partículas e aumentar o número de locais de nucleação reativos no interior da matriz cimentícia.

Porque é importante a sonicação para a hidratação do cimento

A vantagem da sonicação reside na sua capacidade de atuar diretamente sobre o sistema de partículas antes e durante a hidratação inicial. Numa suspensão cimentícia, a cavitação ultrassónica gera forças de cisalhamento localizadas, microjatos e flutuações de pressão. Estes efeitos ajudam a desfazer aglomerados, dispersar partículas finas e expor novas superfícies minerais.
Para os produtores de cimento e argamassa, isto é importante porque a hidratação é fortemente determinada pelos fenómenos de superfície. Uma melhor dispersão e partículas reativas mais pequenas podem aumentar o contacto entre a água, as fases do clínquer e as partículas de escória. Isto pode conduzir a uma libertação de calor mais rápida, a um melhor endurecimento inicial e a uma microestrutura mais densa.
Nos sistemas com adição de escória, a sonicação é especialmente relevante porque a GBFS requer frequentemente ativação. A fragmentação ultrassónica de partículas de GBFS – a chamada sonofragmentação – reduz o tamanho das partículas, em particular na fração de 125–250 μm.

Principais vantagens da sonicação na produção de cimento e argamassa

Os ultrassons de potência apoiam a produção industrial de cimento e argamassa de várias formas:

• Melhor dispersão de partículas: A sonicação ajuda a dispersar o cimento, a escória e as partículas minerais finas de forma mais uniforme na pasta ou na mistura de argamassa.
• Menor aglomeração: O tratamento ultrassónico pode desfazer conjuntos de partículas e poderá inibir a reaglomeração durante a mistura.
• Refinamento dos grãos: As partículas de escória mais grossas podem ser fragmentadas em frações mais finas, aumentando a área superficial disponível.
• Mais locais de nucleação: As partículas de GBFS fragmentadas podem atuar como centros de nucleação para os produtos de hidratação na matriz cimentícia.
• Hidratação acelerada: Uma melhor dispersão e a exposição de superfícies podem aumentar a libertação acumulada de calor e o endurecimento inicial.
• Maior resistência inicial: As pastas de cimento com adição de escória submetidas a sonicação podem apresentar ganhos substanciais de resistência à compressão e à flexão após apenas dois dias.
• Microestrutura melhorada: A sonicação pode aumentar os indicadores de nanoporosidade e modificar a estrutura porosa, especialmente no intervalo de poros de 2–10 nm.

 

Presa mais rápida e resistência inicial em betão pré-fabricado com ultrassons de potência

O estudo “Influência dos ultrassons de potência na fluidez e na presa de pastas de cimento Portland”, de Ch. Rößler, investiga pastas de cimento Portland à base de CEM I 42,5 R, com uma relação água/cimento de 0,37 e 0,1% de superplastificante de poliacrilato. O estudo utilizou um sonicador Hielscher UIP1000hd numa configuração de fluxo contínuo para avaliar se os ultrassons de potência poderiam acelerar a hidratação, melhorar a fluidez, reduzir o tempo de presa e aumentar a resistência inicial.
Os resultados mostram que os ultrassons de potência (PUS) aceleram o período principal de hidratação. A curva de temperatura demonstra um pico de hidratação mais precoce, enquanto as imagens da microestrutura após cinco horas mostraram fases C-S-H maiores na pasta tratada com ultrassons do que na pasta de referência.
Principais vantagens alcançadas:

• Maior fluidez: o abaixamento aumentou de 122 mm na pasta de referência para 158 mm após o tratamento com PUS.
• Presa mais rápida: o tempo de início de presa foi reduzido de 5 h 15 min para 3 h 45 min, e o tempo de fim de presa de 6 h 45 min para 4 h 30 min.
• Rigidificação acelerada: a velocidade de propagação de impulsos ultrassónicos indicou um endurecimento aproximadamente 2 horas mais rápido.
• Maior resistência inicial: os prismas de argamassa produzidos a partir de pasta de cimento tratada com PUS apresentaram maior resistência à compressão durante as primeiras 24 horas.
• Potencial de economia do processo: os autores estimaram que um aporte de energia de aproximadamente 10 kWh/m³ de pasta de cimento poderia acelerar a presa e o desenvolvimento da resistência inicial em cerca de duas horas, com um custo indicado de ≤ 1 Euro/m³ de betão.
• Menor necessidade de adjuvantes: uma vez que os PUS aumentaram a fluidez, os autores concluíram que a dosagem de superplastificante poderia potencialmente ser reduzida.

Estes resultados são especialmente relevantes para a produção de betão pré-fabricado, em que uma presa mais rápida e a resistência inicial podem reduzir o tempo de permanência na cofragem, as necessidades de aquecimento e os tempos dos ciclos de produção.

 

 

Maior resistência inicial em pasta de cimento com adição de GBFS

Uma das conclusões mais importantes para as aplicações industriais de cimento e argamassa é a melhoria da resistência às primeiras idades. Segundo Lisowski et al. (2024), o tratamento com ultrassons pulsados de pastas de cimento contendo 20% de GBFS depositada produziu uma resistência consideravelmente superior após dois dias. Os aumentos registados atingiram até 132% na resistência à compressão e 58% na resistência à flexão.
Isto é altamente relevante para o betão pré-fabricado, as argamassas de mistura seca, as argamassas de reparação, os cimentos-cola e outros produtos cimentícios em que a desmoldagem precoce, a resistência para manuseamento precoce ou o avanço rápido da construção têm importância económica.
O aumento da resistência foi correlacionado com o aumento do calor acumulado de endurecimento, sugerindo que a sonicação não melhora apenas a dispersão física, mas também intensifica a hidratação inicial. Em termos práticos, isto significa que os ultrassons de potência poderiam ajudar os produtores a utilizar a escória de forma mais eficaz sem sacrificar o desempenho inicial.

 

 

A sonofragmentação torna as frações de escória mais grossas mais úteis

Um resultado particularmente valioso é a ativação eficaz de frações de GBFS relativamente grossas. O estudo constatou que a fração de escória de 125–250 μm proporcionou a melhor resistência às primeiras idades e aos 28 dias quando combinada com a separação de partículas de escória depositada e o tratamento com ultrassons de potência.
Isto é significativo do ponto de vista industrial porque a moagem da escória até dimensões muito finas exige muita energia. Se a sonicação melhorar a reatividade das frações de GBFS mais grossas ou depositadas, os produtores podem reduzir as necessidades de moagem, melhorar a eficiência da utilização de matérias-primas e aproveitar melhor os fluxos de materiais secundários.
 
Saiba como a dispersão ultrassónica facilita a produção de argamassas de cimento nanorreforçadas!

Relevância industrial: ultrassons de potência para uma produção eficiente de cimento e argamassa

Para os produtores industriais de cimento e argamassa, a sonicação oferece várias vantagens estratégicas. Pode ser integrada como uma etapa de intensificação do processo durante a preparação de suspensões, a ativação de ligantes, a dispersão de adjuvantes ou a mistura de argamassas de elevado desempenho. A tecnologia é especialmente atrativa para produtos que dependem da distribuição de partículas finas, de uma hidratação rápida e da utilização otimizada de materiais cimentícios suplementares.

As vantagens industriais da produção ultrassónica de cimento incluem:

• Maior resistência inicial sem aumentar o teor de clínquer
• Melhor ativação da GBFS e de outros materiais cimentícios suplementares
• Melhor utilização de frações de escória grossas ou depositadas
• Menor aglomeração em suspensões cimentícias
• Comportamento de hidratação e endurecimento mais consistente
• Potencial redução da intensidade de moagem para determinados fluxos de escória
• Melhor desempenho de formulações de cimento com baixo teor de clínquer e baixas emissões de carbono

Isto torna a sonicação altamente relevante para a produção de cimento sustentável, cimento de escória, argamassas de elevado desempenho, elementos pré-fabricados, materiais de reparação e produtos de construção especiais.

A sonicação como ferramenta para a tecnologia de cimento com baixas emissões de carbono

A indústria do cimento está sob pressão para reduzir as emissões de CO₂, e diminuir o fator de clínquer é uma das vias mais diretas. No entanto, níveis mais elevados de substituição por GBFS, cinzas volantes, argila calcinada ou outros materiais cimentícios suplementares podem abrandar o desenvolvimento da resistência inicial. Os ultrassons de potência poderão ajudar a superar este entrave, melhorando a dispersão, ativando as partículas e acelerando a hidratação inicial.
A sonicação pode tornar as pastas de cimento com adição de escória mais reativas e mecanicamente mais resistentes, especialmente quando o processo é otimizado em função da fração granulométrica e do tempo de tratamento. Esta combinação é altamente relevante para a engenharia de ligantes à escala industrial.

Sonicadores Hielscher para melhorar a hidratação e a resistência do cimento e a reatividade da escória

Os sonicadores Hielscher em linha são uma ferramenta potente para melhorar a hidratação e a resistência do cimento, particularmente em sistemas cimentícios com adição de escória.
Para a desaglomeração e dispersão industrial do cimento, os sonicadores Hielscher de elevado desempenho proporcionam o intenso cisalhamento por cavitação necessário para desfazer aglomerados de cimento, escória e fíleres minerais em partículas finamente dispersas, melhorando a molhagem das partículas, a ativação das superfícies e a homogeneidade das suspensões cimentícias. Os sistemas Hielscher estão disponíveis desde a escala de bancada e piloto até sistemas robustos de produção com elevada capacidade de processamento, incluindo sonicadores em linha de alta potência para o processamento contínuo de caldas de cimento e suspensões minerais. Isto permite transpor diretamente o desenvolvimento do processo da I&D para a capacidade plena de processamento industrial. Ao eliminar ou reduzir a necessidade de meios de moagem, a desaglomeração ultrassónica simplifica o processamento, minimiza os riscos de contaminação e reduz o esforço de limpeza, proporcionando simultaneamente uma qualidade de dispersão reprodutível. Para os fabricantes de cimento e argamassa, os sonicadores Hielscher oferecem, assim, uma via prática para sistemas de ligantes mais uniformes, uma melhor cinética de hidratação, uma melhor utilização da GBFS e de outros materiais cimentícios suplementares e formulações com baixo teor de clínquer de maior desempenho.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sistemas de ultrassons de potência:

Conceção, fabrico e consultoria – qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais elevado nível. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração sem dificuldades dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições severas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a sonicadores de elevado desempenho que incorporam tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

---

---

 

Bibliografia / Referências

• 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.