A sonicação melhora a hidratação e a resistência do cimento

O ultrassom de potência, também conhecido como sonicação, está a ganhar destaque como uma tecnologia prática de intensificação para a produção de cimento e argamassa. Estudos recentes demonstram que o tratamento por ultrassom pode melhorar a dispersão das 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 na fase inicial.

Cimento e argamassa com mistura de escória de alto desempenho, produzidos com ultrassom de alta potência

Na fabricação 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 precoce da resistência. A sonicação oferece uma solução promissora: utiliza cavitação acústica de alta intensidade para dispersar aglomerados, fragmentar partículas e aumentar o número de sítios de nucleação reativos no interior da matriz do cimento.

Por que razão a sonicação é importante 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 fase inicial de hidratação. Numa suspensão cimentícia, a cavitação ultrassónica gera forças de cisalhamento localizadas, microjatos e flutuações de pressão. Estes efeitos ajudam a quebrar aglomerados, a dispersar partículas finas e a expor superfícies minerais recentes.
Para os produtores de cimento e argamassa, isto é importante porque a hidratação é um processo fortemente dependente da 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 mais rápida de calor, a um endurecimento inicial melhorado e a uma microestrutura mais densa.
Nos sistemas com mistura de escória, a sonicação reveste-se de especial importância, uma vez que o GBFS requer frequentemente ativação. Fragmentação de partículas por ultrassons – a chamada sonofragmentação – das partículas de GBFS reduz o tamanho das partículas, em particular a fração de 125–250 μm.

Principais vantagens da sonicação na produção de cimento e argamassa

O ultrassom de alta potência apoia a produção industrial de cimento e argamassa de várias formas:

• Melhoria na dispersão das 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.
• Aglomeração reduzida: O tratamento por ultrassons pode decompor aglomerados de partículas e pode inibir a reaglomeração durante a mistura.
• Refinamento de grãos: As partículas de escória de granulometria mais grossa podem ser fragmentadas em frações mais finas, aumentando a área de superfície disponível.
• Mais locais de nucleação: As partículas fragmentadas de GBFS podem funcionar como centros de nucleação para os produtos de hidratação na matriz de cimento.
• Hidratação acelerada: Uma melhor dispersão e superfícies expostas podem aumentar a libertação cumulativa de calor e acelerar o endurecimento.
• Maior resistência inicial: As pastas de cimento misturadas com escória tratada por ultrassons podem apresentar aumentos substanciais na resistência à compressão e à flexão após apenas dois dias.
• Microestrutura melhorada: A sonicação pode aumentar os indicadores de nanoporosidade e alterar a estrutura dos poros, especialmente na gama de poros de 2 a 10 nm.

 

Prégua mais rápida e resistência precoce no betão pré-fabricado com ultrassons de alta potência

O estudo “Influência do ultrassom de potência na fluidez e na fixação de pastas de cimento Portland” O estudo de Ch. Rößler analisa 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 o ultrassom de potência poderia acelerar a hidratação, melhorar a fluidez, encurtar o tempo de presa e aumentar a resistência inicial.
Os resultados mostram que o ultrassom de potência (PUS) acelera o período principal de hidratação. A curva de temperatura revela um pico de hidratação mais precoce, enquanto as imagens da microestrutura após cinco horas revelaram fases de C-S-H maiores na pasta tratada com ultrassom do que na amostra de referência.
Principais vantagens alcançadas:

• Maior fluidez: A queda aumentou de 122 mm na pasta de referência para 158 mm após o tratamento com PUS.
• Secagem mais rápida: A primeira parte foi encurtada de 5 h 15 min para 3 h 45 min, e a última parte de 6 h 45 min para 4 h 30 min.
• Rigidificação acelerada: A velocidade do pulso ultrassónico 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 um aumento da resistência à compressão durante as primeiras 24 horas.
• Potencial de eficiência do processo: Os autores estimaram que um consumo de energia de aproximadamente 10 kWh/m³ de pasta de cimento poderia acelerar a presa e a resistência inicial em cerca de duas horas, com um custo estimado de ≤ 1 euro/m³ de betão.
• Redução da procura de aditivos: uma vez que o PUS aumentou a fluidez, os autores concluíram que a dosagem do superplastificante poderia, potencialmente, ser reduzida.

Estes resultados são especialmente relevantes para a produção de betão pré-fabricado, onde uma presa mais rápida e uma resistência inicial mais precoce podem reduzir o tempo de cofragem, a procura de aquecimento e os tempos de ciclo de produção.

 

 

Maior resistência inicial na pasta de cimento misturada com GBFS

Uma das conclusões mais importantes para as aplicações industriais de cimento e argamassa é a melhoria da resistência em fase inicial. De acordo com Lisowski et al. (2024), o tratamento por ultrassons pulsados de pastas de cimento contendo 20 % de GBFS depositado resultou numa resistência consideravelmente superior após dois dias. Os aumentos registados atingiram até 132% na resistência à compressão e 58% na resistência à flexão.
Isto é extremamente relevante para o betão pré-fabricado, argamassas de mistura seca, argamassas de reparação, colas para azulejos e outros produtos cimentícios, nos quais a desmoldagem precoce, a resistência precoce à manipulação ou o rápido avanço da construção são economicamente importantes.
O aumento da resistência esteve correlacionado com um aumento do calor cumulativo de endurecimento, sugerindo que a sonicação não se limita a melhorar a dispersão física, mas também intensifica a hidratação inicial. Em termos práticos, isto significa que o ultrassom de potência poderia ajudar os produtores a utilizar a escória de forma mais eficaz, sem sacrificar o desempenho inicial.

 

 

A sonofragmentação torna as frações mais grossas da escória mais úteis

Um resultado particularmente valioso é a ativação eficaz de frações relativamente grossas de GBFS. O estudo concluiu que a fração de escória de 125–250 μm proporcionou a melhor resistência tanto na fase inicial como aos 28 dias, quando combinada com a separação das partículas de escória depositadas e o tratamento por ultrassons de alta potência.
Isto reveste-se de importância industrial, uma vez que a moagem de escória até granulometria muito fina é um processo que consome muita energia. Se a sonicação melhorar a reatividade das frações mais grossas ou depositadas de GBFS, os produtores poderão reduzir a necessidade de moagem, melhorar a eficiência da matéria-prima e tirar melhor partido dos fluxos de materiais secundários.
 
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Relevância industrial: Ultrassom de alta potência para a 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 da pasta, a ativação do ligante, a dispersão de aditivos ou a mistura de argamassas de alto desempenho. A tecnologia é especialmente interessante para produtos que dependem da distribuição de partículas finas, da hidratação rápida e da utilização otimizada de materiais cimentícios suplementares.

As vantagens industriais da produção de cimento por ultrassons incluem:

• Maior resistência inicial sem aumentar o teor de clínquer
• Melhor ativação do GBFS e de outros materiais cimentícios suplementares
• Melhoria na utilização de frações de escória de granulometria grossa ou depositada
• Redução da aglomeração em suspensões cimentícias
• Comportamento mais consistente na hidratação e no endurecimento
• Possível redução da intensidade de moagem para fluxos de escória selecionados
• Melhoria do desempenho das formulações de cimento com baixo teor de clínquer e baixo teor de carbono

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

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

A indústria do cimento está sob pressão para reduzir as emissões de CO₂, e a diminuição do fator de clínquer é uma das vias mais diretas para o efeito. No entanto, níveis mais elevados de substituição por GBFS, cinzas volantes, argila calcinada ou outros materiais cimentícios suplementares podem retardar o desenvolvimento da resistência inicial. O ultrassom de alta potência pode ajudar a superar este obstáculo, melhorando a dispersão, ativando as partículas e acelerando a hidratação inicial.
A sonicação pode tornar as pastas de cimento com mistura de escória mais reativas e mecanicamente mais resistentes, especialmente quando o processo é otimizado em termos de fração granulométrica e tempo de tratamento. Essa combinação é extremamente relevante para a engenharia de ligantes à escala industrial.

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

Os sonicadores em linha da Hielscher são uma ferramenta poderosa para melhorar a hidratação e a resistência do cimento, especialmente em sistemas cimentícios com mistura de escória.
Para a desaglomeração e dispersão industrial do cimento, os sonicadores de alto desempenho da Hielscher proporcionam o cisalhamento cavitacional intenso necessário para quebrar aglomerados de cimento, escória e enchimentos minerais em partículas finamente dispersas, melhorando a humedecimento das partículas, a ativação da superfície e a homogeneidade nas pastas cimentícias. Os sistemas da Hielscher estão disponíveis desde modelos de bancada e em escala piloto até sistemas de produção robustos de alto rendimento, incluindo sonicadores em linha de alta potência para o processamento contínuo de argamassa de cimento e suspensões minerais. Isto torna o desenvolvimento do processo diretamente escalável desde a fase de I&D&D até à capacidade industrial total. 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, ao mesmo tempo que proporciona uma qualidade de dispersão reprodutível. Para os fabricantes de cimento e argamassa, os sonicadores da Hielscher oferecem, portanto, uma via prática para sistemas de ligantes mais uniformes, cinética de hidratação melhorada, melhor utilização de GBFS e outros materiais cimentícios suplementares, bem como formulações de baixo teor de clínquer com desempenho superior.

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

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

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Literatura / 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.