Sonicarea îmbunătățește hidratarea și rezistența cimentului

Ultrasunetele de putere, cunoscute și sub denumirea de sonicare, atrag tot mai multă atenție ca tehnologie practică de intensificare pentru producția de ciment și mortar. Cercetări recente arată că tratamentul cu ultrasunete poate îmbunătăți dispersia particulelor, poate activa materiale cimentoase suplimentare, precum zgura granulată de furnal (GBFS), poate accelera hidratarea, poate rafina structura porilor și poate crește semnificativ rezistența la vârste timpurii.

Ciment și mortar cu adaos de zgură, cu performanțe superioare, prin ultrasunete de putere

În fabricarea cimentului și în producția de mortar, una dintre provocările tehnice majore este utilizarea eficientă a materialelor cimentoase suplimentare. Zgura granulată de furnal, sau GBFS, este utilizată pe scară largă pentru a reduce conținutul de clincher și a îmbunătăți sustenabilitatea. Cu toate acestea, particulele de zgură grosiere sau aglomerate reacționează adesea lent, limitând dezvoltarea rezistenței timpurii. Sonicarea oferă o soluție promițătoare: utilizează cavitația acustică de înaltă intensitate pentru a dispersa aglomeratele, a fragmenta particulele și a crește numărul de situri de nucleație reactive din matricea de ciment.

De ce contează sonicarea pentru hidratarea cimentului

Avantajul sonicării constă în capacitatea sa de a acționa direct asupra sistemului de particule înainte de și în timpul hidratării timpurii. Într-o suspensie cimentoasă, cavitația ultrasonică generează forțe de forfecare localizate, microjeturi și fluctuații de presiune. Aceste efecte contribuie la spargerea aglomeratelor, la dispersarea particulelor fine și la expunerea unor suprafețe minerale proaspete.
Pentru producătorii de ciment și mortar, acest lucru este important deoarece hidratarea este puternic determinată de suprafață. O dispersie mai bună și particule reactive mai mici pot crește contactul dintre apă, fazele de clincher și particulele de zgură. Aceasta poate conduce la o degajare mai rapidă de căldură, o întărire timpurie îmbunătățită și o microstructură mai densă.
În sistemele cu adaos de zgură, sonicarea este deosebit de relevantă, deoarece GBFS necesită adesea activare. Fragmentarea ultrasonică a particulelor – așa-numita sonofragmentare – a particulelor de GBFS reduce dimensiunea particulelor, în special a fracției de 125–250 μm.

Avantajele cheie ale sonicării în producția de ciment și mortar

Ultrasunetele de putere sprijină producția industrială de ciment și mortar în mai multe moduri:

• Dispersie îmbunătățită a particulelor: Sonicarea ajută la dispersarea mai uniformă a particulelor de ciment, zgură și minerale fine în pastă sau în amestecul de mortar.
• Aglomerare redusă: Tratamentul cu ultrasunete poate descompune grupările de particule și poate inhiba reaglomerarea în timpul amestecării.
• Rafinarea granulației: Particulele de zgură mai grosiere pot fi fragmentate în fracții mai fine, crescând suprafața disponibilă.
• Mai multe situri de nucleație: Particulele de GBFS fragmentate pot acționa drept centre de nucleație pentru produșii de hidratare din matricea de ciment.
• Hidratare accelerată: O dispersie mai bună și suprafețele expuse pot crește degajarea cumulată de căldură și întărirea timpurie.
• Rezistență timpurie mai mare: Pastele de ciment cu adaos de zgură supuse sonicării pot prezenta creșteri substanțiale ale rezistenței la compresiune și la încovoiere după doar două zile.
• Microstructură îmbunătățită: Sonicarea poate crește indicatorii de nanoporozitate și poate modifica structura porilor, în special în domeniul porilor de 2–10 nm.

 

Priză mai rapidă și rezistență timpurie în betonul prefabricat cu ultrasunete de putere

Studiul „Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes” realizat de Ch. Rößler investighează paste de ciment Portland pe bază de CEM I 42,5 R, cu un raport apă/ciment (w/c) de 0,37 și 0,1% superplastifiant pe bază de poliacrilat. Studiul a utilizat un sonicator Hielscher UIP1000hd într-o configurație cu flux continuu pentru a evalua dacă ultrasunetele de putere ar putea accelera hidratarea, îmbunătăți fluiditatea, scurta priza și crește rezistența timpurie.
Rezultatele arată că ultrasunetele de putere (PUS) accelerează perioada principală de hidratare. Curba de temperatură demonstrează un vârf de hidratare mai timpuriu, în timp ce imaginile microstructurii după cinci ore au arătat faze C-S-H mai mari în pasta tratată cu ultrasunete decât în proba de referință.
Avantaje cheie obținute:

• Fluiditate mai mare: tasarea a crescut de la 122 mm în pasta de referință la 158 mm după tratamentul PUS.
• Priză mai rapidă: începutul prizei a fost scurtat de la 5 h 15 min la 3 h 45 min, iar sfârșitul prizei de la 6 h 45 min la 4 h 30 min.
• Rigidizare accelerată: viteza impulsurilor ultrasonice a indicat o întărire cu aproximativ 2 ore mai rapidă.
• Rezistență timpurie mai mare: prismele de mortar produse din pastă de ciment tratată PUS au prezentat o rezistență la compresiune crescută în primele 24 de ore.
• Potențial de economie a procesului: autorii au estimat că un aport de energie de aproximativ 10 kWh/m³ de pastă de ciment ar putea accelera priza și rezistența timpurie cu aproximativ două ore, la un cost indicat de ≤ 1 Euro/m³ de beton.
• Necesar redus de aditivi: deoarece PUS a crescut fluiditatea, autorii au concluzionat că doza de superplastifiant ar putea fi, potențial, redusă.

Aceste rezultate sunt deosebit de relevante pentru producția de beton prefabricat, unde priza mai rapidă și rezistența timpurie pot reduce timpul de cofrare, necesarul de încălzire și duratele ciclurilor de producție.

 

Rezistență timpurie mai mare în pasta de ciment cu adaos de GBFS

Una dintre cele mai importante constatări pentru aplicațiile industriale de ciment și mortar este îmbunătățirea rezistenței la vârste timpurii. Potrivit Lisowski et al. (2024), tratamentul cu ultrasunete în regim pulsat al pastelor de ciment care conțin 20% GBFS depozitată a produs o rezistență considerabil mai mare după două zile. Creșterile raportate au atins până la 132% la rezistența la compresiune și 58% la rezistența la încovoiere.
Acest lucru este foarte relevant pentru betonul prefabricat, mortarul uscat, mortarele de reparații, adezivii pentru plăci ceramice și alte produse cimentoase la care decofrarea timpurie, rezistența timpurie la manipulare sau progresul rapid al construcției sunt importante din punct de vedere economic.
Creșterea rezistenței a fost corelată cu creșterea căldurii cumulate de întărire, ceea ce sugerează că sonicarea nu doar îmbunătățește dispersia fizică, ci și intensifică hidratarea timpurie. În termeni practici, aceasta înseamnă că ultrasunetele de putere ar putea ajuta producătorii să utilizeze zgura mai eficient, fără a sacrifica performanța timpurie.

 

Sonofragmentarea face fracțiile de zgură mai grosiere mai utile

Un rezultat deosebit de valoros este activarea eficientă a fracțiilor de GBFS relativ grosiere. Studiul a constatat că fracția de zgură de 125–250 μm a oferit cea mai bună rezistență la vârste timpurii și la 28 de zile atunci când a fost combinată cu separarea particulelor de zgură depozitată și cu tratamentul cu ultrasunete de putere.
Acest lucru este semnificativ din punct de vedere industrial, deoarece măcinarea zgurii la dimensiuni foarte fine este energointensivă. Dacă sonicarea îmbunătățește reactivitatea fracțiilor de GBFS mai grosiere sau depozitate, producătorii pot reduce necesarul de măcinare, pot îmbunătăți eficiența utilizării materiilor prime și pot valorifica mai bine fluxurile de materiale secundare.

Aflați cum dispersia cu ultrasunete facilitează producția de mortare de ciment nano-ranforsate!

Relevanță industrială: ultrasunete de putere pentru producția eficientă de ciment și mortar

Pentru producătorii industriali de ciment și mortar, sonicarea oferă mai multe avantaje strategice. Aceasta poate fi integrată ca etapă de intensificare a procesului în timpul preparării suspensiei, al activării liantului, al dispersării aditivilor sau al amestecării mortarelor de înaltă performanță. Tehnologia este deosebit de atractivă pentru produsele care depind de o distribuție fină a particulelor, de o hidratare rapidă și de utilizarea optimizată a materialelor cimentoase suplimentare.

Beneficiile industriale ale producției de ciment cu ultrasunete includ:

• Rezistență timpurie mai mare fără creșterea conținutului de clincher
• Activare mai bună a GBFS și a altor materiale cimentoase suplimentare
• Utilizare îmbunătățită a fracțiilor de zgură grosiere sau depozitate
• Aglomerare redusă în suspensiile cimentoase
• Comportament mai constant la hidratare și întărire
• Reducere potențială a intensității măcinării pentru anumite fluxuri de zgură selectate
• Performanță îmbunătățită a formulărilor de ciment cu conținut redus de clincher și cu emisii reduse de carbon

Acest lucru face ca sonicarea să fie foarte relevantă pentru producția de ciment sustenabil, ciment cu zgură, mortare de înaltă performanță, elemente prefabricate, materiale de reparații și produse speciale pentru construcții.

Sonicarea ca instrument pentru tehnologia cimentului cu emisii reduse de carbon

Industria cimentului se află sub presiune pentru a reduce emisiile de CO₂, iar scăderea factorului de clincher este una dintre cele mai directe căi. Cu toate acestea, niveluri mai ridicate de înlocuire cu GBFS, cenușă zburătoare, argilă calcinată sau alte materiale cimentoase suplimentare pot încetini dezvoltarea rezistenței timpurii. Ultrasunetele de putere pot ajuta la depășirea acestui blocaj prin îmbunătățirea dispersiei, activarea particulelor și accelerarea hidratării timpurii.
Sonicarea poate face pastele de ciment cu adaos de zgură mai reactive și mai rezistente mecanic, în special atunci când procesul este optimizat în funcție de fracția granulometrică și de durata tratamentului. Această combinație este foarte relevantă pentru ingineria lianților la scară industrială.

Sonicatoare Hielscher pentru hidratare, rezistență și reactivitate a zgurii îmbunătățite ale cimentului

Sonicatoarele inline Hielscher sunt un instrument puternic pentru îmbunătățirea hidratării și rezistenței cimentului, în special în sistemele cimentoase cu adaos de zgură.
Pentru dezaglomerarea și dispersarea industrială a cimentului, sonicatoarele Hielscher de înaltă performanță asigură forfecarea cavitațională intensă necesară pentru a sparge aglomeratele de ciment, zgură și filer mineral în particule fin dispersate, îmbunătățind umectarea particulelor, activarea suprafeței și omogenitatea în suspensiile cimentoase. Sistemele Hielscher sunt disponibile de la scară de banc și pilot până la sisteme de producție robuste de mare capacitate, inclusiv sonicatoare inline de mare putere pentru procesarea continuă a mortarului fluid de injectare pe bază de ciment și a suspensiilor minerale. Astfel, dezvoltarea procesului poate fi scalată direct de la cercetare-dezvoltare până la capacitatea industrială completă. Prin eliminarea sau reducerea necesității corpurilor de măcinare, dezaglomerarea cu ultrasunete simplifică procesarea, minimizează riscurile de contaminare și reduce efortul de curățare, oferind în același timp o calitate reproductibilă a dispersiei. Prin urmare, pentru producătorii de ciment și mortar, sonicatoarele Hielscher oferă o cale practică spre sisteme de liant mai uniforme, cinetică de hidratare îmbunătățită, o utilizare mai bună a GBFS și a altor materiale cimentoase suplimentare și formulări cu conținut redus de clincher de performanță superioară.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a sistemelor noastre cu ultrasunete de putere:

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

---

---

 

Literatură / Referințe

• 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.