Sonicarea îmbunătățește hidratarea și rezistența cimentului

Ultrasunetele de putere, cunoscute și sub denumirea de sonicare, capătă tot mai multă atenție ca tehnologie practică de intensificare a proceselor de producție a cimentului și a mortarului. Cercetările recente arată că tratamentul cu ultrasunete poate îmbunătăți dispersia particulelor, poate activa materialele 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, obținute prin utilizarea ultrasunetelor de mare putere

În industria cimentului și în producția de mortar, una dintre principalele provocări tehnice o reprezintă utilizarea eficientă a materialelor cimentoase suplimentare. Zgura granulată de furnal, cunoscută și sub denumirea de GBFS, este utilizată pe scară largă pentru a reduce conținutul de clincher și a îmbunătăți sustenabilitatea. Cu toate acestea, particulele grosiere sau aglomerate de zgură reacționează adesea lent, limitând dezvoltarea rezistenței inițiale. Sonicația oferă o soluție promițătoare: aceasta utilizează cavitația acustică de intensitate ridicată pentru a dispersa aglomeratele, a fragmenta particulele și a crește numărul de puncte de nucleație reactive în interiorul matricei de ciment.

De ce sonicația este importantă pentru hidratarea cimentului

Avantajul sonicării constă în capacitatea sa de a acționa direct asupra sistemului de particule înainte și în timpul etapei inițiale de hidratare. Într-o suspensie cimentoasă, cavitația ultrasonică generează forțe de forfecare localizate, microjeturi și fluctuații de presiune. Aceste efecte contribuie la dezintegrarea aglomeratelor, la dispersarea particulelor fine și la expunerea suprafețelor minerale proaspete.
Pentru producătorii de ciment și mortar, acest aspect este important deoarece hidratarea se produce în mare măsură la suprafață. O dispersie mai bună și particule reactive mai mici pot spori contactul dintre apă, fazele clincherului și particulele de zgură. Acest lucru poate duce la o eliberare mai rapidă a căldurii, la o întărire inițială îmbunătățită și la o microstructură mai densă.
În sistemele cu adaos de zgură, tratarea cu ultrasunete este deosebit de importantă, deoarece GBFS necesită adesea activare. Fragmentarea particulelor prin ultrasunete – așa-numita sonofragmentare – prezența particulelor GBFS reduce dimensiunea particulelor, în special a fracției cu dimensiuni cuprinse între 125 și 250 μm.

Avantajele principale ale sonicației în producția de ciment și mortar

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

• Dispersie îmbunătățită a particulelor: Sonicația contribuie la dispersarea mai uniformă a cimentului, a zgurii și a particulelor minerale fine în pasta sau amestecul de mortar.
• Aglomerare redusă: Tratamentul cu ultrasunete poate descompune aglomerările de particule și poate împiedica reaglomerarea acestora în timpul amestecării.
• Rafinarea cerealelor: Particulele mai grosiere de zgură pot fi fragmentate în fracțiuni mai fine, mărind astfel suprafața disponibilă.
• Mai multe puncte de nucleație: Particulele fragmentate de GBFS pot acționa ca centre de nucleație pentru produsele de hidratare din matricea de ciment.
• Hidratare accelerată: O dispersie mai bună și suprafețele expuse pot spori eliberarea cumulativă de căldură și întărirea prematură.
• Rezistență inițială mai mare: Pastele de ciment amestecate cu zgură tratată cu ultrasunete pot prezenta creșteri semnificative ale rezistenței la compresiune și la încovoiere după doar două zile.
• Microstructură îmbunătățită: Sonicația poate crește indicatorii de nanoporozitate și poate modifica structura porilor, în special în intervalul de dimensiuni ale porilor de 2–10 nm.

 

Prindere mai rapidă și rezistență timpurie a betonului prefabricat cu ajutorul ultrasunetelor de mare putere

Studiul “Influența ultrasunetelor de putere asupra fluidității și fixării pastelor de ciment Portland” Studiul realizat de Ch. Rößler analizează pastele de ciment Portland pe baza CEM I 42.5 R, cu un raport apă/ciment de 0,37 și 0,1% superplastifiant poliacrilat. Studiul a utilizat un sonicator Hielscher UIP1000hd într-o configurație cu flux continuu pentru a evalua dacă ultrasunetele de putere pot accelera hidratarea, îmbunătăți fluiditatea, scurta timpul de priză și crește rezistența inițială.
Rezultatele arată că ultrasunetele de putere (PUS) accelerează perioada principală de hidratare. Curba de temperatură indică un vârf de hidratare mai timpuriu, în timp ce imaginile microstructurale realizate după cinci ore au evidențiat faze C-S-H mai mari în pasta tratată cu ultrasunete decât în proba de referință.
Principalele avantaje obținute:

• Fluiditate mai mare: Căderea s-a mărit de la 122 mm în pasta de referință la 158 mm după tratamentul cu PUS.
• Prindere mai rapidă: setul inițial a fost redus de la 5 ore și 15 minute la 3 ore și 45 de minute, iar setul final de la 6 ore și 45 de minute la 4 ore și 30 de minute.
• Rigidizare accelerată: Viteza pulsului ultrasonic a indicat o întărire cu aproximativ 2 ore mai rapidă.
• Rezistență inițială mai mare: Prismele de mortar obținute din pastă de ciment tratată cu PUS au prezentat o rezistență la compresiune crescută în primele 24 de ore.
• Potențialul de eficiență a proceselor: autorii au estimat că un aport de energie de aproximativ 10 kWh/m³ de pastă de ciment ar putea accelera prinderea și rezistența inițială cu aproximativ două ore, la un cost estimat de ≤ 1 euro/m³ de beton.
• Scăderea cererii de aditivi: Deoarece PUS a sporit fluiditatea, autorii au concluzionat că doza de superplastifiant ar putea fi redusă.

Aceste rezultate sunt deosebit de relevante pentru producția de elemente prefabricate din beton, unde o priză mai rapidă și o rezistență timpurie pot reduce durata de cofrare, necesarul de încălzire și durata ciclurilor de producție.

 

 

Rezistență inițială mai mare a pastei de ciment cu adaos de GBFS

Una dintre cele mai importante descoperiri pentru aplicațiile industriale ale cimentului și mortarului este îmbunătățirea rezistenței la vârste timpurii. Conform lui Lisowski et al. (2024), tratamentul cu ultrasunete pulsate al pastelor de ciment care conțin 20% GBFS depus a dus la o rezistență considerabil mai mare după două zile. Creșterile raportate au ajuns până la 132% în ceea ce privește rezistența la compresiune și până la 58% în ceea ce privește rezistența la încovoiere.
Acest aspect este extrem de relevant pentru elementele prefabricate din beton, mortarul uscat, mortarele de reparații, adezivii pentru gresie și alte produse pe bază de ciment, în cazul cărora demularea timpurie, rezistența timpurie la manipulare sau ritmul rapid de execuție a lucrărilor prezintă o importanță economică deosebită.
Creșterea rezistenței a fost corelată cu o creștere a căldurii cumulative de întărire, ceea ce sugerează că sonicația nu doar îmbunătățește dispersia fizică, ci și intensifică hidratarea timpurie. În practică, acest lucru înseamnă că ultrasunetele de putere ar putea ajuta producătorii să utilizeze zgura mai eficient, fără a sacrifica performanțele inițiale.

 

 

Sonofragmentarea sporește utilitatea fracțiunilor mai grosiere de zgură

Un rezultat deosebit de valoros îl reprezintă activarea eficientă a fracțiunilor relativ grosiere de GBFS. Studiul a evidențiat faptul că fracțiunea de zgură cu dimensiuni cuprinse între 125 și 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 depuse și cu tratamentul cu ultrasunete de putere.
Acest lucru are o importanță industrială, deoarece măcinarea zgurii până la granulații foarte fine consumă multă energie. Dacă tratamentul cu ultrasunete îmbunătățește reactivitatea fracțiunilor mai grosiere sau a celor depuse de GBFS, producătorii pot reduce necesarul de măcinare, pot îmbunătăți eficiența materiei prime și pot valorifica mai bine fluxurile de materiale secundare.
 
Aflați cum dispersia cu ultrasunete facilitează producția de mortare de ciment nano-armate!

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

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

Printre avantajele industriale ale producției de ciment prin ultrasunete se numără:

• Rezistență inițială mai mare fără a crește conținutul de clincher
• O mai bună activare a GBFS și a altor materiale cimentoase suplimentare
• Utilizarea optimizată a fracțiunilor de zgură grosieră sau depusă
• Reducerea aglomerării în suspensiile cimentoase
• Un comportament mai uniform în ceea ce privește hidratarea și întărirea
• Reducerea potențială a intensității de măcinare pentru anumite fluxuri de zgură
• Performanțe îmbunătățite ale formulelor de ciment cu conținut redus de clincher și de carbon

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

Sonicația 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 reprezintă una dintre cele mai directe căi de a realiza acest lucru. Cu toate acestea, creșterea proporției de înlocuire cu GBFS, cenușă zburătoare, argilă calcinată sau alte materiale cimentoase suplimentare poate încetini dezvoltarea rezistenței inițiale. Ultrasunetele de putere pot ajuta la depășirea acestui obstacol prin îmbunătățirea dispersiei, activarea particulelor și accelerarea hidratării timpurii.
Sonicația poate spori reactivitatea și rezistența mecanică a pastelor de ciment amestecate cu zgură, în special atunci când procesul este optimizat în ceea ce privește fracțiunea de dimensiune a particulelor și durata de tratare. Această combinație este extrem de relevantă pentru proiectarea lianților la scară industrială.

Sonicatoare Hielscher pentru îmbunătățirea hidratării cimentului, a rezistenței și a reactivității zgurii

Sonicatoarele inline Hielscher reprezintă un instrument puternic pentru îmbunătățirea hidratării și rezistenței cimentului, în special în cazul sistemelor cimentoase cu adaos de zgură.
Pentru deaglomerarea și dispersarea industrială a cimentului, sonicatoarele de înaltă performanță Hielscher asigură forța de forfecare cavitațională intensă necesară pentru a descompune aglomeratele de ciment, zgură și umplutură minerală în particule fin dispersate, îmbunătățind umectarea particulelor, activarea suprafeței și omogenitatea în suspensiile cimentoase. Sistemele Hielscher sunt disponibile de la modele de laborator și la scară pilot până la sisteme robuste de producție cu randament ridicat, inclusiv sonicatoare în linie de mare putere pentru prelucrarea continuă a mortarului de ciment și a suspensiilor minerale. Acest lucru face ca dezvoltarea procesului să fie direct scalabilă de la R&De la D până la capacitate industrială maximă. Prin eliminarea sau reducerea necesității de a utiliza corpuri de măcinare, deaglomerarea cu ultrasunete simplifică procesarea, minimizează riscurile de contaminare și reduce efortul de curățare, oferind în același timp o calitate reproductibilă a dispersiei. Pentru producătorii de ciment și mortar, sonicatoarele Hielscher oferă, prin urmare, o cale practică către sisteme de lianți mai uniforme, o cinetică îmbunătățită a hidratării, o utilizare mai eficientă a GBFS și a altor materiale cimentoase suplimentare, precum și formulări cu conținut redus de clincher și performanțe superioare.

Tabelul de mai jos vă oferă o estimare a capacității aproximative de procesare a sistemelor noastre de ultrasunete de putere:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators 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.