Обработка ультразвуком улучшает гидратацию цемента и повышает прочность

Мощный ультразвук, также известный как обработка ультразвуком, привлекает внимание как практическая технология интенсификации производства цемента и строительных растворов. Недавние исследования показывают, что ультразвуковая обработка может улучшать диспергирование частиц, активировать дополнительные вяжущие материалы, такие как гранулированный доменный шлак (GBFS), ускорять гидратацию, совершенствовать структуру пор и значительно повышать прочность в раннем возрасте.

Цемент и строительные растворы со шлаком с улучшенными характеристиками благодаря мощному ультразвуку

В производстве цемента и строительных растворов одной из основных технических задач является эффективное использование дополнительных вяжущих материалов. Гранулированный доменный шлак, или GBFS, широко используется для снижения содержания клинкера и повышения экологической устойчивости. Однако крупные или агломерированные частицы шлака часто реагируют медленно, ограничивая развитие ранней прочности. Обработка ультразвуком предлагает перспективное решение: она использует высокоинтенсивную акустическую кавитацию для диспергирования агломератов, фрагментации частиц и увеличения числа активных центров зародышеобразования внутри цементной матрицы.

Почему обработка ультразвуком важна для гидратации цемента

Преимущество обработки ультразвуком заключается в её способности воздействовать непосредственно на систему частиц до начала и на ранних стадиях гидратации. В цементной суспензии ультразвуковая кавитация создаёт локальные сдвиговые силы, микроструи и колебания давления. Эти эффекты помогают разрушать агломераты, диспергировать мелкие частицы и обнажать свежие минеральные поверхности.
Для производителей цемента и строительных растворов это важно, поскольку гидратация в значительной степени определяется поверхностными процессами. Улучшенное диспергирование и более мелкие реакционноспособные частицы могут увеличивать контакт между водой, клинкерными фазами и частицами шлака. Это может приводить к более быстрому тепловыделению, улучшенному раннему твердению и более плотной микроструктуре.
В системах со шлаком обработка ультразвуком особенно актуальна, поскольку GBFS часто требует активации. Ультразвуковая фрагментация частиц GBFS – так называемая сонофрагментация – уменьшает размер частиц, особенно во фракции 125–250 μm.

Основные преимущества обработки ультразвуком в производстве цемента и строительных растворов

Мощный ультразвук способствует промышленному производству цемента и строительных растворов несколькими способами:

• Улучшенное диспергирование частиц: Обработка ультразвуком помогает более равномерно диспергировать цемент, шлак и мелкие минеральные частицы в цементном тесте или растворной смеси.
• Снижение агломерации: Ультразвуковая обработка может разрушать скопления частиц и может препятствовать повторной агломерации во время смешивания.
• Измельчение зёрен: Более крупные частицы шлака могут быть раздроблены на более мелкие фракции, что увеличивает доступную площадь поверхности.
• Больше центров зародышеобразования: Фрагментированные частицы GBFS могут выступать в качестве центров зародышеобразования продуктов гидратации в цементной матрице.
• Ускоренная гидратация: Улучшенное диспергирование и обнажённые поверхности могут увеличивать суммарное тепловыделение и ускорять раннее твердение.
• Более высокая ранняя прочность: Цементное тесто со шлаком, обработанное ультразвуком, может демонстрировать существенный прирост прочности на сжатие и изгиб уже через два дня.
• Улучшенная микроструктура: Обработка ультразвуком может повышать показатели нанопористости и изменять структуру пор, особенно в диапазоне размеров пор 2–10 nm.

 

Ускоренное схватывание и развитие ранней прочности сборного бетона благодаря мощному ультразвуку

В исследовании «Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes», проведённом Ch. Rößler, изучается портландцементное тесто на основе CEM I 42,5 R с водоцементным отношением 0,37 и 0,1% полиакрилатного суперпластификатора. В исследовании использовался ультразвуковой аппарат Hielscher UIP1000hd в проточной конфигурации, чтобы оценить, может ли мощный ультразвук ускорить гидратацию, улучшить текучесть, сократить время схватывания и повысить раннюю прочность.
Результаты показывают, что мощный ультразвук (PUS) ускоряет основной период гидратации. Температурная кривая демонстрирует более ранний пик гидратации, а изображения микроструктуры через пять часов показали более крупные фазы C-S-H в тесте, обработанном ультразвуком, по сравнению с контрольным образцом.
Достигнутые основные преимущества:

• Более высокая текучесть: расплыв увеличился со 122 mm у контрольного цементного теста до 158 mm после обработки PUS.
• Более быстрое схватывание: время начала схватывания сократилось с 5 h 15 min до 3 h 45 min, а время окончания схватывания – с 6 h 45 min до 4 h 30 min.
• Ускоренное повышение жёсткости: скорость ультразвукового импульса указывала на ускорение твердения примерно на 2 часа.
• Более высокая ранняя прочность: растворные призмы, изготовленные из цементного теста, обработанного PUS, показали повышенную прочность на сжатие в течение первых 24 часов.
• Потенциал повышения экономичности процесса: по оценке авторов, затраты энергии приблизительно 10 kWh/m³ цементного теста могли ускорить схватывание и развитие ранней прочности примерно на два часа при указанной стоимости ≤ 1 евро/m³ бетона.
• Снижение потребности в добавках: поскольку PUS повысил текучесть, авторы пришли к выводу, что дозировку суперпластификатора потенциально можно снизить.

Эти результаты особенно актуальны для производства сборного бетона, где более быстрое схватывание и развитие ранней прочности могут сократить время пребывания в опалубке, потребность в обогреве и продолжительность производственных циклов.

 

 

Повышенная ранняя прочность цементного теста с GBFS

Одним из наиболее важных результатов для промышленного применения в производстве цемента и строительных растворов является повышение прочности в раннем возрасте. Согласно Lisowski et al. (2024), импульсная ультразвуковая обработка цементного теста, содержащего 20% депонированного GBFS, обеспечила значительно более высокую прочность через два дня. Зафиксированный прирост достигал 132% для прочности на сжатие и 58% для прочности на изгиб.
Это особенно актуально для сборного бетона, сухих растворных смесей, ремонтных растворов, плиточных клеёв и других материалов на основе цемента, для которых ранняя распалубка, раннее достижение прочности, необходимой для перемещения и обращения с изделиями, или быстрое продвижение строительных работ имеют экономическое значение.
Повышение прочности коррелировало с увеличением суммарной теплоты твердения, что позволяет предположить, что обработка ультразвуком не только улучшает физическое диспергирование, но и интенсифицирует раннюю гидратацию. На практике это означает, что мощный ультразвук мог бы помочь производителям эффективнее использовать шлак без ухудшения характеристик в раннем возрасте.

 

 

Сонофрагментация повышает полезность более крупных фракций шлака

Особенно ценным результатом является эффективная активация относительно крупных фракций GBFS. Исследование показало, что фракция шлака 125–250 μm обеспечивала наилучшую прочность в раннем возрасте и через 28 дней при сочетании разделения частиц депонированного шлака и обработки мощным ультразвуком.
Это имеет промышленное значение, поскольку измельчение шлака до очень малых размеров требует больших затрат энергии. Если обработка ультразвуком повышает реакционную способность более крупных или депонированных фракций GBFS, производители могут снизить потребность в измельчении, повысить эффективность использования сырья и лучше использовать потоки вторичных материалов.
 
Узнайте, как ультразвуковое диспергирование облегчает производство цементных растворов с наноармированием!

Промышленное значение: мощный ультразвук для эффективного производства цемента и строительных растворов

Для промышленных производителей цемента и строительных растворов обработка ультразвуком предлагает несколько стратегических преимуществ. Её можно интегрировать как этап интенсификации процесса при приготовлении суспензии, активации вяжущего, диспергировании добавок или смешивании высокоэффективных строительных растворов. Эта технология особенно привлекательна для продукции, характеристики которой зависят от распределения мелких частиц, быстрой гидратации и оптимизированного использования дополнительных вяжущих материалов.

Промышленные преимущества производства цемента с использованием ультразвука включают:

• Более высокую раннюю прочность без увеличения содержания клинкера
• Улучшенную активацию GBFS и других дополнительных вяжущих материалов
• Более эффективное использование крупных или депонированных фракций шлака
• Снижение агломерации в цементных суспензиях
• Более стабильное протекание гидратации и твердения
• Потенциальное снижение интенсивности измельчения для отдельных потоков шлака
• Улучшенные характеристики цементных составов с низким содержанием клинкера и низким углеродным следом

Это делает обработку ультразвуком особенно актуальной для производства экологически устойчивого цемента, шлакового цемента, высокоэффективных строительных растворов, сборных элементов, ремонтных материалов и специальной строительной продукции.

Обработка ультразвуком как инструмент технологии цемента с низким углеродным следом

Цементная промышленность сталкивается с необходимостью сокращения выбросов CO₂, и снижение доли клинкера является одним из наиболее прямых путей к этому. Однако увеличение степени замещения клинкера GBFS, золой-уносом, прокалённой глиной или другими дополнительными вяжущими материалами может замедлять развитие ранней прочности. Мощный ультразвук может помочь преодолеть это ограничение, улучшая диспергирование, активируя частицы и ускоряя раннюю гидратацию.
Обработка ультразвуком может сделать цементное тесто со шлаком более реакционноспособным и механически прочным, особенно когда процесс оптимизирован с учётом размерной фракции частиц и времени обработки. Такое сочетание особенно актуально для разработки вяжущих материалов в промышленном масштабе.

Ультразвуковые аппараты Hielscher для улучшения гидратации цемента, повышения прочности и реакционной способности шлака

Проточные ультразвуковые аппараты Hielscher являются мощным инструментом для улучшения гидратации цемента и повышения прочности, особенно в цементных системах со шлаком.
Для промышленной деагломерации и диспергирования цемента высокопроизводительные ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают интенсивное кавитационное сдвиговое воздействие, необходимое для разрушения агломератов цемента, шлака и минеральных наполнителей с получением тонкодисперсных частиц, улучшая смачивание частиц, активацию поверхности и однородность цементных суспензий. Системы Hielscher доступны в диапазоне от настольных и пилотных установок до прочных производственных систем с высокой производительностью, включая мощные проточные ультразвуковые аппараты для непрерывной обработки цементных инъекционных растворов и минеральных суспензий. Это позволяет напрямую масштабировать разрабатываемый процесс от исследований и разработок до полной промышленной производительности. Устраняя или снижая потребность в мелющих телах, ультразвуковая деагломерация упрощает обработку, сводит к минимуму риски загрязнения и уменьшает трудозатраты на очистку, обеспечивая при этом воспроизводимое качество диспергирования. Таким образом, для производителей цемента и строительных растворов ультразвуковые аппараты Hielscher предлагают практический путь к более однородным вяжущим системам, улучшенной кинетике гидратации, более эффективному использованию GBFS и других дополнительных вяжущих материалов, а также к составам с низким содержанием клинкера и улучшенными характеристиками.

Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности наших систем мощного ультразвука:

Проектирование, производство и консультирование – качество, произведённое в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны своим высочайшим качеством и стандартами проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные предприятия. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и удовлетворяют требованиям UL, CSA и RoHs.

---

---

 

Литература / Источники

• 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.