Sonikácia zlepšuje hydratáciu a pevnosť cementu

Výkonový ultrazvuk, známy aj ako sonikácia, získava pozornosť ako praktická technológia intenzifikácie výroby cementu a malty. Najnovší výskum ukazuje, že ultrazvukové spracovanie môže zlepšiť dispergáciu častíc, aktivovať doplnkové cementotvorné materiály, ako je granulovaná vysokopecná troska (GBFS), urýchliť hydratáciu, zjemniť pórovú štruktúru a výrazne zvýšiť počiatočnú pevnosť.

Cement a malta s prímesou trosky s lepšími úžitkovými vlastnosťami vďaka výkonovému ultrazvuku

Pri výrobe cementu a malty je jednou z hlavných technických výziev efektívne využívanie doplnkových cementotvorných materiálov. Granulovaná vysokopecná troska, čiže GBFS, sa vo veľkej miere používa na zníženie obsahu slinku a zlepšenie udržateľnosti. Hrubé alebo aglomerované častice trosky však často reagujú pomaly, čo obmedzuje vývoj počiatočnej pevnosti. Sonikácia ponúka sľubné riešenie: využíva akustickú kavitáciu s vysokou intenzitou na dispergáciu aglomerátov, fragmentáciu častíc a zvýšenie počtu reaktívnych nukleačných miest v cementovej matrici.

Prečo je sonikácia dôležitá pre hydratáciu cementu

Výhoda sonikácie spočíva v jej schopnosti pôsobiť priamo na časticový systém pred počiatočnou hydratáciou aj počas nej. V cementovej suspenzii vytvára ultrazvuková kavitácia lokálne šmykové sily, mikroprúdy a tlakové výkyvy. Tieto účinky pomáhajú rozrušovať aglomeráty, dispergovať jemné častice a odhaľovať čerstvé minerálne povrchy.
Pre výrobcov cementu a malty je to dôležité, pretože hydratácia vo veľkej miere závisí od povrchových procesov. Lepšia dispergácia a menšie reaktívne častice môžu zvýšiť kontakt medzi vodou, slinkovými fázami a časticami trosky. To môže viesť k rýchlejšiemu uvoľňovaniu tepla, lepšiemu počiatočnému tvrdnutiu a hutnejšej mikroštruktúre.
V systémoch s prímesou trosky je sonikácia obzvlášť významná, pretože GBFS často vyžaduje aktiváciu. Ultrazvuková fragmentácia častíc GBFS – takzvaná sonofragmentácia – zmenšuje veľkosť častíc, najmä vo frakcii 125–250 μm.

Hlavné výhody sonikácie pri výrobe cementu a malty

Výkonový ultrazvuk podporuje priemyselnú výrobu cementu a malty viacerými spôsobmi:

• Lepšia dispergácia častíc: Sonikácia pomáha rovnomernejšie dispergovať cement, trosku a jemné minerálne častice v paste alebo maltovej zmesi.
• Znížená aglomerácia: Ultrazvukové spracovanie môže rozrušiť zhluky častíc a môže potláčať opätovnú aglomeráciu počas miešania.
• Zjemnenie zrna: Hrubšie častice trosky možno fragmentovať na jemnejšie frakcie, čím sa zväčšuje dostupná plocha povrchu.
• Viac nukleačných miest: Fragmentované častice GBFS môžu pôsobiť ako nukleačné centrá pre produkty hydratácie v cementovej matrici.
• Urýchlená hydratácia: Lepšia dispergácia a odkryté povrchy môžu zvýšiť kumulatívne uvoľňovanie tepla a zintenzívniť počiatočné tvrdnutie.
• Vyššia počiatočná pevnosť: Sonikované cementové pasty s prímesou trosky môžu vykazovať výrazný nárast pevnosti v tlaku a v ťahu pri ohybe už po dvoch dňoch.
• Zlepšená mikroštruktúra: Sonikácia môže zvýšiť ukazovatele nanoporozity a upraviť pórovú štruktúru, najmä v rozsahu veľkosti pórov 2–10 nm.

Vplyv výkonovej sonikácie (PUS) na rýchlosť šírenia ultrazvukového impulzu v hydratujúcich cementových pastách

Rýchlejšie tuhnutie a počiatočná pevnosť prefabrikovaného betónu s využitím výkonového ultrazvuku

Štúdia „Vplyv výkonového ultrazvuku na tekutosť a tuhnutie portlandských cementových pást“ od Ch. Rößler skúma portlandské cementové pasty na báze CEM I 42,5 R s vodným súčiniteľom w/c 0,37 a s 0,1% polyakrylátového superplastifikátora. V štúdii sa použil sonikátor Hielscher UIP1000hd v prietokovom usporiadaní na posúdenie, či by výkonový ultrazvuk mohol urýchliť hydratáciu, zlepšiť tekutosť, skrátiť čas tuhnutia a zvýšiť počiatočnú pevnosť.
Výsledky ukazujú, že výkonový ultrazvuk (PUS) urýchľuje hlavnú fázu hydratácie. Teplotná krivka vykazuje skorší hydratačný vrchol, zatiaľ čo snímky mikroštruktúry po piatich hodinách ukázali väčšie fázy C-S-H v paste ošetrenej ultrazvukom než v referenčnej paste.
Hlavné dosiahnuté výhody:

• Vyššia tekutosť: rozliatie sa zvýšilo zo 122 mm pri referenčnej paste na 158 mm po ošetrení PUS.
• Rýchlejšie tuhnutie: začiatok tuhnutia sa skrátil z 5 h 15 min na 3 h 45 min a koniec tuhnutia zo 6 h 45 min na 4 h 30 min.
• Urýchlený nárast tuhosti: rýchlosť ultrazvukového impulzu naznačovala približne o 2 hodiny rýchlejšie tvrdnutie.
• Vyššia počiatočná pevnosť: maltové hranoly vyrobené z cementovej pasty ošetrenej PUS vykazovali počas prvých 24 hodín zvýšenú pevnosť v tlaku.
• Potenciál zlepšenia ekonomiky procesu: autori odhadli, že energetický vstup približne 10 kWh/m³ cementovej pasty by mohol urýchliť tuhnutie a vývoj počiatočnej pevnosti približne o dve hodiny pri uvádzaných nákladoch ≤ 1 euro/m³ betónu.
• Znížená potreba prísad: keďže PUS zvýšil tekutosť, autori dospeli k záveru, že by sa potenciálne mohla znížiť dávka superplastifikátora.

Tieto výsledky sú obzvlášť relevantné pre výrobu prefabrikovaného betónu, pri ktorej môžu rýchlejšie tuhnutie a počiatočná pevnosť skrátiť čas potrebný na ponechanie v debnení, znížiť potrebu ohrevu a skrátiť výrobné cykly.

Vickersova tvrdosť a modul pružnosti pást C + S pripravených konvenčne a s použitím výkonového ultrazvuku po 28 d.
Grafy a štúdia: ©Lisowski et al. 2024.

Vyššia počiatočná pevnosť cementovej pasty s prímesou GBFS

Jedným z najdôležitejších zistení pre priemyselné aplikácie cementu a mált je zlepšenie počiatočnej pevnosti. Podľa Lisowski et al. (2024) viedlo ošetrenie cementových pást obsahujúcich 20% deponovanej GBFS pulzným ultrazvukom k podstatne vyššej pevnosti po dvoch dňoch. Uvádzané nárasty dosiahli až 132% pri pevnosti v tlaku a 58% pri pevnosti v ohybe.
To je veľmi dôležité pre prefabrikovaný betón, suché maltové zmesi, opravné malty, lepidlá na obklady a dlažby a ďalšie cementové výrobky, pri ktorých je z ekonomického hľadiska dôležité skoré odformovanie, skoré dosiahnutie manipulačnej pevnosti alebo rýchly postup výstavby.
Nárast pevnosti koreloval so zvýšeným kumulatívnym teplom tvrdnutia, čo naznačuje, že sonikácia nielen zlepšuje fyzikálnu dispergáciu, ale aj zintenzívňuje počiatočnú hydratáciu. V praxi to znamená, že výkonový ultrazvuk by mohol výrobcom pomôcť efektívnejšie využívať trosku bez zhoršenia počiatočných úžitkových vlastností.

Snímky SEM vzorky cementovej pasty s GBFS, označenej C + S, porovnávajúce účinok bez použitia a s použitím výkonového ultrazvuku po 28d.
Snímky a štúdia: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentácia zvyšuje využiteľnosť hrubších frakcií trosky

Obzvlášť cenným výsledkom je účinná aktivácia pomerne hrubých frakcií GBFS. Štúdia zistila, že frakcia trosky 125–250 μm poskytovala najlepšiu počiatočnú aj 28-dňovú pevnosť v kombinácii so separáciou častíc deponovanej trosky a ošetrením výkonovým ultrazvukom.
Z priemyselného hľadiska je to významné, pretože mletie trosky na veľmi jemné častice je energeticky náročné. Ak sonikácia zlepšuje reaktivitu hrubších alebo deponovaných frakcií GBFS, výrobcovia môžu znížiť potrebu mletia, zvýšiť efektívnosť využitia surovín a lepšie využívať toky druhotných materiálov.
 
Zistite, ako ultrazvuková dispergácia uľahčuje výrobu cementových mált vystužených nanomateriálmi!

Význam pre priemysel: výkonový ultrazvuk na efektívnu výrobu cementu a mált

Sonikácia ponúka priemyselným výrobcom cementu a mált viacero strategických výhod. Možno ju začleniť ako krok intenzifikácie procesu pri príprave suspenzie, aktivácii spojiva, dispergovaní prísad alebo miešaní vysokohodnotných mált. Táto technológia je obzvlášť atraktívna pre výrobky, pri ktorých je dôležité rozptýlenie jemných častíc, rýchla hydratácia a optimalizované využitie doplnkových cementotvorných materiálov.

• Vyššia počiatočná pevnosť bez zvýšenia obsahu slinku
• Lepšia aktivácia GBFS a ďalších doplnkových cementotvorných materiálov
• Lepšie využitie hrubých alebo deponovaných troskových frakcií
• Znížená aglomerácia v cementových suspenziách
• Rovnomernejší priebeh hydratácie a tvrdnutia
• Potenciálne zníženie intenzity mletia vybraných prúdov trosky
• Zlepšené úžitkové vlastnosti cementových zmesí s nízkym obsahom slinku a nízkou uhlíkovou stopou

Vďaka tomu má sonikácia veľký význam pri výrobe udržateľného cementu, troskového cementu, vysokohodnotných mált, prefabrikovaných prvkov, opravných materiálov a špeciálnych stavebných výrobkov.

Sonikácia ako nástroj pre technológiu cementu s nízkou uhlíkovou stopou

Cementársky priemysel je pod tlakom znižovať emisie CO₂ a zníženie slinkového faktora je jednou z najpriamejších ciest. Vyššia miera náhrady slinku granulovanou vysokopecnou troskou (GBFS), popolčekom, kalcinovaným ílom alebo inými doplnkovými cementotvornými materiálmi však môže spomaliť vývoj počiatočnej pevnosti. Výkonový ultrazvuk môže pomôcť prekonať túto prekážku zlepšením disperzie, aktiváciou častíc a urýchlením počiatočnej hydratácie.
Sonikácia môže zvýšiť reaktivitu a mechanickú pevnosť cementových pást s prímesou trosky, najmä ak je proces optimalizovaný s ohľadom na veľkostnú frakciu častíc a čas spracovania. Táto kombinácia má veľký význam pri navrhovaní spojív v priemyselnom meradle.

Sonikátory Hielscher na zlepšenie hydratácie a pevnosti cementu a reaktivity trosky

Prietokové sonikátory Hielscher sú účinným nástrojom na zlepšenie hydratácie a pevnosti cementu, najmä v cementových systémoch s prímesou trosky.
Pri priemyselnej deaglomerácii a dispergovaní cementu poskytujú vysokovýkonné sonikátory Hielscher intenzívne kavitačné šmykové pôsobenie potrebné na rozrušenie aglomerátov cementu, trosky a minerálnych plnív na jemne rozptýlené častice, čím zlepšujú zmáčanie častíc, aktiváciu povrchu a homogenitu cementových suspenzií. Systémy Hielscher sú dostupné od stolových a poloprevádzkových zariadení až po robustné výrobné systémy s vysokou spracovateľskou kapacitou vrátane prietokových sonikátorov s vysokým výkonom na kontinuálne spracovanie cementových injektážnych zmesí a minerálnych suspenzií. To umožňuje priame škálovanie vyvíjaných procesov od výskumu a vývoja až po plnú priemyselnú spracovateľskú kapacitu. Ultrazvuková deaglomerácia odstraňuje alebo znižuje potrebu mlecích telies, čím zjednodušuje spracovanie, minimalizuje riziká kontaminácie a znižuje náročnosť čistenia, pričom zabezpečuje reprodukovateľnú kvalitu disperzie. Výrobcom cementu a mált preto sonikátory Hielscher ponúkajú praktickú cestu k rovnomernejším spojivovým systémom, zlepšenej kinetike hydratácie, lepšiemu využitiu GBFS a ďalších doplnkových cementotvorných materiálov a k zmesiam s nízkym obsahom slinku a lepšími úžitkovými vlastnosťami.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich systémov výkonového ultrazvuku:

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a jednoduchým používaním. Samozrejme, ultrazvukové prístroje Hielscher spĺňajú požiadavky CE aj požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie

• 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.