Ultrazvuk zlepšuje hydratáciu a pevnosť cementu

Vysokovýkonný ultrazvuk, známy aj ako sonikácia, si získava pozornosť ako praktická technológia na intenzifikáciu výroby cementu a malty. Najnovšie výskumy ukazujú, že ultrazvuková úprava môže zlepšiť disperziu častíc, aktivovať doplnkové cementové materiály, ako je granulovaná vysokopecná troska (GBFS), urýchliť hydratáciu, zdokonaliť pórovú štruktúru a výrazne zvýšiť pevnosť v ranom veku.

Vysoko výkonný cement a malta s prímesou trosky vyrobené pomocou výkonného ultrazvuku

Pri výrobe cementu a malty patrí medzi hlavné technické výzvy efektívne využívanie doplnkových cementových materiálov. Granulovaná vysokopecná troska (GBFS) sa široko používa na zníženie obsahu slinku a zlepšenie udržateľnosti. Hrubé alebo aglomerované častice trosky však často reagujú pomaly, čo obmedzuje rýchly nárast pevnosti. Sľubným riešením je sonikácia: využíva vysokointenzívnu akustickú kavitáciu na rozptýlenie aglomerátov, rozdrvenie častíc a zvýšenie počtu reaktívnych miest nukleácie vnútri cementovej matice.

Prečo je sonikácia dôležitá pre hydratáciu cementu

Výhoda ultrazvukovej úpravy spočíva v jej schopnosti pôsobiť priamo na systém častíc pred hydratáciou a počas jej počiatočnej fázy. V cementovej suspenzii ultrazvuková kavitácia vytvára lokalizované šmykové sily, mikroprúdy a kolísania tlaku. Tieto účinky pomáhajú rozbíjať aglomeráty, dispergovať jemné častice a odhaľovať čerstvé povrchy minerálov.
Pre výrobcov cementu a malty je to dôležité, pretože hydratácia prebieha prevažne na povrchu. Lepšia disperzia a menšie reaktívne častice môžu zvýšiť kontakt medzi vodou, fázami slinku a časticami trosky. To môže viesť k rýchlejšiemu uvoľňovaniu tepla, lepšiemu počiatočnému vytvrdzovaniu a hustejšej mikrostruktúre.
V systémoch s prímesou trosky je ultrazvuková úprava obzvlášť dôležitá, pretože GBFS často vyžaduje aktiváciu. Fragmentácia častíc pomocou ultrazvuku – tzv. sonofragmentácia – prítomnosť častíc GBFS vedie k zníženiu veľkosti častíc, najmä frakcie 125–250 μm.

Hlavné výhody ultrazvukovej úpravy pri výrobe cementu a malty

Výkonný ultrazvuk podporuje priemyselnú výrobu cementu a malty viacerými spôsobmi:

• Lepšie rozptýlenie častíc: Ultrazvuk pomáha rovnomernejšie rozptýliť cement, strusku a jemné minerálne častice v pastovitej zmesi alebo maltovej zmesi.
• Znížená aglomerácia: Ultrazvuková úprava môže rozbiť zhluky častíc a môže zabrániť ich opätovnému zhlukovaniu počas miešania.
• Zušľachtenie zrna: Hrubšie častice strusky je možné rozdrviť na jemnejšie frakcie, čím sa zväčší dostupný povrch.
• Ďalšie miesta nukleácie: Rozdrobené častice GBFS môžu pôsobiť ako nukleačné centrá pre hydratačné produkty v cementovej matrici.
• Zrýchlená hydratácia: Lepšia disperzia a väčšia plocha povrchu môžu zvýšiť kumulatívne uvoľňovanie tepla a urýchliť vytvrdzovanie.
• Vyššia počiatočná pevnosť: Cementové pasty s prímesou trosky, ktoré prešli ultrazvukovou úpravou, môžu už po dvoch dňoch vykazovať výrazné zvýšenie pevnosti v tlaku a v ohybe.
• Vylepšená mikrostruktúra: Ultrazvuková úprava môže zvýšiť ukazovatele nanopórovitosti a zmeniť štruktúru pórov, najmä v rozsahu veľkostí pórov 2–10 nm.

Vplyv výkonovej ultrazvukovej ultrazvuku (PUS) na rýchlosť ultrazvukových impulzov hydratačných cementových pást

Rýchlejšie tuhnutie a skorá pevnosť prefabrikovaného betónu pomocou výkonného ultrazvuku

Štúdia “Vplyv výkonového ultrazvuku na tekutosť a tuhnutie portlandských cementových pást” Štúdia autora Ch. Rößlera sa zaoberá portlandskými cementovými pastami na báze CEM I 42,5 R, s pomerom voda/cement 0,37 a 0,1 % polyakrylátového superplastifikátora. V štúdii bol použitý ultrazvukový prístroj Hielscher UIP1000hd v prietokovom usporiadaní s cieľom zistiť, či výkonový ultrazvuk môže urýchliť hydratáciu, zlepšiť tekutosť, skrátiť dobu tuhnutia a zvýšiť počiatočnú pevnosť.
Výsledky ukazujú, že výkonový ultrazvuk (PUS) urýchľuje hlavnú fázu hydratácie. Teplotná krivka poukazuje na skorší vrchol hydratácie, zatiaľ čo snímky mikrostruktúry po piatich hodinách ukázali väčšie fázy C-S-H v paste ošetrenej ultrazvukom v porovnaní s referenčnou vzorkou.
Hlavné dosiahnuté výhody:

• Vyššia tekutosť: Hĺbka prepadnutia sa zvýšila zo 122 mm v referenčnej zmesi na 158 mm po ošetrení PUS.
• Rýchlejšie vytvrdzovanie: Úvodná séria bola skrátená z 5 hodín 15 minút na 3 hodiny 45 minút a záverečná séria z 6 hodín 45 minút na 4 hodiny 30 minút.
• Zrýchlené stuhnutie: Rýchlosť ultrazvukového impulzu naznačovala, že vytvrdzovanie prebiehalo približne o 2 hodiny rýchlejšie.
• Vyššia počiatočná pevnosť: Maltové hranoly vyrobené z cementovej pasty upravenej PUS vykazovali počas prvých 24 hodín zvýšenú pevnosť v tlaku.
• Potenciál z hľadiska úspory nákladov na spracovanie: Autori odhadli, že prísun energie vo výške približne 10 kWh/m³ cementovej malty by mohol urýchliť tuhnutie a dosiahnutie počiatočnej pevnosti približne o dve hodiny, pričom uvedené náklady by predstavovali ≤ 1 euro/m³ betónu.
• Znížený dopyt po prísadách: Vzhľadom na to, že PUS zvýšil tekutosť, autori dospeli k záveru, že dávku superplastifikátora by bolo možné potenciálne znížiť.

Tieto výsledky sú obzvlášť dôležité pre výrobu prefabrikátov z betónu, kde rýchlejšie tuhnutie a skorá pevnosť môžu skrátiť dobu debnenia, znížiť spotrebu tepla a skrátiť výrobné cykly.

Tvrdosť podľa Vickera a modul pružnosti past C + S pripravených konvenčným spôsobom a s využitím výkonného ultrazvuku po 28 dňoch.
Grafy a štúdia: ©Lisowski a kol. 2024.

Vyššia počiatočná pevnosť cementovej malty s prímesou GBFS

Jedným z najdôležitejších zistení pre priemyselné použitie cementu a malty je zlepšenie pevnosti v ranom veku. Podľa Lisowského a kol. (2024) pulzná ultrazvuková úprava cementových pastí obsahujúcich 20 % usadeného GBFS viedla po dvoch dňoch k dosiahnutiu podstatne vyššej pevnosti. Uvádzané zvýšenie dosiahlo až 132 % v prípade pevnosti v tlaku a 58 % v prípade pevnosti v ohybe.
Toto má veľký význam pre prefabrikovaný betón, suché malty, opravné malty, lepidlá na obklady a ďalšie cementové výrobky, pri ktorých je z ekonomického hľadiska dôležité včasné vyformovanie, včasná pevnosť pri manipulácii alebo rýchly postup výstavby.
Zvýšenie pevnosti korelovalo so zvýšeným kumulatívnym teplom vytvrdzovania, čo naznačuje, že sonikácia nielen zlepšuje fyzikálnu disperziu, ale aj zintenzívňuje počiatočnú hydratáciu. V praxi to znamená, že výkonový ultrazvuk by mohol výrobcom pomôcť efektívnejšie využívať trosku bez toho, aby došlo k zhoršeniu počiatočných vlastností.

SEM snímky vzorky C + S z cementovo-GBFS pasty, na ktorých sa porovnáva vplyv bez a s použitím výkonného ultrazvuku po 28 dňoch.
Obrázky a štúdia: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentácia zvyšuje využiteľnosť hrubších frakcií trosky

Obzvlášť cenným výsledkom je účinná aktivácia relatívne hrubých frakcií GBFS. Štúdia zistila, že frakcia trosky s veľkosťou 125–250 μm dosahovala najlepšiu pevnosť v ranom štádiu a po 28 dňoch v kombinácii s oddelením usadených častíc trosky a ošetrením výkonným ultrazvukom.
Z priemyselného hľadiska je to dôležité, pretože mletie trosky na veľmi jemné častice je energeticky náročné. Ak ultrazvukové ošetrzenie zlepší reaktivitu hrubších alebo usadených frakcií GBFS, výrobcovia môžu znížiť potrebu mletia, zvýšiť efektívnosť využitia surovín a lepšie využiť toky sekundárnych materiálov.
 
Zistite, ako ultrazvuková disperzia uľahčuje výrobu cementových malty s nano-výstužou!

Význam pre priemysel: Výkonný ultrazvuk pre efektívnu výrobu cementu a malty

Pre priemyselných výrobcov cementu a malty ponúka ultrazvuková technológia viacero strategických výhod. Je možné ju integrovať ako krok na zintenzívnenie procesu pri príprave suspenzie, aktivácii spojiva, disperzii prísad alebo miešaní vysokovýkonných mált. Táto technológia je obzvlášť atraktívna pre výrobky, pri ktorých záleží na rozložení jemných častíc, rýchlej hydratácii a optimalizovanom využití doplnkových cementových materiálov.

• Vyššia počiatočná pevnosť bez zvýšenia obsahu slinku
• Lepšia aktivácia GBFS a iných doplnkových cementových materiálov
• Lepšie využitie hrubých alebo usadených frakcií strusky
• Znížená aglomerácia v cementových suspenziách
• Konzistentnejšie správanie pri hydratácii a vytvrdzovaní
• Možné zníženie intenzity mletia u vybraných tokov trosky
• Zlepšenie vlastností cementových zmesí s nízkym obsahom klinkeru a nízkou uhlíkovou stopou

Vďaka tomu je ultrazvuková technológia mimoriadne dôležitá pre výrobu udržateľného cementu, struskového cementu, vysokovýkonných malty, prefabrikovaných prvkov, opravných materiálov a špeciálnych stavebných výrobkov.

Ultrazvuková úprava ako nástroj pre technológiu výroby cementu s nízkymi emisiami uhlíka

Cementársky priemysel čelí tlaku na znižovanie emisií CO₂, pričom zníženie podielu klinkeru je jednou z najpriamejších ciest. Vyššie podiely náhradných materiálov, ako sú GBFS, popolček, kalcinovaná hlina alebo iné doplnkové cementové materiály, však môžu spomaliť vývoj počiatočnej pevnosti. Vysokovýkonný ultrazvuk môže pomôcť prekonať tento problém zlepšením disperzie, aktiváciou častíc a urýchlením počiatočnej hydratácie.
Ultrazvuková úprava môže zvýšiť reaktivitu a mechanickú pevnosť cementových pastí s prímesou strusky, najmä ak je tento proces optimalizovaný z hľadiska veľkostnej frakcie častíc a doby pôsobenia. Táto kombinácia má veľký význam pre vývoj spojív v priemyselnom meradle.

Ultrazvukové zariadenia Hielscher na zlepšenie hydratácie cementu, pevnosti a reaktivity strusky

Inline ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher predstavujú výkonný nástroj na zlepšenie hydratácie a pevnosti cementu, najmä v cementových systémoch s prímesou trosky.
Na priemyselnú deaglomeráciu a disperziu cementu poskytujú vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher intenzívne kavitačné šmykové pôsobenie potrebné na rozbitie aglomerátov cementu, strusky a minerálnych plnív na jemne dispergované častice, čím sa zlepšuje zmáčavosť častíc, aktivácia povrchu a homogenita v cementových suspenziách. Systémy spoločnosti Hielscher sú k dispozícii od stolných a pilotných zariadení až po robustné výrobné systémy s vysokou priepustnosťou, vrátane vysokovýkonných inline sonikátorov na kontinuálne spracovanie cementových malty a minerálnych suspenzií. Vďaka tomu je vývoj procesu priamo škálovateľný od R&Od D až po plnú priemyselnú kapacitu. Vďaka eliminácii alebo zníženiu potreby mlecích telies ultrazvuková deaglomerácia zjednodušuje spracovanie, minimalizuje riziko kontaminácie a znižuje náročnosť čistenia, pričom zároveň zabezpečuje reprodukovateľnú kvalitu disperzie. Pre výrobcov cementu a malty preto ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher ponúkajú praktickú cestu k jednotnejším viazacím systémom, zlepšenej kinetike hydratácie, lepšiemu využitiu GBFS a iných doplnkových cementových materiálov, ako aj k výkonnejším zmesiam s nízkym obsahom slinku.

V nasledujúcej tabuľke nájdete orientačné údaje o približnej spracovateľskej kapacite našich systémov s vysokovýkonným ultrazvukom:

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie