Ultrazvok izboljša hidratacijo in trdnost cementa

Ultrazvok visoke moči, znan tudi kot sonikacija, pritegne vse več pozornosti kot praktična tehnologija za izboljšanje procesov pri proizvodnji cementa in malte. Nedavne raziskave kažejo, da lahko ultrazvočna obdelava izboljša disperzijo delcev, aktivira dodatne cementne materiale, kot je granulirana plavžna žlindra (GBFS), pospeši hidratacijo, izboljša strukturo por in znatno poveča zgodnjo trdnost.

Visokozmogljivi cement in malta z dodatkom žlindre, obdelani z močnim ultrazvokom

Pri proizvodnji cementa in malte je eden od glavnih tehničnih izzivov učinkovita uporaba dodatnih cementnih materialov. Granulirana plavžna žlindra (GBFS) se pogosto uporablja za zmanjšanje vsebnosti klinkerja in izboljšanje trajnosti. Vendar grobi ali aglomerirani delci žlindre pogosto reagirajo počasi, kar omejuje zgodnji razvoj trdnosti. Ultrazvok ponuja obetavno rešitev: z visoko intenzivno akustično kavitacijo razprši aglomerate, zdrobi delce in poveča število reaktivnih mest nukleacije znotraj cementne matrice.

Zakaj je ultrazvok pomemben za hidratacijo cementa

Prednost ultrazvoka je v njegovi sposobnosti, da neposredno vpliva na sistem delcev pred in med zgodnjo hidratacijo. V cementni suspenziji ultrazvočna kavitacija povzroča lokalizirane strižne sile, mikro curke in nihanja tlaka. Ti učinki pomagajo razbiti aglomerate, dispergirati fine delce in razkriti sveže mineralne površine.
Za proizvajalce cementa in malte je to pomembno, saj hidracija v veliki meri poteka na površini. Boljša disperzija in manjši reaktivni delci lahko povečajo stik med vodo, fazami klinkerja in delci žlindre. To lahko privede do hitrejšega sproščanja toplote, izboljšane zgodnje strjevanja in gostejše mikrostrukture.
V sistemih z dodatkom žlindre je ultrazvočna obdelava še posebej pomembna, saj je za GBFS pogosto potrebna aktivacija. Ultrazvočna fragmentacija delcev – tako imenovana sonofragmentacija – delcev GBFS zmanjša velikost delcev, zlasti frakcije 125–250 μm.

Ključne prednosti ultrazvoka pri proizvodnji cementa in malte

Visokofrekvenčni ultrazvok na več načinov podpira industrijsko proizvodnjo cementa in malte:

• Izboljšana disperzija delcev: Ultrazvok pomaga pri bolj enakomerni porazdelitvi cementa, žlindre in drobnih mineralnih delcev v pasti ali malti.
• Zmanjšano aglomeriranje: Ultrazvočna obdelava lahko razgradi skupke delcev in prepreči njihovo ponovno aglomeracijo med mešanjem.
• Prečiščevanje zrn: Grobejše delce žlindre je mogoče zdrobiti na drobnejše frakcije, s čimer se poveča razpoložljiva površina.
• Več mest nukleacije: Razdrobljeni delci GBFS lahko delujejo kot jedra za nastajanje hidratnih produktov v cementni matrici.
• Pospešena hidracija: Boljša disperzija in izpostavljene površine lahko povečajo kumulativno sproščanje toplote in pospešijo strjevanje.
• Večja zgodnja trdnost: Cementne paste, v katere so z ultrazvokom vmešane žlindre, lahko že po dveh dneh pokažejo znatno povečanje tlačne in upogibne trdnosti.
• Izboljšana mikrostruktura: Ultrazvok lahko poveča kazalnike nanoporoznosti in spremeni strukturo por, zlasti v območju velikosti por od 2 do 10 nm.

 

Hitrejše strjevanje in zgodnja trdnost v prefabriciranem betonu z uporabo močnega ultrazvoka

Študija “Vpliv močnega ultrazvoka na fluidnost in nastavitev portlandskih cementnih past” V raziskavi, ki jo je opravil Ch. Rößler, so bile preučene portlandske cementne paste na osnovi CEM I 42,5 R, z razmerjem voda/cement 0,37 in 0,1 % poliakrilatnega superplastifikatorja. V študiji je bil uporabljen ultrazvočni aparat Hielscher UIP1000hd v pretočni konfiguraciji, da bi ocenili, ali lahko močan ultrazvok pospeši hidratacijo, izboljša tekočnost, skrajša čas strjevanja in poveča zgodnjo trdnost.
Rezultati kažejo, da močan ultrazvok (PUS) pospeši glavno fazo hidratacije. Temperaturna krivulja kaže, da je vrh hidratacije dosežen prej, medtem ko so slike mikrostrukture po petih urah pokazale večje C-S-H-faze v z ultrazvokom obdelani masi kot v referenčnem vzorcu.
Ključne prednosti, ki so bile dosežene:

• Večja tekočnost: vlečna dolžina se je povečala s 122 mm v referenčni masi na 158 mm po obdelavi s PUS.
• Hitrejše strjevanje: začetni set je bil skrajšan s 5 ur in 15 minut na 3 ure in 45 minut, zaključni set pa s 6 ur in 45 minut na 4 ure in 30 minut.
• Pospešeno strjevanje: Hitrost ultrazvočnega impulza je pokazala, da se material strdi približno 2 uri hitreje.
• Večja zgodnja trdnost: Maltni prizmi, izdelani iz cementne paste, obdelane s PUS, so v prvih 24 urah pokazali povečano tlačno trdnost.
• Potencial za racionalizacijo procesov: Avtorji so ocenili, da bi energijski vložek v višini približno 10 kWh/m³ cementne paste lahko pospešil strjevanje in zgodnjo trdnost za približno dve uri, pri čemer so navedli strošek v višini ≤ 1 evro/m³ betona.
• Zmanjšano povpraševanje po dodatkih: Ker je PUS povečal tekočnost, so avtorji ugotovili, da bi bilo mogoče zmanjšati odmerjanje superplastifikatorja.

Ti rezultati so še posebej pomembni za proizvodnjo betonskih prefabrikatov, kjer lahko hitrejše strjevanje in zgodnja trdnost skrajšajo čas obdelave z opažem, zmanjšajo potrebo po ogrevanju ter skrajšajo trajanje proizvodnega cikla.

 

 

Večja zgodnja trdnost cementne paste z dodatkom GBFS

Ena najpomembnejših ugotovitev za industrijske uporabe cementa in malte je izboljšanje zgodnje trdnosti. Po podatkih Lisowskega in sod. (2024) je obdelava cementnih past, ki so vsebovale 20 % odloženega GBFS, z impulznim ultrazvokom po dveh dneh prinesla znatno višjo trdnost. Poročano povečanje je doseglo do 132 % pri tlačni trdnosti in 58 % pri upogibni trdnosti.
To je še posebej pomembno pri betonskih prefabrikatih, suhih maltih, maltih za popravila, lepilih za ploščice in drugih cementnih izdelkih, pri katerih je zgodnje odstranjevanje iz kalupa, zgodnja nosilnost ali hiter napredek gradnje gospodarsko pomemben dejavnik.
Povečanje trdnosti je bilo povezano s povečano kumulativno toploto strjevanja, kar kaže, da ultrazvok ne izboljša le fizične disperzije, temveč tudi pospeši zgodnjo hidratacijo. V praksi to pomeni, da bi lahko močan ultrazvok proizvajalcem pomagal pri učinkovitejši uporabi žlindre, ne da bi pri tem prišlo do poslabšanja zgodnjih lastnosti.

 

 

Sonofragmentacija poveča uporabnost grobe frakcije žlindre

Posebej pomemben rezultat je učinkovita aktivacija relativno grobih frakcij GBFS. Študija je pokazala, da je frakcija žlindre velikosti 125–250 μm v kombinaciji z ločevanjem usedlih delcev žlindre in obdelavo z močnim ultrazvokom zagotovila najboljšo zgodnjo trdnost in trdnost po 28 dneh.
To je pomembno z industrijskega vidika, saj je mletje žlindre v zelo fine delce energetsko intenzivno. Če ultrazvok izboljša reaktivnost grobejših ali odloženih frakcij GBFS, lahko proizvajalci zmanjšajo potrebo po mletju, izboljšajo učinkovitost surovin in bolje izkoristijo tokove sekundarnih surovin.
 
Preberite, kako ultrazvočna disperzija olajšuje proizvodnjo nano-armiranih cementnih malte!

Pomen za industrijo: močan ultrazvok za učinkovito proizvodnjo cementa in malte

Za proizvajalce industrijskega cementa in malte ponuja ultrazvok več strateških prednosti. Lahko se vključi kot korak za intenzifikacijo procesa med pripravo suspenzije, aktivacijo veziva, dispergacijo dodatkov ali mešanjem visokozmogljive malte. Ta tehnologija je še posebej privlačna za izdelke, pri katerih sta pomembna porazdelitev drobnih delcev, hitra hidratacija in optimalna uporaba dodatnih cementnih materialov.

Med industrijske prednosti proizvodnje cementa z ultrazvokom spadajo:

• Večja zgodnja trdnost brez povečanja vsebnosti klinkerja
• Boljša aktivacija GBFS in drugih dodatnih cementnih materialov
• Boljša izraba grobih ali odloženih frakcij žlindre
• Zmanjšano aglomeriranje v cementnih suspenzijah
• Bolj enakomerno vpijanje vlage in utrjevanje
• Možno zmanjšanje intenzivnosti mletja za izbrane tokove žlindre
• Izboljšana zmogljivost cementnih formulacij z nizko vsebnostjo klinkerja in ogljika

Zato je ultrazvok izjemno pomemben za proizvodnjo trajnostnega cementa, cementa iz žlindre, visokozmogljivih malte, prefabriciranih elementov, materialov za popravila in specializiranih gradbenih izdelkov.

Ultrazvok kot orodje za tehnologijo cementa z nizkimi emisijami ogljika

Cementna industrija je pod pritiskom, da zmanjša emisije CO₂, pri čemer je znižanje klinkerjevega faktorja eden od najbolj neposrednih načinov. Vendar pa lahko višja stopnja nadomestitve s GBFS, letalnim pepelom, kalcinirano glino ali drugimi dodatnimi cementnimi materiali upočasni razvoj zgodnje trdnosti. Ultrazvok visoke moči lahko pomaga premagati to oviro z izboljšanjem disperzije, aktiviranjem delcev in pospešitvijo zgodnje hidratacije.
Ultrazvok lahko poveča reaktivnost in mehansko trdnost cementnih mas, v katere so vmešane žlindre, zlasti če je postopek optimiziran glede na velikostno sestavo delcev in čas obdelave. Ta kombinacija je izjemno pomembna za razvoj veziv v industrijskem obsegu.

Ultrazvočni aparati Hielscher za izboljšano hidratacijo cementa, trdnost in reaktivnost žlindre

Inline sonikatorji podjetja Hielscher so učinkovito orodje za izboljšanje hidratacije in trdnosti cementa, zlasti v cementnih sistemih z dodatkom žlindre.
Za deaglomeracijo in disperzijo industrijskega cementa visokozmogljivi ultrazvočni aparati podjetja Hielscher zagotavljajo intenzivno kavitacijsko strižno silo, potrebno za razbijanje aglomeratov cementa, žlindre in mineralnih polnil na drobno dispergirane delce, s čimer izboljšujejo omočenje delcev, aktivacijo površine in homogenost cementnih suspenzij. Sistemi podjetja Hielscher so na voljo od namiznih in pilotnih sistemov do robustnih proizvodnih sistemov z visoko zmogljivostjo, vključno z visokozmogljivimi vgrajenimi ultrazvočnimi napravami za neprekinjeno obdelavo cementnih malte in mineralnih suspenzij. To omogoča neposredno prilagajanje razvoja procesa od raziskovalne&Od D do polne industrijske zmogljivosti. Z odpravo ali zmanjšanjem potrebe po mlevnih sredstvih ultrazvočna deaglomeracija poenostavi obdelavo, zmanjša tveganje onesnaženja in zmanjša obseg čiščenja, hkrati pa zagotavlja ponovljivo kakovost disperzije. Za proizvajalce cementa in malte sonikatorji podjetja Hielscher zato ponujajo praktično pot do bolj enotnih vezivnih sistemov, izboljšane kinetike hidratacije, boljše uporabe GBFS in drugih dodatnih cementnih materialov ter visokozmogljivih formulacij z nizko vsebnostjo klinkerja.

V spodnji tabeli je prikazana približna zmogljivost obdelave naših sistemov z močnim ultrazvokom:

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

---

---

 

Literatura / Reference

• 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.