Sonikacija izboljša hidratacijo in trdnost cementa

Ultrazvok velike moči, znan tudi kot sonikacija, pridobiva pozornost kot praktična tehnologija za intenzifikacijo proizvodnje cementa in malte. Nedavne raziskave kažejo, da lahko ultrazvočna obdelava izboljša dispergiranje delcev, aktivira dodatne cementne materiale, kot je granulirana plavžna žlindra (GBFS), pospeši hidratacijo, izboljša strukturo por in znatno poveča zgodnjo trdnost.

Zmogljivejša cement in malta z dodatkom žlindre z uporabo ultrazvoka velike moči

Pri proizvodnji cementa in malte je eden glavnih tehničnih izzivov učinkovita uporaba dodatnih cementnih materialov. Granulirana plavžna žlindra oziroma GBFS se pogosto uporablja za zmanjšanje vsebnosti klinkerja in izboljšanje trajnostnosti. Vendar grobi ali aglomerirani delci žlindre pogosto reagirajo počasi, kar omejuje razvoj zgodnje trdnosti. Sonikacija ponuja obetavno rešitev: uporablja akustično kavitacijo visoke intenzivnosti za dispergiranje aglomeratov, drobljenje delcev in povečanje števila reaktivnih nukleacijskih mest v cementni matrici.

Zakaj je sonikacija pomembna za hidratacijo cementa

Prednost sonikacije je v njeni zmožnosti neposrednega delovanja na sistem delcev pred zgodnjo hidratacijo in med njo. V cementni suspenziji ultrazvočna kavitacija ustvarja lokalizirane strižne sile, mik curke in nihanja tlaka. Ti učinki pomagajo razbiti aglomerate, dispergirati drobne delce in razkriti sveže mineralne površine.
Za proizvajalce cementa in malte je to pomembno, saj hidratacijo v veliki meri določajo površinski procesi. Boljše dispergiranje in manjši reaktivni delci lahko povečajo stik med vodo, klinkerjevimi fazami in delci žlindre. To lahko privede do hitrejšega sproščanja toplote, izboljšanega zgodnjega strjevanja in gostejše mikrostrukture.
V sistemih z dodatkom žlindre je sonikacija še posebej pomembna, saj GBFS pogosto zahteva aktivacijo. Ultrazvočno drobljenje delcev GBFS – tako imenovana sonofragmentacija – zmanjša velikost delcev, zlasti v frakciji 125–250 μm.

Ključne prednosti sonikacije pri proizvodnji cementa in malte

Ultrazvok velike moči podpira industrijsko proizvodnjo cementa in malte na več načinov:

• Izboljšano dispergiranje delcev: Sonikacija pomaga enakomerneje dispergirati cement, žlindro in drobne mineralne delce v pasti ali mešanici malte.
• Zmanjšana aglomeracija: Ultrazvočna obdelava lahko razbije skupke delcev in lahko zavira ponovno aglomeracijo med mešanjem.
• Drobnejša zrna: Grobejše delce žlindre je mogoče zdrobiti v drobnejše frakcije, s čimer se poveča razpoložljiva površina.
• Več nukleacijskih mest: Zdrobljeni delci GBFS lahko delujejo kot nukleacijska središča za produkte hidratacije v cementni matrici.
• Pospešena hidratacija: Boljše dispergiranje in razkrite površine lahko povečajo kumulativno sproščanje toplote in pospešijo zgodnje strjevanje.
• Višja zgodnja trdnost: Sonikirane cementne paste z dodatkom žlindre lahko že po samo dveh dneh izkazujejo znatno povečanje tlačne in upogibne trdnosti.
• Izboljšana mikrostruktura: Sonikacija lahko poveča kazalnike nanoporoznosti in spremeni strukturo por, zlasti v območju por 2–10 nm.

Vpliv ultrazvočne obdelave z veliko močjo (PUS) na hitrost ultrazvočnih impulzov v cementnih pastah med hidratacijo

Hitrejše vezanje in zgodnja trdnost prefabriciranega betona z ultrazvokom velike moči

Študija »Vpliv ultrazvoka velike moči na tekočnost in vezanje portlandcementnih past« avtorice Ch. Rößler raziskuje portlandcementne paste na osnovi CEM I 42,5 R z razmerjem w/c 0,37 in 0,1% poliakrilatnega superplastifikatorja. V študiji je bil uporabljen sonikator Hielscher UIP1000hd v pretočni postavitvi za oceno, ali bi ultrazvok velike moči lahko pospešil hidratacijo, izboljšal tekočnost, skrajšal vezanje in povečal zgodnjo trdnost.
Rezultati kažejo, da ultrazvok velike moči (PUS) pospeši glavno obdobje hidratacije. Temperaturna krivulja kaže zgodnejši hidratacijski vrh, posnetki mikrostrukture po petih urah pa so pokazali večje faze C-S-H v ultrazvočno obdelani pasti kot v referenčni pasti.
Dosežene ključne prednosti:

• Večja tekočnost: posed se je povečal s 122 mm pri referenčni pasti na 158 mm po obdelavi s PUS.
• Hitrejše vezanje: začetek vezanja se je skrajšal s 5 h 15 min na 3 h 45 min, konec vezanja pa s 6 h 45 min na 4 h 30 min.
• Pospešeno pridobivanje togosti: hitrost ultrazvočnih impulzov je pokazala približno 2 uri hitrejše strjevanje.
• Višja zgodnja trdnost: prizme iz malte, izdelane iz cementne paste, obdelane s PUS, so v prvih 24 urah izkazovale povečano tlačno trdnost.
• Potencial za izboljšanje ekonomičnosti procesa: avtorji so ocenili, da bi lahko vnos energije približno 10 kWh/m³ cementne paste pospešil vezanje in razvoj zgodnje trdnosti za približno dve uri, pri navedenem strošku ≤ 1 evro/m³ betona.
• Manjša potreba po kemijskih dodatkih: ker je PUS povečal tekočnost, so avtorji sklenili, da bi bilo odmerjanje superplastifikatorja potencialno mogoče zmanjšati.

Ti rezultati so še posebej pomembni za proizvodnjo prefabriciranega betona, pri kateri lahko hitrejše vezanje in zgodnja trdnost skrajšata čas zadrževanja v opažu, zmanjšata potrebo po ogrevanju in skrajšata proizvodne cikle.

Trdota po Vickersu in modul elastičnosti past C + S, pripravljenih na običajen način in z uporabo ultrazvoka velike moči, po 28 d.
Grafi in študija: ©Lisowski et al. 2024.

Višja zgodnja trdnost cementne paste z dodatkom GBFS

Ena najpomembnejših ugotovitev za industrijsko uporabo cementa in malte je izboljšanje zgodnje trdnosti. Po navedbah Lisowski et al. (2024) je obdelava cementnih past, ki vsebujejo 20% deponirane GBFS, s pulznim ultrazvokom privedla do občutno višje trdnosti po dveh dneh. Poročana povečanja so dosegla do 132% pri tlačni trdnosti in 58% pri upogibni trdnosti.
To je zelo pomembno za prefabricirani beton, suhe mešanice malt, sanacijske malte, lepila za ploščice in druge cementne izdelke, pri katerih so zgodnje razopaženje, zgodnja trdnost za manipulacijo ali hiter napredek gradnje gospodarsko pomembni.
Povečanje trdnosti je bilo povezano s povečano kumulativno toploto strjevanja, kar nakazuje, da sonikacija ne izboljša zgolj fizikalnega dispergiranja, temveč tudi intenzivira zgodnjo hidratacijo. V praksi to pomeni, da bi ultrazvok velike moči lahko pomagal proizvajalcem učinkoviteje uporabljati žlindro brez poslabšanja zgodnjih lastnosti.

Posnetki SEM vzorca cementne paste z GBFS C + S, ki primerjajo učinek brez uporabe ultrazvoka velike moči in z njim pri starosti 28d.
Posnetki in študija: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentacija poveča uporabnost grobejših frakcij žlindre

Posebej dragocen rezultat je učinkovita aktivacija razmeroma grobih frakcij GBFS. Študija je pokazala, da je frakcija žlindre 125–250 μm zagotavljala najboljšo zgodnjo trdnost in trdnost po 28 dneh v kombinaciji z ločevanjem delcev deponirane žlindre in obdelavo z ultrazvokom velike moči.
To je industrijsko pomembno, saj je mletje žlindre do zelo majhnih velikosti energijsko intenzivno. Če sonikacija izboljša reaktivnost grobejših ali deponiranih frakcij GBFS, lahko proizvajalci zmanjšajo potrebo po mletju, izboljšajo učinkovitost uporabe surovin in bolje izkoristijo tokove sekundarnih materialov.
 
Spoznajte, kako ultrazvočno dispergiranje olajša proizvodnjo cementnih malt, ojačanih z nanomateriali!

Industrijski pomen: ultrazvok velike moči za učinkovito proizvodnjo cementa in malte

Za industrijske proizvajalce cementa in malte sonikacija ponuja več strateških prednosti. Vključiti jo je mogoče kot korak za intenzifikacijo procesa med pripravo suspenzije, aktivacijo veziva, dispergiranjem kemijskih dodatkov ali mešanjem visokozmogljive malte. Tehnologija je še posebej privlačna za izdelke, ki so odvisni od porazdelitve drobnih delcev, hitre hidratacije in optimizirane uporabe dodatnih cementnih materialov.

• Višjo zgodnjo trdnost brez povečanja vsebnosti klinkerja
• Boljšo aktivacijo GBFS in drugih dodatnih cementnih materialov
• Izboljšano uporabo grobih ali deponiranih frakcij žlindre
• Zmanjšano aglomeracijo v cementnih suspenzijah
• Bolj enakomeren potek hidratacije in strjevanja
• Možno zmanjšanje intenzivnosti mletja za izbrane tokove žlindre
• Izboljšane lastnosti cementnih formulacij z nizko vsebnostjo klinkerja in nizkim ogljičnim odtisom

Zato je sonikacija zelo pomembna za proizvodnjo trajnostnega cementa, žlindrinega cementa, visokozmogljivih malt, prefabriciranih elementov, sanacijskih materialov in posebnih gradbenih izdelkov.

Sonikacija kot orodje za tehnologijo cementa z nizkim ogljičnim odtisom

Cementna industrija je pod pritiskom, da zmanjša emisije CO₂, zmanjšanje deleža klinkerja pa je ena najbolj neposrednih poti. Vendar lahko višje stopnje nadomeščanja z GBFS, elektrofiltrskim pepelom, kalcinirano glino ali drugimi dodatnimi cementnimi materiali upočasnijo razvoj zgodnje trdnosti. Ultrazvok velike moči lahko pomaga premagati to ozko grlo z izboljšanjem dispergiranja, aktivacijo delcev in pospeševanjem zgodnje hidratacije.
Sonikacija lahko poveča reaktivnost in mehansko trdnost cementnih past z dodatkom žlindre, zlasti kadar je proces optimiziran glede na velikostno frakcijo delcev in čas obdelave. Ta kombinacija je zelo pomembna za razvoj veziv v industrijskem merilu.

Sonikatorji Hielscher za izboljšano hidratacijo cementa, trdnost in reaktivnost žlindre

Sonikatorji Hielscher za vgradnjo v procesno linijo so zmogljivo orodje za izboljšanje hidratacije in trdnosti cementa, zlasti v cementnih sistemih z dodatkom žlindre.
Za industrijsko deaglomeracijo in dispergiranje cementa visokozmogljivi sonikatorji Hielscher zagotavljajo intenziven kavitacijski strig, potreben za razbijanje aglomeratov cementa, žlindre in mineralnih polnil v fino dispergirane delce, s čimer izboljšajo omočenje delcev, aktivacijo površin in homogenost cementnih suspenzij. Sistemi Hielscher so na voljo od namiznega in pilotnega merila do robustnih proizvodnih sistemov z visoko zmogljivostjo obdelave, vključno s sonikatorji velike moči za vgradnjo v procesno linijo za neprekinjeno obdelavo cementne injekcijske mase in mineralnih suspenzij. To omogoča neposredno povečanje merila razvoja procesa od raziskav in razvoja do polne industrijske zmogljivosti obdelave. Z odpravo ali zmanjšanjem potrebe po mlevnih telesih ultrazvočna deaglomeracija poenostavi obdelavo, zmanjša tveganja kontaminacije in napor pri čiščenju ter hkrati zagotavlja ponovljivo kakovost dispergiranja. Za proizvajalce cementa in malte sonikatorji Hielscher zato ponujajo praktično pot do bolj enakomernih sistemov veziv, izboljšane kinetike hidratacije, boljše uporabe GBFS in drugih dodatnih cementnih materialov ter zmogljivejših formulacij z nizko vsebnostjo klinkerja.

Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših sistemov z ultrazvokom velike moči:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Viri

• 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.