Соникација побољшава хидратацију цемента и чврстоћу

Снажан ултразвук, познат и као соникација, привлачи пажњу као практична технологија интензификације за производњу цемента и малтера. Недавна истраживања показују да ултразвучни третман може побољшати распршеност честица, активирати помоћне цементне материјале као што је гранулисана шљака из топионичког пуза (ГБФС), убрзати хидратацију, побољшати структуру пора и значајно повећати рану чврстоћу.

Цемент и малтер мешани са шљаком са већим перформансама уз примену снажног ултразвука

U proizvodnji cementa i maltera, jedan od glavnih tehničkih izazova je efikasna upotreba dodatnih cementnih materijala. Granulisani šljaka iz visoke peći, ili GBFS, široko se koristi za smanjenje sadržaja klinkera i poboljšanje održivosti. Međutim, grubi ili aglomerisani čestice šljake često reaguju sporo, ograničavajući rani razvoj čvrstoće. Sonikacija nudi obećavajuće rešenje: koristi visokointenzivnu akustičnu kavitaciju za razbijanje aglomerata, fragmentaciju čestica i povećanje broja reaktivnih nukleacionih mesta unutar cementne matrice.

Зашто је соникација важна за хидратацију цемента

Предност соникације лежи у њеној способности да делује директно на систем честица пре и током ране хидратације. У цементном суспензији, ултразвучна кавитација генерише локализоване сечне силе, микроџетове и флуктуације притиска. Ови ефекти помажу у разбијању агломерата, дисперзији финог праха и откривању свежих минералних површина.
За произвођаче цемента и малтера, ово је важно јер је хидратација у великој мери вођена површином. Боља дисперзија и мање реактивне честице могу повећати контакт између воде, клинкерских фаза и честица шљаке. Ово може довести до бржег ослобађања топлоте, побољшаног раног очвршћавања и гушће микроструктуре.
In slag-blended systems, sonication is especially relevant because GBFS often requires activation. Ultrasonic particle fragmentation – so-called sonofragmentation – of GBFS particles reduces particle size, particularly the 125–250 μm fraction.

Key Advantages of Sonication in Cement and Mortar Production

Power ultrasound supports industrial cement and mortar production in several ways:

• Improved particle dispersion: Sonication helps disperse cement, slag and fine mineral particles more uniformly in the paste or mortar mix.
• Reduced agglomeration: Ultrasonic treatment can break down particle clusters and may inhibit re-agglomeration during mixing.
• Рафинирање зрна: Coarser slag particles can be fragmented into finer fractions, increasing available surface area.
• More nucleation sites: Фрагментиране ГБФС честице могу да делују као нуклеације центара за хидратацију производа у цементне матрице.
• Убрзана хидратација: Боља дисперзија и изложене површине могу повећати кумулативно ослобађање топлоте и рано каљење.
• Виша рана снага: Соницатед шљака-меша цементне пасте могу показати значајне добитке у притиска и савијања чврстоће након само два дана.
• Енханцед мицроструцтуре: Соницатион може повећати индикаторе нанопорозности и модификовати структуру пора, посебно у распону пора од 2–10 нм.

Утицај ултразвучне обраде (ПУС) на брзину ултразвучног пулса хидратантних цементних паста

Брже постављање и рана чврстоћа у префабрикованом бетону са ултразвуком снаге

Студија “Утицај моћног ултразвука на флуидност и везивање портланд цементних паста” by Ch. Rößler investigates Portland cement pastes based on CEM I 42.5 R, a w/c ratio of 0.37 and 0.1% polyacrylate superplasticizer. The study usedsa Hielscher UIP1000hd sonicator in flow-through setup to evaluate whether power ultrasound could accelerate hydration, improve fluidity, shorten setting and increase early strength.
The results show that power ultrasound (PUS) accelerates the main hydration period. The temperature curve demonstrate an earlier hydration peak, while the microstructure images after five hours showed larger C-S-H phases in the ultrasound-treated paste than in the reference.
Key advantages achieved:

• Higher fluidity: slump increased from 122 mm in the reference paste to 158 mm after PUS treatment.
• Faster setting: Иницијални сет је скраћен са 5 х 15 мин на 3 х 45 мин, а коначни сет од 6 х 45 мин до 4 х 30 мин.
• Убрзана ригидифицатион: Ултразвучна брзина импулса указао је на приближно 2 сата брже каљење.
• Виша рана снага: Малтер призме произведене од цементне пасте третиране ПУС показале су повећану чврстоћу на притисак током првих 24 сата.
• Потенцијал процес-економија: аутори су проценили да би унос енергије од приближно 10 кВх / м ³ цементне пасте могао убрзати постављање и рану чврстоћу за око два сата, са назначеном ценом од ≤ 1 евра / м ³ бетона.
• Смањена потражња за додацима: јер је ПУС повећао флуидност, аутори су закључили да се доза суперпластификатора потенцијално може смањити.

Ови резултати су посебно релевантни за производњу бетонских елемената, где брже стезање и рана чврстоћа могу да смање време израде калупа, потребу за грејањем и производне циклусе.

Викова тврдоћа и модул еластичности Ц + С паста припремљених конвенционално и уз употребу моћног ултразвука након 28 дана.
Графикони и студија: ©Лисовски и др. 2024.

Јача рана чврстоћа у пасти цемента са додатком ГБФС

One of the most important findings for industrial cement and mortar applications is the improvement in early-age strength. According to Lisowski et al. (2024), pulsed ultrasound treatment of cement pastes containing 20% deposited GBFS produced considerably higher strength after two days. The reported increases reached up to 132% in compressive strength and 58% in flexural strength.
This is highly relevant for precast concrete, dry-mix mortar, repair mortars, tile adhesives and other cementitious products where early demolding, early handling strength or rapid construction progress is economically important.
Povećanje čvrstoće bilo je u korelaciji sa povećanim kumulativnim zagrevanjem tokom stvrdnjavanja, što sugeriše da sonikacija ne poboljšava samo fizičku disperziju već i intenzivira ranu hidrataciju. U praktičnom smislu, ovo znači da snazni ultrazvuk može pomoći proizvođačima da efikasnije koriste šljaku bez žrtvovanja rane čvrstoće.

SEM snimci uzorka Cement-GBFS paste C + S koji upoređuju efekat bez i sa snaznim ultrazvukom na 28 dana.
Slike i studija: ©Lisowski i saradnici 2024.

Sonofragmentacija čini grublje frakcije šljake korisnijim

Посебно вредан резултат је ефикасна активација релативно грубих фракција ГБФС-а. Истраживање је показало да је фракција шљаке од 125–250 μм пружала најбољу рану и 28-дневну чврстоћу када је била комбинована са сепарацијом депонованих честица шљаке и третманом ултразвуком.
Ово је индустријски значајно јер млевење шљаке на веома фине величине захтева много енергије. Ако ултразвучна обрада побољшава реактивност грубљих или депонованих фракција ГБФС-а, произвођачи могу смањити потребу за млевењем, побољшати ефикасност сировина и боље искористити секундарне токове материјала.
 
Сазнајте како ултразвучна дисперзија олакшава производњу малтера ојачаних наночестицама!

Индустријска релевантност: Ултразвук велике снаге за ефикасну производњу цемента и малтера

За индустријске произвођаче цемента и малтера, соникација нуди неколико стратешких предности. Може се интегрисати као корак интензификације процеса током припреме пасте, активације везива, дисперзије адитива или мешања малтера високих перформанси. Технологија је посебно атрактивна за производе који зависе од финог расподела честица, брзе хидратације и оптимизоване употребе додатних цементних материјала.

• Виша рана чврстоћа без повећања садржаја клинкера
• Боља активација GBFS и других додатних цементних материјала
• Побољшана употреба грубих или депонованих фракција шљаке
• Смањена агломерација у цементним суспензија
• Више конзистентна хидратација и каљење
• Потенцијално смањење интензитета брушења за одабране струје шљаке
• Побољшане перформансе ниско-клинкер и ниско-угљеника цементних формулација

Ово чини ултразвучност веома релевантан за производњу одрживог цемента, шљаке цемента, малтера високих перформанси, префабрикованих елемената, материјала за поправку и специјалних грађевинских производа.

Соникација као алат за технологију нискоугљичног цемента

The cement industry is under pressure to reduce CO₂ emissions, and lowering the clinker factor is one of the most direct routes. However, higher replacement levels with GBFS, fly ash, calcined clay or other supplementary cementitious materials can slow down early strength development. Power ultrasound may help overcome this bottleneck by improving dispersion, activating particles and accelerating early hydration.
Sonication can make slag-blended cement pastes more reactive and mechanically stronger, especially when the process is optimized for particle size fraction and treatment time. That combination is highly relevant for industrial-scale binder engineering.

Hielscher Sonicators for Enhanced Cement Hydration, Strength and Slag Reactivity

Хилшер инлајн соникатори су моћан алат за побољшање хидрације цемента и чврстоће, нарочито у цементним системима помешаним са шљаком.
За индустријску деагломерацију и дисперзију цемента, Хилшер соникатори високих перформанси пружају интензивни кавитациони сечење потребно за разбијање агломерата цемента, шљаке и минералних филера у фино дисперговане честице, побољшавајући навлаживање честица, активацију површине и хомогеност у цементним мешавинама. Хилшер системи су доступни од лабораторијских и пилотских скала до робусних високопропусних производних система, укључујући и високопотентне инлајн соникаторе за континуирану обраду цементне запремине и минералних суспензија. Ово омогућава да се развој процеса директно скалира од R&D do punog industrijskog protoka. Eliminisanjem ili smanjenjem potrebe za mlinskim medijima, ultrazvučna deaglomeracija pojednostavljuje obradu, minimizira rizik od kontaminacije i smanjuje napor za čišćenje, istovremeno osiguravajući ponovljiv kvalitet disperzije. Za proizvođače cementa i maltera, Hielscher sonikatori stoga nude praktičan način za postizanje ujednačenijih sistema veziva, poboljšanu kinetiku hidratacije, bolju upotrebu GBFS-a i drugih dodatnih cementnih materijala, kao i formulacije niskog klinkera sa višim performansama.

Tabela ispod vam daje indikaciju približnog kapaciteta obrade naših sistema sa ultrazvukom visokog intenziteta:

Дизајн, производња и консалтинг – Квалитет Маде ин Германи

Хиелсцхер ултрасоникатори су познати по свом највишем квалитету и стандардима дизајна. Робусност и једноставан рад омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних апарата у индустријске објекте. Хиелсцхер ултрасоникатори се лако носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Хиелсцхер Ултрасоницс је ИСО сертификована компанија и ставља посебан нагласак на ултрасоникаторе високих перформанси са најсавременијом технологијом и једноставношћу за коришћење. Наравно, Хиелсцхер ултрасоникатори су усаглашени са ЦЕ и испуњавају захтеве УЛ, ЦСА и РоХ.

Литература / Референце