Соникација побољшава хидратацију и чврстоћу цемента

Ултразвук велике снаге, познат и као соникација, привлачи све већу пажњу као практична технологија за интензивирање производње цемента и малтера. Недавна истраживања показују да ултразвучна обрада може да побољша дисперзију честица, активира допунске цементне материјале као што је гранулисана високопећна згура (GBFS), убрза хидратацију, уситни структуру пора и знатно повећа чврстоћу у раном узрасту.

Цемент и малтер са додатком згуре побољшаних перформанси уз ултразвук велике снаге

У производњи цемента и малтера, један од главних техничких изазова јесте ефикасна употреба допунских цементних материјала. Гранулисана високопећна згура, или GBFS, широко се користи за смањење садржаја клинкера и побољшање одрживости. Међутим, крупне или агломерисане честице згуре често споро реагују, ограничавајући развој ране чврстоће. Соникација нуди обећавајуће решење: користи акустичку кавитацију високог интензитета за разбијање и дисперговање агломерата, уситњавање честица и повећање броја реактивних места нуклеације унутар цементне матрице.

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 цементној суспензији, ултразвучна кавитација ствара локализоване силе смицања, микромлазеве и флуктуације притиска. Ови ефекти помажу у разбијању агломерата, дисперговању финих честица и откривању свежих минералних површина.
За произвођаче цемента и малтера ово је важно јер хидратација у великој мери зависи од површинских процеса. Боља дисперзија и ситније реактивне честице могу да повећају контакт између воде, клинкерских фаза и честица згуре. То може довести до бржег ослобађања топлоте, побољшаног раног очвршћавања и гушће микроструктуре.
У системима са додатком згуре, соникација је посебно значајна јер GBFS често захтева активацију. Ултразвучно уситњавање честица GBFS – такозвана сонофрагментација – смањује величину честица, нарочито у фракцији 125–250 μm.

Кључне предности соникације у производњи цемента и малтера

Ултразвук велике снаге подржава индустријску производњу цемента и малтера на више начина:

• Побољшана дисперзија честица: Соникација помаже да се цемент, згура и фине минералне честице равномерније диспергују у пасти или малтерској мешавини.
• Смањена агломерација: Ултразвучна обрада може да разбије накупине честица и може да спречи поновну агломерацију током мешања.
• Уситњавање зрна: Крупније честице згуре могу да се уситне у финије фракције, чиме се повећава расположива површина.
• Више места нуклеације: Уситњене честице GBFS могу да делују као центри нуклеације за производе хидратације у цементној матрици.
• Убрзана хидратација: Боља дисперзија и откривене површине могу да повећају кумулативно ослобађање топлоте и убрзају рано очвршћавање.
• Већа рана чврстоћа: Цементне пасте са додатком згуре обрађене соникацијом могу да покажу знатно повећање чврстоће при притиску и савијању после само два дана.
• Побољшана микроструктура: Соникација може да повећа показатеље нанопорозности и измени структуру пора, посебно у опсегу величине пора од 2–10 nm.

Утицај ултразвучне обраде великом снагом (PUS) на брзину ултразвучног импулса у цементним пастама током хидратације

Брже везивање и рана чврстоћа у префабрикованом бетону уз ултразвук велике снаге

Студија „Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes“ ауторке Ch. Rößler испитује пасте од портланд цемента на бази CEM I 42,5 R, са водоцементним односом од 0,37 и 0,1% полиакрилатног суперпластификатора. У студији је коришћен соникатор Hielscher UIP1000hd у проточној поставци како би се проценило да ли ултразвук велике снаге може да убрза хидратацију, побољша течљивост, скрати време везивања и повећа рану чврстоћу.
Резултати показују да ултразвук велике снаге (PUS) убрзава главни период хидратације. Температурна крива показује ранији врхунац хидратације, док су снимци микроструктуре након пет сати показали веће C-S-H фазе у пасти третираној ултразвуком него у референтној пасти.
Остварене кључне предности:

• Већа течљивост: слегање се повећало са 122 mm у референтној пасти на 158 mm након третмана PUS.
• Брже везивање: време до почетка везивања скраћено је са 5 h 15 min на 3 h 45 min, а време до краја везивања са 6 h 45 min на 4 h 30 min.
• Убрзано укрућивање: брзина ултразвучног импулса указала је на приближно 2 сата брже очвршћавање.
• Већа рана чврстоћа: призме од малтера израђене од цементне пасте третиране PUS показале су повећану чврстоћу при притиску током прва 24 сата.
• Потенцијал за економичнији процес: аутори су проценили да би унос енергије од приближно 10 kWh/m³ цементне пасте могао да убрза везивање и развој ране чврстоће за око два сата, уз наведени трошак од ≤ 1 евро/m³ бетона.
• Смањена потреба за хемијским додацима: пошто је PUS повећао течљивост, аутори су закључили да би доза суперпластификатора потенцијално могла да се смањи.

Ови резултати су посебно значајни за производњу префабрикованих бетонских елемената, где брже везивање и рана чврстоћа могу да скрате време задржавања у оплати, смање потребу за загревањем и скрате производне циклусе.

Тврдоћа по Викерсу и модул еластичности паста C + S припремљених конвенционално и уз примену ултразвука велике снаге након 28 d.
Графикони и студија: ©Lisowski et al. 2024.

Већа рана чврстоћа цементне пасте са додатком GBFS

Један од најважнијих налаза за индустријску примену цемента и малтера јесте побољшање ране чврстоће. Према Lisowski et al. (2024), третман пулсним ултразвуком цементних паста које садрже 20% депоноване GBFS довео је до знатно веће чврстоће након два дана. Пријављена повећања достигла су до 132% за чврстоћу при притиску и 58% за чврстоћу при савијању.
Ово је веома значајно за префабриковани бетон, суве мешавине малтера, репаратурне малтере, лепкове за плочице и друге производе на бази цемента код којих су рано вађење из калупа, рано постизање чврстоће потребне за руковање или брз напредак изградње економски важни.
Повећање чврстоће било је у корелацији са повећаном кумулативном топлотом очвршћавања, што указује на то да соникација не побољшава само физичко дисперговање већ и интензивира рану хидратацију. У практичном смислу, то значи да би ултразвук велике снаге могао да помогне произвођачима да ефикасније користе згуру без жртвовања раних перформанси.

SEM снимци узорка цементне пасте са GBFS, ознаке C + S, који пореде ефекат без примене и уз примену ултразвука велике снаге након 28d.
Снимци и студија: ©Lisowski et al. 2024.

Сонофрагментација чини крупније фракције згуре кориснијим

Посебно вредан резултат јесте ефикасна активација релативно крупних фракција GBFS. Студија је утврдила да је фракција згуре од 125–250 μm дала најбољу рану чврстоћу и чврстоћу након 28 дана када је комбинована са сепарацијом честица депоноване згуре и третманом ултразвуком велике снаге.
Ово је индустријски значајно јер млевење згуре до веома ситних честица захтева много енергије. Ако соникација побољшава реактивност крупнијих или депонованих фракција GBFS, произвођачи могу да смање потребу за млевењем, повећају ефикасност коришћења сировина и боље искористе токове секундарних материјала.
 
Сазнајте како ултразвучно дисперговање олакшава производњу цементних малтера ојачаних наноматеријалима!

Индустријски значај: 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 интензивирања процеса током припреме суспензије, активације везива, дисперговања адитива или мешања малтера високих перформанси. Ова технологија је посебно привлачна за производе који зависе од расподеле финих честица, брзе хидратације и оптимизоване употребе допунских цементних материјала.

• Већа рана чврстоћа без повећања садржаја клинкера
• Боља активација GBFS и других допунских цементних материјала
• Боље искоришћење крупних или исталожених фракција згуре
• Смањена агломерација у цементним суспензијама
• Уједначенији ток хидратације и очвршћавања
• Могуће смањење интензитета млевења за одабране токове згуре
• Побољшане перформансе цементних формулација са ниским садржајем клинкера и ниским емисијама угљеника

То чини соникацију веома значајном за производњу одрживог цемента, цемента са згуром, малтера високих перформанси, префабрикованих елемената, материјала за санацију и специјалних грађевинских производа.

Соникација као алат за технологију цемента са ниским емисијама угљеника

Цементна индустрија је под притиском да смањи емисије CO₂, а смањење удела клинкера један је од најдиректнијих путева ка том циљу. Међутим, већи степени замене клинкера помоћу GBFS, летећег пепела, калцинисане глине или других допунских цементних материјала могу успорити развој ране чврстоће. Ултразвук високог интензитета може помоћи у превазилажењу овог уског грла побољшањем дисперговања, активацијом честица и убрзавањем ране хидратације.
Соникација може учинити цементне пасте са додатком згуре реактивнијим и механички чвршћим, посебно када је процес оптимизован у погледу фракције величине честица и времена третмана. Та комбинација је веома значајна за пројектовање везива у индустријским размерама.

Hielscher соникатори за побољшану хидратацију цемента, већу чврстоћу и реактивност згуре

Hielscher проточни соникатори су моћан алат за побољшање хидратације и чврстоће цемента, посебно у цементним системима са додатком згуре.
За индустријску деагломерацију и дисперговање цемента, Hielscher соникатори високих перформанси обезбеђују интензивно кавитационо смицање потребно за разбијање агломерата цемента, згуре и минералних пунила у фино дисперговане честице, побољшавајући квашење честица, активацију површине и хомогеност цементних суспензија. Hielscher системи су доступни у распону од стоних и пилотских система до робусних производних система великог капацитета обраде, укључујући проточне соникаторе велике снаге за континуирану обраду цементне инјекционе масе и минералних суспензија. То омогућава директно повећање размере процеса од истраживања и развоја до пуног индустријског капацитета обраде. Елиминисањем или смањењем потребе за меливним телима, ултразвучна деагломерација поједностављује обраду, своди ризике од контаминације на минимум и смањује потребан рад на чишћењу, уз обезбеђивање поновљивог квалитета дисперговања. За произвођаче цемента и малтера, Hielscher соникатори стога нуде практичан пут ка уједначенијим системима везива, побољшаној кинетици хидратације, бољем искоришћењу GBFS и других допунских цементних материјала и формулацијама са ниским садржајем клинкера и вишим перформансама.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших система ултразвука високог интензитета:

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher добро су познати по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако се носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Hielscher Ultrasonics је компанија сертификована према ISO стандардима и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставним коришћењем. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Литература / Референце

• 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.