Ultraljudsbehandling förbättrar cementets hydratisering och hållfasthet

Effektultraljud, även kallat sonikering, får allt större uppmärksamhet som en praktisk teknik för processintensifiering vid cement- och brukstillverkning. Ny forskning visar att ultraljudsbehandling kan förbättra partikeldispergeringen, aktivera tillsatsmaterial med bindemedelsegenskaper såsom granulerad masugnsslagg (GBFS), påskynda hydratiseringen, förfina porstrukturen och avsevärt öka hållfastheten vid tidig ålder.

Cement och bruk med slagginblandning och högre prestanda med effektultraljud

Vid cement- och brukstillverkning är en av de stora tekniska utmaningarna att effektivt utnyttja tillsatsmaterial med bindemedelsegenskaper. Granulerad masugnsslagg, eller GBFS, används i stor utsträckning för att minska klinkerhalten och förbättra hållbarheten. Grova eller agglomererade slaggpartiklar reagerar dock ofta långsamt, vilket begränsar den tidiga hållfasthetsutvecklingen. Ultraljudsbehandling erbjuder en lovande lösning: den använder högintensiv akustisk kavitation för att dispergera agglomerat, fragmentera partiklar och öka antalet reaktiva kärnbildningsställen i cementmatrisen.

Varför ultraljudsbehandling är viktig för cementets hydratisering

Fördelen med ultraljudsbehandling ligger i dess förmåga att verka direkt på partikelsystemet före och under den tidiga hydratiseringen. I en cementbaserad suspension genererar ultraljudskavitation lokala skjuvkrafter, mikrostrålar och tryckfluktuationer. Dessa effekter hjälper till att bryta upp agglomerat, dispergera fina partiklar och frilägga nya mineralytor.
För cement- och brukstillverkare är detta viktigt eftersom hydratiseringen i hög grad styrs av ytorna. Bättre dispergering och mindre reaktiva partiklar kan öka kontakten mellan vatten, klinkerfaser och slaggpartiklar. Detta kan leda till snabbare värmeutveckling, förbättrad tidig härdning och en tätare mikrostruktur.
I system med slagginblandning är ultraljudsbehandling särskilt relevant eftersom GBFS ofta kräver aktivering. Fragmentering av GBFS-partiklar med ultraljud – så kallad sonofragmentering – minskar partikelstorleken, särskilt i fraktionen 125–250 μm.

Viktiga fördelar med ultraljudsbehandling vid cement- och brukstillverkning

Effektultraljud stöder industriell cement- och brukstillverkning på flera sätt:

• Förbättrad partikeldispergering: Ultraljudsbehandling hjälper till att dispergera cement, slagg och fina mineralpartiklar jämnare i pastan eller bruksblandningen.
• Minskad agglomerering: Ultraljudsbehandling kan bryta upp partikelkluster och kan hämma återagglomerering under blandningen.
• Kornförfining: Grövre slaggpartiklar kan fragmenteras till finare fraktioner, vilket ökar den tillgängliga ytan.
• Fler kärnbildningsställen: Fragmenterade GBFS-partiklar kan fungera som kärnbildningscentra för hydratiseringsprodukter i cementmatrisen.
• Påskyndad hydratisering: Bättre dispergering och frilagda ytor kan öka den kumulativa värmeutvecklingen och påskynda den tidiga härdningen.
• Högre tidig hållfasthet: Ultraljudsbehandlade cementpastor med slagginblandning kan uppvisa betydande ökningar av tryck- och böjhållfastheten efter endast två dygn.
• Förbättrad mikrostruktur: Ultraljudsbehandling kan öka indikatorerna för nanoporositet och förändra porstrukturen, särskilt i porstorleksintervallet 2–10 nm.

Inverkan av effektultraljudsbehandling (PUS) på ultraljudets pulshastighet i hydratiserande cementpastor

Snabbare bindning och tidig hållfasthet i prefabricerad betong med effektultraljud

Studien ”Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes” av Ch. Rößler undersöker portlandcementpastor baserade på CEM I 42,5 R, ett vattencementtal på 0,37 och 0,1% polyakrylatbaserat superplasticerande tillsatsmedel. I studien användes en Hielscher UIP1000hd-ultraljudsapparat i en genomströmningsuppställning för att utvärdera om effektultraljud kunde påskynda hydratiseringen, förbättra flytförmågan, förkorta bindningstiden och öka den tidiga hållfastheten.
Resultaten visar att effektultraljud (PUS) påskyndar den huvudsakliga hydratiseringsperioden. Temperaturkurvan visar en tidigare hydratiseringstopp, medan mikrostrukturbilderna efter fem timmar visade större C-S-H-faser i den ultraljudsbehandlade pastan än i referensen.
Viktiga fördelar som uppnåddes:

• Bättre flytförmåga: sättmåttet ökade från 122 mm i referenspastan till 158 mm efter PUS-behandling.
• Snabbare bindning: tiden till bindningens början förkortades från 5 h 15 min till 3 h 45 min och tiden till bindningens slut från 6 h 45 min till 4 h 30 min.
• Snabbare styvhetsutveckling: ultraljudspulshastigheten indikerade cirka 2 timmar snabbare hårdnande.
• Högre tidig hållfasthet: bruksprismor tillverkade av PUS-behandlad cementpasta uppvisade ökad tryckhållfasthet under de första 24 timmarna.
• Processekonomisk potential: författarna uppskattade att en energitillförsel på cirka 10 kWh/m³ cementpasta kunde tidigarelägga bindning och tidig hållfasthetsutveckling med omkring två timmar, med en angiven kostnad på ≤ 1 euro/m³ betong.
• Minskat behov av tillsatsmedel: eftersom PUS förbättrade flytförmågan drog författarna slutsatsen att doseringen av superplasticerande tillsatsmedel potentiellt kunde minskas.

Dessa resultat är särskilt relevanta för tillverkning av prefabricerad betong, där snabbare bindning och tidig hållfasthet kan minska tiden i form, uppvärmningsbehovet och produktionscykeltiderna.

Vickershårdhet och elasticitetsmodul efter 28 d för C + S-pastor framställda konventionellt och med effektultraljud.
Diagram och studie: ©Lisowski et al. 2024.

Högre tidig hållfasthet i cementpasta med GBFS-inblandning

Ett av de viktigaste resultaten för industriella cement- och brukstillämpningar är förbättringen av den tidiga hållfastheten. Enligt Lisowski et al. (2024) gav pulsad ultraljudsbehandling av cementpastor innehållande 20% deponerad GBFS betydligt högre hållfasthet efter två dygn. De rapporterade ökningarna uppgick till upp till 132% för tryckhållfastheten och 58% för böjhållfastheten.
Detta är mycket relevant för prefabricerad betong, torrbruk, reparationsbruk, fästmassor för keramiska plattor och andra cementbaserade produkter där tidig avformning, tidig hanteringshållfasthet eller snabba byggframsteg är ekonomiskt viktiga.
Hållfasthetsökningen korrelerade med ökad kumulativ värmeutveckling vid hårdnandet, vilket tyder på att ultraljudsbehandling inte bara förbättrar den fysikaliska dispergeringen utan också intensifierar den tidiga hydratiseringen. I praktiken innebär detta att effektultraljud skulle kunna hjälpa tillverkare att använda slagg mer effektivt utan att försämra de tidiga egenskaperna.

SEM-bilder av cement-GBFS-pastaprovet C + S som jämför effekten utan och med effektultraljud vid 28d.
Bilder och studie: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmentering gör grövre slaggfraktioner mer användbara

Ett särskilt värdefullt resultat är den effektiva aktiveringen av relativt grova GBFS-fraktioner. Studien visade att slaggfraktionen 125–250 μm gav den bästa tidiga hållfastheten och den bästa 28-dygnshållfastheten när den kombinerades med separation av deponerade slaggpartiklar och behandling med effektultraljud.
Detta är industriellt betydelsefullt eftersom malning av slagg till mycket fina partikelstorlekar är energikrävande. Om ultraljudsbehandling förbättrar reaktiviteten hos grövre eller deponerade GBFS-fraktioner kan tillverkare minska malningsbehovet, förbättra råvarueffektiviteten och bättre utnyttja sekundära materialströmmar.
 
Läs om hur ultraljudsdispergering underlättar tillverkningen av nanoförstärkta cementbruk!

Industriell relevans: effektultraljud för effektiv cement- och brukstillverkning

För industriella cement- och brukstillverkare erbjuder ultraljudsbehandling flera strategiska fördelar. Den kan integreras som ett processintensifierande steg vid beredning av slurry, aktivering av bindemedel, dispergering av tillsatsmedel eller blandning av högpresterande bruk. Tekniken är särskilt attraktiv för produkter som är beroende av fin partikelfördelning, snabb hydratisering och optimerad användning av tillsatsmaterial.

• Högre tidig hållfasthet utan att öka klinkerhalten
• Bättre aktivering av GBFS och andra tillsatsmaterial
• Förbättrat utnyttjande av grova eller deponerade slaggfraktioner
• Minskad agglomerering i cementbaserade suspensioner
• Jämnare hydratiserings- och hårdnandeförlopp
• Potentiellt minskad malningsintensitet för utvalda slaggströmmar
• Förbättrad prestanda hos cementformuleringar med låg klinkerhalt och lågt koldioxidavtryck

Detta gör ultraljudsbehandling mycket relevant för produktion av hållbar cement, slaggcement, högpresterande bruk, prefabricerade element, reparationsmaterial och specialprodukter för byggindustrin.

Ultraljudsbehandling som verktyg för cementteknik med lågt koldioxidavtryck

Cementindustrin är under press att minska CO₂-utsläppen, och att sänka klinkerfaktorn är en av de mest direkta vägarna. Högre ersättningsgrader med GBFS, flygaska, kalcinerad lera eller andra tillsatsmaterial kan dock bromsa den tidiga hållfasthetsutvecklingen. Högeffektultraljud kan bidra till att övervinna denna flaskhals genom att förbättra dispergeringen, aktivera partiklar och påskynda den tidiga hydratiseringen.
Ultraljudsbehandling kan göra slaggblandade cementpastor mer reaktiva och mekaniskt starkare, särskilt när processen optimeras med avseende på partikelstorleksfraktion och behandlingstid. Denna kombination är mycket relevant för utveckling av bindemedel i industriell skala.

Hielschers ultraljudsapparater för förbättrad cementhydratisering, hållfasthet och slagreaktivitet

Hielschers inline-ultraljudsapparater är ett kraftfullt verktyg för att förbättra cementens hydratisering och hållfasthet, särskilt i slaggblandade cementbaserade system.
För industriell deagglomerering och dispergering av cement ger Hielschers högpresterande ultraljudsapparater den intensiva kavitationsinducerade skjuvning som krävs för att bryta upp agglomerat av cement, slagg och mineraliska fyllmedel till fint dispergerade partiklar, vilket förbättrar partikelvätning, ytaktivering och homogenitet i cementbaserade slurryer. Hielschers system finns från bänk- och pilotskala till robusta produktionssystem med hög genomströmningskapacitet, inklusive inline-ultraljudsapparater med hög effekt för kontinuerlig bearbetning av cementbaserade injekteringsbruk och mineralsuspensioner. Detta gör processutvecklingen direkt skalbar från forskning och utveckling till full industriell genomströmningskapacitet. Genom att eliminera eller minska behovet av malkroppar förenklar deagglomerering med ultraljud bearbetningen, minimerar föroreningsriskerna och minskar rengöringsarbetet, samtidigt som den ger reproducerbar dispergeringskvalitet. För cement- och brukstillverkare erbjuder Hielschers ultraljudsapparater därför en praktisk väg till jämnare bindemedelssystem, förbättrad hydratiseringskinetik, bättre utnyttjande av GBFS och andra tillsatsmaterial samt formuleringar med låg klinkerhalt och högre prestanda.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra högeffektultraljudssystem:

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina allra högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Självklart uppfyller Hielschers ultraljudsapparater CE-kraven samt kraven från UL, CSA och RoHs.

Litteratur / Referenser

• 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.