Ultraljudsbehandling förbättrar cementhydratiseringen och hållfastheten

Kraftultraljud, även känt som sonikering, väcker allt större intresse som en praktisk intensifieringsteknik för tillverkning av cement och murbruk. Ny forskning visar att ultraljudsbehandling kan förbättra partikeldispersionen, aktivera cementersättningsmaterial såsom granulerad masugnsslagg (GBFS), påskynda hydratiseringen, förfina porstrukturen och avsevärt öka tidighållfastheten.

Högpresterande cement och murbruk med slaggtillsats och kraftfullt ultraljud

Inom cement- och murbrukstillverkningen är en av de största tekniska utmaningarna att effektivt utnyttja cementersättningsmaterial. Granulerad masugnsslagg, även kallad 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 sprida agglomerat, fragmentera partiklar och öka antalet reaktiva kärnbildningsställen inuti cementmatrisen.

Varför ultraljudsbehandling är viktig för cementhydratiseringen

Fördelen med ultraljudsbehandling ligger i dess förmåga att verka direkt på partikelsystemet före och under den inledande hydratiseringen. I en cementhaltig suspension genererar ultraljudskavitation lokala skjuvkrafter, mikrostrålar och tryckfluktuationer. Dessa effekter bidrar till att bryta upp agglomerat, sprida fina partiklar och blotta färska mineralytor.
För cement- och murbrukstillverkare är detta viktigt eftersom hydratiseringen i hög grad styrs av ytan. Bättre dispersion och mindre reaktiva partiklar kan öka kontakten mellan vatten, klinkerfaser och slaggpartiklar. Detta kan leda till snabbare värmeavgivning, förbättrad tidig härdning och en tätare mikrostruktur.
I system med slaggblandningar är ultraljudsbehandling särskilt viktig eftersom GBFS ofta måste aktiveras. Fragmentering av partiklar med ultraljud – så kallad sonofragmentering – av GBFS-partiklar minskar partikelstorleken, särskilt fraktionen 125–250 μm.

De viktigaste fördelarna med ultraljudsbehandling vid tillverkning av cement och murbruk

Högfrekvent ultraljud underlättar den industriella cement- och murbrukstillverkningen på flera sätt:

• Förbättrad partikeldispersion: Ultraljudsbehandling bidrar till att cement, slagg och fina mineralpartiklar fördelas mer jämnt i pastan eller murbruksblandningen.
• Minskad agglomerering: Ultraljudsbehandling kan bryta ned partikelkluster och kan förhindra att partiklarna klumpar ihop sig igen under blandningen.
• Förfining av korn: Grovare slaggpartiklar kan finfördelas till finare fraktioner, vilket ökar den tillgängliga ytan.
• Fler kärnbildningsställen: Fragmenterade GBFS-partiklar kan fungera som kärnbildningscentra för hydratiseringsprodukter i cementmatrisen.
• Snabbare återfuktning: Bättre spridning och exponerade ytor kan öka den kumulativa värmeavgivningen och leda till tidigare härdning.
• Högre tidig hållfasthet: Cementpastor som blandats med slagg och behandlats med ultraljud kan uppvisa betydande förbättringar av tryck- och böjhållfastheten redan efter två dagar.
• Förbättrad mikrostruktur: Ultraljudsbehandling kan öka indikatorerna för nanoporositet och förändra porstrukturen, särskilt inom porstorleksintervallet 2–10 nm.

 

Snabbare härdning och tidig hållfasthet i prefabricerad betong med kraftfullt ultraljud

Studien “Inverkan av Power-ultraljud på fluiditeten och inställningen av Portland Cement Pastes” av Ch. Rößler undersöker portlandcementpastor baserade på CEM I 42,5 R, ett vatten-cementförhållande på 0,37 och 0,1 % polyakrylat-superplastifieringsmedel. I studien användes en Hielscher UIP1000hd-ultraljudsapparat i en genomströmningskonfiguration för att utvärdera om kraftfullt ultraljud kunde påskynda hydratiseringen, förbättra flytbarheten, förkorta bindningstiden och öka den tidiga hållfastheten.
Resultaten visar att kraftultraljud (PUS) påskyndar den huvudsakliga hydratiseringsfasen. Temperaturkurvan visar att hydratiseringstoppen inträffar tidigare, medan mikrostrukturbilderna efter fem timmar visade större C-S-H-faser i den ultraljudsbehandlade pastan än i referensprovet.
De viktigaste fördelarna som uppnåtts:

• Bättre flytbarhet: Sjunkningen ökade från 122 mm i referenspastan till 158 mm efter PUS-behandlingen.
• Snabbare härdning: Den första delen förkortades från 5 timmar och 15 minuter till 3 timmar och 45 minuter, och den sista delen från 6 timmar och 45 minuter till 4 timmar och 30 minuter.
• Påskyndad förhårdning: Ultraljudspulshastigheten visade att härdningen skedde ungefär 2 timmar snabbare.
• Högre tidig hållfasthet: Mortelprismor tillverkade av PUS-behandlad cementpasta uppvisade ökad tryckhållfasthet under de första 24 timmarna.
• Potential för processekonomi: Författarna uppskattade att en energitillförsel på cirka 10 kWh/m³ cementpasta skulle kunna påskynda bindningen och den tidiga hållfastheten med omkring två timmar, till en angiven kostnad på ≤ 1 euro/m³ betong.
• Minskad efterfrågan på tillsatser: Eftersom PUS ökade flytbarheten drog författarna slutsatsen att doseringen av superplastiseringsmedlet eventuellt skulle kunna minskas.

Dessa resultat är särskilt relevanta för tillverkning av prefabricerade betongdelar, där snabbare bindning och tidig hållfasthet kan minska formtiden, uppvärmningsbehovet och produktionscykeltiderna.

 

 

Ökad initial hållfasthet hos cementpasta med GBFS-tillsats

En av de viktigaste upptäckterna för industriella cement- och murbrukstillämpningar är förbättringen av hållfastheten i tidiga stadier. Enligt Lisowski m.fl. (2024) resulterade pulsad ultraljudsbehandling av cementpastor innehållande 20 % avsatt GBFS i avsevärt högre hållfasthet efter två dagar. De rapporterade ökningarna uppgick till så mycket som 132 % i tryckhållfasthet och 58 % i böjhållfasthet.
Detta är särskilt viktigt för prefabricerad betong, torrblandad murbruk, reparationsbruk, kakelfix och andra cementbaserade produkter där tidig urformning, tidig hanteringshållfasthet eller snabb byggtakt är av ekonomisk betydelse.
Styrkeökningen visade sig hänga samman med en ökad kumulativ härdningsvärme, vilket tyder på att ultraljudsbehandling inte bara förbättrar den fysiska dispersionen utan också intensifierar den tidiga hydratiseringen. I praktiken innebär detta att kraftfullt ultraljud kan hjälpa tillverkarna att använda slagg mer effektivt utan att kompromissa med de tidiga egenskaperna.

 

 

Sonofragmentering gör grovare slaggfraktioner mer användbara

Ett särskilt värdefullt resultat är den effektiva aktiveringen av relativt grova GBFS-fraktioner. Studien visade att slaggfraktionen på 125–250 μm gav den bästa tidiga hållfastheten och 28-dagarshållfastheten när den kombinerades med separering av avsatta slaggpartiklar och behandling med kraftfullt ultraljud.
Detta är av stor betydelse för industrin eftersom malning av slagg till mycket fina partiklar är energikrävande. Om ultraljudsbehandling förbättrar reaktiviteten hos grövre eller avsatta GBFS-fraktioner kan tillverkarna minska behovet av malning, förbättra råvaruutnyttjandet och bättre utnyttja sekundära materialflöden.
 
Lär dig hur ultraljudsdispersion underlättar tillverkningen av nanoförstärkta cementbruk!

Industriell relevans: Kraftfullt ultraljud för effektiv produktion av cement och murbruk

För industriella cement- och murbrukstillverkare erbjuder ultraljudsbehandling flera strategiska fördelar. Den kan integreras som ett steg för att intensifiera processen vid beredning av slurry, aktivering av bindemedel, dispersion av tillsatsmedel eller blandning av högpresterande murbruk. Tekniken är särskilt attraktiv för produkter där fin partikelfördelning, snabb hydratisering och optimerad användning av cementersättningsmaterial är avgörande.

Fördelarna med ultraljudsbaserad cementtillverkning inom industrin är bland annat:

• Högre tidig hållfasthet utan att klinkerhalten ökar
• Bättre aktivering av GBFS och andra kompletterande cementhaltiga material
• Effektivare användning av grova eller avsatta slaggfraktioner
• Minskad agglomerering i cementhaltiga suspensioner
• Mer jämnt fuktnings- och härdningsbeteende
• Möjlig minskning av malningsintensiteten för utvalda slaggströmmar
• Förbättrade prestanda hos cementblandningar med låg klinkershalt och låga koldioxidutsläpp

Detta gör ultraljudsbehandling särskilt lämplig för tillverkning av hållbart cement, slaggcement, högpresterande murbruk, prefabricerade element, reparationsmaterial och specialbyggprodukter.

Ultraljudsbehandling som verktyg för koldioxidsnål cementteknik

Cementindustrin står under press att minska koldioxidutsläppen, och att sänka klinkerfaktorn är en av de mest direkta vägarna dit. Högre ersättningsgrader med GBFS, flygaska, kalcinerad lera eller andra cementersättningsmaterial kan dock bromsa den tidiga hållfasthetsutvecklingen. Kraftfull ultraljud kan bidra till att övervinna detta hinder genom att förbättra dispersionen, aktivera partiklarna och påskynda den tidiga hydratiseringen.
Ultraljudsbehandling kan göra cementpastor med slaggtillsats mer reaktiva och mekaniskt starkare, särskilt när processen optimeras med avseende på partikelstorleksfördelning och behandlingstid. Denna kombination är av stor betydelse för utvecklingen av bindemedel i industriell skala.

Hielscher-ultraljudsapparater för förbättrad cementhydratisering, hållfasthet och slaggreaktivitet

Hielschers inline-ultraljudsenheter är ett kraftfullt verktyg för att förbättra cementens hydratisering och hållfasthet, särskilt i cementbaserade system med slaggtillsats.
För deagglomerering och dispersion av industriellt cement tillhandahåller Hielschers högpresterande ultraljudsenheter den intensiva kavitationsskjuvning som krävs för att bryta upp agglomerat av cement, slagg och mineralfyllmedel till finfördelade partiklar, vilket förbättrar partikelvätningen, ytaktiveringen och homogeniteten i cementbaserade uppslamningar. Hielschers system finns i allt från bänkskals- och pilotskala till robusta produktionssystem med hög genomströmning, inklusive kraftfulla inline-ultraljudsenheter för kontinuerlig bearbetning av cementbruk och mineralsuspensioner. Detta gör processutvecklingen direkt skalbar från R&D till full industriell produktionskapacitet. Genom att eliminera eller minska behovet av malningsmedel förenklar ultraljudsdeagglomerering bearbetningen, minimerar risken för kontaminering och minskar rengöringsarbetet, samtidigt som den ger en reproducerbar dispersionskvalitet. För cement- och murbrukstillverkare erbjuder Hielschers ultraljudsenheter därför en praktisk väg till mer enhetliga bindemedelssystem, förbättrad hydratiseringskinetik, bättre användning av GBFS och andra kompletterande cementliknande material samt högpresterande formuleringar med låg klinkerhalt.

Tabellen nedan ger en ungefärlig bild av bearbetningskapaciteten hos våra kraftfulla ultraljudssystem:

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i 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.