การโซนิเคชันช่วยปรับปรุงการไฮเดรชันและความแข็งแรงของซีเมนต์

อัลตราซาวด์กำลังสูง หรือที่รู้จักกันในชื่อโซนิเคชัน กำลังได้รับความสนใจในฐานะเทคโนโลยีเพิ่มประสิทธิภาพที่เป็นประโยชน์สำหรับการผลิตปูนซีเมนต์และปูนฉาบ งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นเสียงอัลตราโซนิกสามารถปรับปรุงการกระจายตัวของอนุภาค กระตุ้นวัสดุซีเมนต์เสริม เช่น เถ้าลอยจากเตาหลอมเหล็ก (GBFS) เร่งปฏิกิริยาไฮเดรชัน ปรับปรุงโครงสร้างรูพรุน และเพิ่มความแข็งแรงในช่วงอายุการใช้งานเริ่มต้นได้อย่างมีนัยสำคัญ

ปูนซีเมนต์และปูนก่อผสมขี้เถ้าประสิทธิภาพสูงด้วยคลื่นอัลตราโซนิกพลังงานสูง

ในการผลิตปูนซีเมนต์และปูนฉาบ หนึ่งในความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญคือการใช้ประโยชน์จากวัสดุทดแทนปูนซีเมนต์อย่างมีประสิทธิภาพ เถ้าลอยจากเตาหลอมเหล็กแบบเม็ด หรือ GBFS เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อลดปริมาณคลินเกอร์และปรับปรุงความยั่งยืน อย่างไรก็ตาม อนุภาคตะกรันหยาบหรือที่จับตัวเป็นก้อนมักทำปฏิกิริยาช้า ซึ่งจำกัดการพัฒนาความแข็งแรงในช่วงแรก การใช้คลื่นเสียงความเข้มสูง (โซนิคเคชั่น) เป็นวิธีที่มีแนวโน้มในการแก้ไขปัญหานี้ โดยใช้ปรากฏการณ์คาวิเทชันทางอะคูสติกที่มีความเข้มสูงเพื่อกระจายกลุ่มก้อน แตกอนุภาค และเพิ่มจำนวนจุดเริ่มต้นปฏิกิริยาภายในเมทริกซ์ซีเมนต์

ทำไมการสั่นสะเทือนจึงมีความสำคัญต่อการไฮเดรชันของปูนซีเมนต์

ข้อดีของการใช้คลื่นเสียงคือความสามารถในการทำงานโดยตรงกับระบบอนุภาคก่อนและระหว่างการเริ่มต้นของการดูดซึมน้ำ ในสารแขวนลอยซีเมนต์ การเกิดโพรงอากาศจากคลื่นเสียงอัลตราโซนิกจะสร้างแรงเฉือนเฉพาะจุด ไมโครเจ็ต และความผันผวนของแรงดัน ผลเหล่านี้ช่วยในการแตกตัวของก้อนอนุภาคที่เกาะกัน การกระจายตัวของอนุภาคขนาดเล็ก และการเปิดเผยพื้นผิวแร่ธาตุใหม่
สำหรับผู้ผลิตปูนซีเมนต์และปูนก่อสร้าง สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากกระบวนการไฮเดรชันนั้นถูกขับเคลื่อนโดยพื้นผิวเป็นอย่างมาก การกระจายตัวที่ดีขึ้นและอนุภาคที่เกิดปฏิกิริยาขนาดเล็กสามารถเพิ่มการสัมผัสระหว่างน้ำ ระยะของคลิงเกอร์ และอนุภาคของตะกรันได้ ซึ่งสามารถนำไปสู่การปลดปล่อยความร้อนที่เร็วขึ้น การแข็งตัวในระยะเริ่มต้นที่ดีขึ้น และโครงสร้างจุลภาคที่แน่นขึ้น
ในระบบที่มีการผสมกับตะกรัน การสั่นด้วยคลื่นเสียงมีความสำคัญเป็นพิเศษเนื่องจาก GBFS มักต้องการการกระตุ้น การแตกตัวของอนุภาคด้วยคลื่นเสียง – ที่เรียกว่าการแตกตัวของลูก – ของอนุภาค GBFS ลดขนาดอนุภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่วนที่มีขนาด 125–250 μm

ข้อได้เปรียบหลักของการใช้คลื่นเสียงในการผลิตซีเมนต์และปูนฉาบ

อัลตราซาวด์กำลังสูงช่วยสนับสนุนการผลิตปูนซีเมนต์และปูนก่อสร้างในอุตสาหกรรมในหลายวิธี:

• การกระจายตัวของอนุภาคที่ดีขึ้น: การโซนิเคชันช่วยกระจายปูนซีเมนต์ สแลก และอนุภาคแร่ขนาดเล็กให้กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอมากขึ้นในน้ำยาหรือส่วนผสมปูนก่อ
• การรวมตัวกันน้อยลง: การรักษาด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงสามารถทำลายกลุ่มอนุภาคและอาจยับยั้งการรวมตัวกันใหม่ระหว่างการผสม
• การปรับแต่งเมล็ดพืช: อนุภาคตะกรันหยาบสามารถแตกเป็นชิ้นส่วนที่ละเอียดขึ้นได้ ซึ่งเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีอยู่
• จุดเกิดนิวเคลียสเพิ่มขึ้น: อนุภาค GBFS ที่แตกเป็นชิ้นเล็กสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการเกิดนิวเคลียสสำหรับผลิตภัณฑ์ไฮเดรชันในเมทริกซ์ซีเมนต์
• การเพิ่มความเร็วในการให้ความชุ่มชื้น การกระจายตัวที่ดีขึ้นและพื้นผิวที่เปิดเผยสามารถเพิ่มการปลดปล่อยความร้อนสะสมและการแข็งตัวในระยะเริ่มต้น
• ความแข็งแรงเริ่มต้นที่สูงขึ้น: ปูนซีเมนต์ผสมตะกรันที่ผ่านการโซนิคสามารถแสดงความแข็งแรงในการรับแรงอัดและแรงดัดเพิ่มขึ้นอย่างมากหลังจากเพียงสองวัน
• โครงสร้างจุลภาคที่ได้รับการปรับปรุง: การโซนิเคชันสามารถเพิ่มตัวบ่งชี้ความพรุนระดับนาโนและปรับเปลี่ยนโครงสร้างรูพรุน โดยเฉพาะในช่วงขนาดรูพรุน 2–10 นาโนเมตร

 

การเซ็ตตัวที่เร็วขึ้นและกำลังเริ่มต้นในคอนกรีตสำเร็จรูปด้วยพลังอัลตราซาวด์

การศึกษา “อิทธิพลของอัลตราซาวนด์พลังงานต่อความลื่นไหลและการตั้งค่าของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์” โดย Ch. Rößler ศึกษาปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ชนิด CEM I 42.5 R ในอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ 0.37 และใช้สารลดน้ำโพลีอะคริเลต 0.1% การศึกษาใช้เครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher UIP1000hd ในการตั้งค่าแบบไหลผ่านเพื่อประเมินว่าอัลตราซาวนด์พลังงานสามารถเร่งการไฮเดรชัน ปรับปรุงความไหลลื่น ลดระยะเวลาการเซ็ตตัว และเพิ่มความแข็งแรงในระยะเริ่มต้นได้หรือไม่
ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์พลังงาน (PUS) ช่วยเร่งระยะเวลาการไฮเดรตหลักได้ เส้นโค้งอุณหภูมิแสดงให้เห็นถึงจุดสูงสุดของการไฮเดรตที่เร็วกว่า ในขณะที่ภาพโครงสร้างจุลภาคหลังจากห้าชั่วโมงแสดงให้เห็นถึงเฟส C-S-H ที่ใหญ่กว่าในปูนซีเมนต์ที่ได้รับการรักษาด้วยอัลตราซาวนด์เมื่อเทียบกับตัวอย่างอ้างอิง
ข้อได้เปรียบหลักที่ได้รับ:

• ความลื่นไหลที่สูงขึ้น: การลดลงของสแลมเพิ่มขึ้นจาก 122 มม. ในเพสต์อ้างอิงเป็น 158 มม. หลังจากการบำบัดด้วย PUS
• การเซ็ตตัวที่เร็วขึ้น: ชุดเริ่มต้นถูกย่อจาก 5 ชั่วโมง 15 นาที เป็น 3 ชั่วโมง 45 นาที และชุดสุดท้ายจาก 6 ชั่วโมง 45 นาที เป็น 4 ชั่วโมง 30 นาที
• การแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ความเร็วของคลื่นเสียงอัลตราโซนิกบ่งชี้ว่าแข็งตัวเร็วกว่าประมาณ 2 ชั่วโมง
• ความแข็งแรงเริ่มต้นที่สูงขึ้น: ปริซึมปูนซีเมนต์ที่ผลิตจากปูนซีเมนต์ที่ผ่านการบำบัดด้วย PUS แสดงค่าความแข็งแรงอัดเพิ่มขึ้นในช่วง 24 ชั่วโมงแรก
• ศักยภาพทางเศรษฐกิจเชิงกระบวนการ: ผู้เขียนประมาณการว่า การป้อนพลังงานประมาณ 10 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตรของปูนซีเมนต์เหลวสามารถเร่งการแข็งตัวและความแข็งแรงในระยะแรกได้ประมาณสองชั่วโมง โดยมีต้นทุนที่บ่งชี้ว่าไม่เกิน 1 ยูโรต่อลูกบาศก์เมตรของคอนกรีต
• ความต้องการผสมที่ลดลง: เนื่องจาก PUS เพิ่มความไหลของวัสดุ ผู้เขียนจึงสรุปว่าปริมาณการใช้สารลดน้ำยาอาจลดลงได้

ผลลัพธ์เหล่านี้มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษสำหรับการผลิตคอนกรีตสำเร็จรูป ซึ่งการเซ็ตตัวที่เร็วขึ้นและความแข็งแรงในระยะเริ่มต้นสามารถลดเวลาในการใช้แบบหล่อ ความต้องการในการให้ความร้อน และระยะเวลาในกระบวนการผลิตได้

 

 

ความแข็งแรงเริ่มต้นที่แข็งแกร่งขึ้นในปูนซีเมนต์ผสม GBFS

หนึ่งในผลการค้นพบที่สำคัญที่สุดสำหรับการใช้งานปูนซีเมนต์และปูนก่อสร้างในอุตสาหกรรมคือการปรับปรุงความแข็งแรงในช่วงอายุการใช้งานเริ่มต้น ตามที่ Lisowski และคณะ (2024) รายงาน การบำบัดด้วยคลื่นอัลตราซาวด์แบบพัลส์ในปูนซีเมนต์ที่มี GBFS ที่สะสมอยู่ 20% ทำให้เกิดความแข็งแรงที่สูงขึ้นอย่างมากหลังจากสองวัน การเพิ่มขึ้นที่รายงานมีถึง 132% ในความแข็งแรงอัด และ 58% ในความแข็งแรงดัด
สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งสำหรับคอนกรีตสำเร็จรูป, ปูนแห้งผสมสำเร็จ, ปูนซ่อมแซม, กาวติดกระเบื้อง และผลิตภัณฑ์ซีเมนต์อื่น ๆ ที่การถอดแบบเร็ว, ความแข็งแรงในการรับน้ำหนักเร็ว หรือการก่อสร้างที่รวดเร็วมีความสำคัญทางเศรษฐกิจ
การเพิ่มขึ้นของความแข็งแรงมีความสัมพันธ์กับปริมาณความร้อนสะสมที่เพิ่มขึ้นในกระบวนการแข็งตัว ซึ่งบ่งชี้ว่าการใช้คลื่นเสียงไม่ได้เพียงแค่ปรับปรุงการกระจายตัวทางกายภาพเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความเข้มข้นของการเกิดไฮเดรชันในช่วงแรกอีกด้วย ในทางปฏิบัติ หมายความว่าคลื่นเสียงความถี่สูงสามารถช่วยผู้ผลิตใช้ตะกรันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยไม่ต้องลดประสิทธิภาพในช่วงแรก

 

 

การสลายด้วยคลื่นเสียงทำให้เศษตะกรันหยาบมีประโยชน์มากขึ้น

ผลลัพธ์ที่มีคุณค่าอย่างยิ่งคือการกระตุ้นอย่างมีประสิทธิภาพของเศษส่วน GBFS ที่มีความหยาบค่อนข้างมาก การศึกษาพบว่าเศษส่วนตะกรันขนาด 125–250 μm ให้ความแข็งแรงในช่วงอายุการใช้งานเริ่มต้นและ 28 วันที่ดีที่สุดเมื่อรวมกับการแยกอนุภาคตะกรันที่สะสมและการบำบัดด้วยคลื่นอัลตราซาวด์พลังงานสูง
สิ่งนี้มีความสำคัญทางอุตสาหกรรมเนื่องจากกระบวนการบดตะกรันให้ได้ขนาดที่ละเอียดมากนั้นต้องใช้พลังงานสูง หากการใช้อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มความสามารถในการทำปฏิกิริยาของเศษตะกรันหยาบหรือเศษตะกรันที่สะสมอยู่ ผู้ผลิตจะสามารถลดความต้องการในการบด ปรับปรุงประสิทธิภาพของวัตถุดิบ และใช้ประโยชน์จากวัสดุทุติยภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
 
เรียนรู้วิธีการกระจายตัวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงที่ช่วยส่งเสริมการผลิตปูนซีเมนต์เสริมแรงนาโน!

ความเกี่ยวข้องทางอุตสาหกรรม: อัลตราซาวด์กำลังสูงเพื่อการผลิตปูนซีเมนต์และปูนฉาบที่มีประสิทธิภาพ

สำหรับผู้ผลิตปูนซีเมนต์และปูนก่อสร้างอุตสาหกรรม การสั่นสะเทือนด้วยคลื่นเสียง (sonication) มอบข้อได้เปรียบเชิงกลยุทธ์หลายประการ สามารถนำไปใช้เป็นขั้นตอนในการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการในระหว่างการเตรียมน้ำยาข้น (slurry preparation) การกระตุ้นตัวประสาน (binder activation) การกระจายตัวของสารเติมแต่ง (admixture dispersion) หรือการผสมปูนก่อสร้างประสิทธิภาพสูง (high-performance mortar mixing) เทคโนโลยีนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องอาศัยการกระจายตัวของอนุภาคขนาดเล็ก การเกิดปฏิกิริยาไฮเดรชันอย่างรวดเร็ว และการใช้วัสดุซีเมนต์เสริม (supplementary cementitious materials) อย่างมีประสิทธิภาพ

ประโยชน์ทางอุตสาหกรรมของการผลิตซีเมนต์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง ได้แก่:

• ความแข็งแรงเริ่มต้นที่สูงขึ้นโดยไม่เพิ่มปริมาณคลินker
• การกระตุ้นที่ดีขึ้นของ GBFS และวัสดุซีเมนต์เสริมอื่น ๆ
• การใช้เศษตะกรันหยาบหรือตะกรันที่ตกตะกอนได้ดีขึ้น
• การลดการรวมตัวเป็นก้อนในสารแขวนลอยซีเมนต์
• การให้ความชุ่มชื้นที่สม่ำเสมอมากขึ้นและพฤติกรรมการแข็งตัว
• การลดความเข้มของการบดที่อาจเกิดขึ้นสำหรับกระแสตะกรันที่เลือก
• การปรับปรุงประสิทธิภาพของสูตรปูนซีเมนต์ที่มีคลิงเกอร์ต่ำและคาร์บอนต่ำ

สิ่งนี้ทำให้การโซนิเคชันมีความเกี่ยวข้องสูงสำหรับการผลิตซีเมนต์ที่ยั่งยืน ซีเมนต์จากตะกรัน ปูนฉาบประสิทธิภาพสูง องค์ประกอบสำเร็จรูป วัสดุซ่อมแซม และผลิตภัณฑ์ก่อสร้างเฉพาะทาง

โซนิเคชันเป็นเครื่องมือสำหรับเทคโนโลยีซีเมนต์คาร์บอนต่ำ

อุตสาหกรรมปูนซีเมนต์กำลังเผชิญแรงกดดันให้ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และการลดปัจจัยคลิงเกอร์ (clinker factor) เป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด อย่างไรก็ตาม การเพิ่มปริมาณวัสดุทดแทน เช่น GBFS, เถ้าลอย, ดินเหนียวเผา หรือวัสดุทดแทนซีเมนต์อื่น ๆ อาจทำให้การพัฒนาความแข็งแรงในระยะแรกช้าลง อัลตราซาวด์กำลังสูงอาจช่วยแก้ไขปัญหาคอขวดนี้ได้โดยการปรับปรุงการกระจายตัว, กระตุ้นอนุภาค และเร่งการดูดซึมน้ำในระยะแรก
การโซนิเคชันสามารถทำให้ปูนซีเมนต์ที่ผสมกับตะกรันมีความไวต่อปฏิกิริยาและแข็งแรงทางกลมากขึ้น โดยเฉพาะเมื่อกระบวนการถูกปรับให้เหมาะสมกับขนาดอนุภาคและระยะเวลาในการบำบัด การผสมผสานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการวิศวกรรมวัสดุประสานในระดับอุตสาหกรรม

เครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher สำหรับการเพิ่มความชุ่มชื้นของซีเมนต์ ความแข็งแรง และการทำปฏิกิริยาของตะกรัน

เครื่องโซนิเคเตอร์แบบอินไลน์ของ Hielscher เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังในการปรับปรุงการไฮเดรชันและความแข็งแรงของซีเมนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบซีเมนต์ผสมกับตะกรัน
สำหรับการแยกและกระจายตัวซีเมนต์ในอุตสาหกรรม Hielscher มีเครื่องโซนิคประสิทธิภาพสูงที่ให้ความแรงเฉือนจากการเกิดโพรงอากาศที่จำเป็นในการทำลายก้อนซีเมนต์ สแลก และสารเติมแร่ให้เป็นอนุภาคที่กระจายตัวละเอียด ช่วยปรับปรุงการเปียกของอนุภาค การกระตุ้นพื้นผิว และความสม่ำเสมอในสารละลายซีเมนต์ ระบบของ Hielscher มีให้เลือกตั้งแต่ระดับโต๊ะทดลองไปจนถึงระดับการผลิตที่มีประสิทธิภาพสูง รวมถึงเครื่องโซนิเคเตอร์แบบอินไลน์กำลังสูงสำหรับการประมวลผลต่อเนื่องของปูนซีเมนต์และสารแขวนลอยแร่ธาตุ ซึ่งทำให้การพัฒนาขั้นตอนการผลิตสามารถปรับขนาดได้โดยตรงจากการทดลองในห้องปฏิบัติการ&D ไปจนถึงการผลิตในระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ โดยการกำจัดหรือลดความจำเป็นในการใช้สื่อบด การแยกตัวเป็นชิ้นเล็กด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงทำให้กระบวนการง่ายขึ้น ลดความเสี่ยงในการปนเปื้อน และลดความพยายามในการทำความสะอาด ในขณะที่ยังคงคุณภาพการกระจายตัวที่สม่ำเสมอ สำหรับผู้ผลิตปูนซีเมนต์และปูนก่อสร้าง เครื่องโซนิคของ Hielscher จึงเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริงในการพัฒนาระบบสารยึดเกาะที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้น เพิ่มประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาไฮเดรชัน ใช้ GBFS และวัสดุทดแทนซีเมนต์อื่น ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น รวมถึงพัฒนาสูตรซีเมนต์ที่มีปริมาณคลินเกอร์ต่ำแต่ให้สมรรถนะสูง

ตารางด้านล่างนี้แสดงให้คุณเห็นถึงประมาณการกำลังการประมวลผลของระบบอัลตราซาวด์พลังงานสูงของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คําปรึกษา – คุณภาพ ผลิตในประเทศเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบสูงสุด ความทนทานและใช้งานง่ายช่วยให้สามารถรวมเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น สภาพที่ขรุขระและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสามารถจัดการได้ง่ายโดยเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher

Hielscher Ultrasonics เป็น บริษัท ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และให้ความสําคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่มีเทคโนโลยีล้ําสมัยและเป็นมิตรกับผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกําหนดของ UL, CSA และ RoHs

---

---

 

วรรณกรรม / อ้างอิง

• 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.