การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงไฮเดรชันและกำลังของซีเมนต์

อัลตราซาวนด์กำลังสูง หรือที่เรียกว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ กำลังได้รับความสนใจในฐานะเทคโนโลยีเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการที่นำไปใช้ได้จริงในการผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์ งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถปรับปรุงการกระจายตัวของอนุภาค กระตุ้นวัสดุประสานเสริม เช่น ตะกรันเตาถลุงเหล็กแบบเม็ด (GBFS) เร่งไฮเดรชัน ทำให้โครงสร้างรูพรุนละเอียดขึ้น และเพิ่มกำลังระยะต้นได้อย่างมีนัยสำคัญ

ซีเมนต์และมอร์ตาร์ผสมตะกรันที่มีสมรรถนะสูงขึ้นด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง

ในการผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์ หนึ่งในความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญคือการใช้วัสดุประสานเสริมอย่างมีประสิทธิภาพ ตะกรันเตาถลุงเหล็กแบบเม็ด หรือ GBFS ถูกใช้อย่างแพร่หลายเพื่อลดปริมาณปูนเม็ดและเพิ่มความยั่งยืน อย่างไรก็ตาม อนุภาคตะกรันที่หยาบหรือเกาะกลุ่มกันมักทำปฏิกิริยาช้า ทำให้การพัฒนากำลังระยะต้นมีข้อจำกัด การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นแนวทางแก้ไขที่มีศักยภาพ โดยใช้คาวิเทชันจากคลื่นเสียงความเข้มสูงเพื่อกระจายกลุ่มอนุภาคที่เกาะกัน ทำให้อนุภาคแตกเป็นส่วนย่อย และเพิ่มจำนวนตำแหน่งก่อกำเนิดนิวเคลียสที่ไวต่อปฏิกิริยาภายในเมทริกซ์ซีเมนต์

เหตุใดการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จึงสำคัญต่อไฮเดรชันของซีเมนต์

ข้อได้เปรียบของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์อยู่ที่ความสามารถในการส่งผลโดยตรงต่อระบบอนุภาคก่อนและระหว่างไฮเดรชันระยะต้น ในสารแขวนลอยที่มีซีเมนต์เป็นองค์ประกอบ คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ก่อให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะจุด เจ็ตขนาดจิ๋ว และความผันผวนของความดัน ผลเหล่านี้ช่วยสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะกัน กระจายอนุภาคละเอียด และเปิดเผยผิวแร่ใหม่
สำหรับผู้ผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์ เรื่องนี้มีความสำคัญเนื่องจากไฮเดรชันเป็นกระบวนการที่ขึ้นกับพื้นผิวอย่างมาก การกระจายตัวที่ดีขึ้นและอนุภาคที่ไวต่อปฏิกิริยาซึ่งมีขนาดเล็กลงสามารถเพิ่มการสัมผัสระหว่างน้ำ เฟสของปูนเม็ด และอนุภาคตะกรันได้ ซึ่งสามารถนำไปสู่การปลดปล่อยความร้อนที่เร็วขึ้น การแข็งตัวระยะต้นที่ดีขึ้น และโครงสร้างจุลภาคที่แน่นขึ้น
ในระบบที่ผสมตะกรัน การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์มีความสำคัญเป็นพิเศษ เนื่องจาก GBFS มักต้องได้รับการกระตุ้น การทำให้อนุภาค GBFS แตกเป็นส่วนย่อยด้วยอัลตราซาวนด์ – ที่เรียกว่าโซโนแฟรกเมนเทชัน – ช่วยลดขนาดอนุภาค โดยเฉพาะส่วนคัดขนาด 125–250 μm

ข้อได้เปรียบสำคัญของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในการผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์

อัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยสนับสนุนการผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์ในระดับอุตสาหกรรมได้หลายด้าน:

• การกระจายตัวของอนุภาคที่ดีขึ้น: การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยให้ซีเมนต์ ตะกรัน และอนุภาคแร่ละเอียดกระจายตัวในส่วนผสมเพสต์หรือมอร์ตาร์ได้สม่ำเสมอมากขึ้น
• การเกาะกลุ่มที่ลดลง: การบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถสลายกลุ่มอนุภาค และอาจยับยั้งการกลับมาเกาะกลุ่มระหว่างการผสม
• การทำให้เม็ดอนุภาคละเอียดขึ้น: อนุภาคตะกรันที่หยาบกว่าสามารถแตกเป็นส่วนคัดขนาดที่ละเอียดขึ้น ทำให้มีพื้นที่ผิวที่ใช้ประโยชน์ได้เพิ่มขึ้น
• ตำแหน่งก่อกำเนิดนิวเคลียสที่มากขึ้น: อนุภาค GBFS ที่แตกเป็นส่วนย่อยสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางก่อกำเนิดนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์ไฮเดรชันในเมทริกซ์ซีเมนต์
• ไฮเดรชันที่เร็วขึ้น: การกระจายตัวที่ดีขึ้นและพื้นผิวที่เปิดเผยสามารถเพิ่มความร้อนสะสมที่ปลดปล่อยออกมาและเร่งการแข็งตัวระยะต้น
• กำลังระยะต้นที่สูงขึ้น: ซีเมนต์เพสต์ผสมตะกรันที่ผ่านการบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถมีกำลังอัดและกำลังดัดเพิ่มขึ้นอย่างมากหลังผ่านไปเพียงสองวัน
• โครงสร้างจุลภาคที่ดีขึ้น: การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มค่าตัวชี้วัดความพรุนระดับนาโนและเปลี่ยนแปลงโครงสร้างรูพรุน โดยเฉพาะในช่วงขนาดรูพรุน 2–10 nm

อิทธิพลของการใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง (PUS) ต่อความเร็วพัลส์อัลตราซาวนด์ของซีเมนต์เพสต์ที่กำลังเกิดไฮเดรชัน

การก่อตัวที่เร็วขึ้นและกำลังระยะต้นในคอนกรีตสำเร็จรูปด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง

การศึกษาเรื่อง “อิทธิพลของอัลตราซาวนด์กำลังสูงต่อความสามารถในการไหลและการก่อตัวของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เพสต์” โดย Ch. Rößler ศึกษาปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เพสต์ที่ใช้ CEM I 42.5 R มีอัตราส่วน w/c เท่ากับ 0.37 และใช้สารลดน้ำพิเศษชนิดพอลิอะคริเลต 0.1% การศึกษานี้ใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher UIP1000hd ในระบบไหลผ่าน เพื่อประเมินว่าอัลตราซาวนด์กำลังสูงสามารถเร่งไฮเดรชัน ปรับปรุงความสามารถในการไหล ลดระยะเวลาก่อตัว และเพิ่มกำลังระยะต้นได้หรือไม่
ผลการศึกษาแสดงว่าอัลตราซาวนด์กำลังสูง (PUS) เร่งช่วงไฮเดรชันหลัก เส้นโค้งอุณหภูมิแสดงจุดสูงสุดของไฮเดรชันที่เกิดเร็วขึ้น ขณะที่ภาพโครงสร้างจุลภาคหลังผ่านไปห้าชั่วโมงแสดงเฟส C-S-H ในเพสต์ที่ผ่านการบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์ที่มีขนาดใหญ่กว่าในตัวอย่างอ้างอิง
ข้อได้เปรียบสำคัญที่ได้รับ:

• ความสามารถในการไหลที่สูงขึ้น: ค่าการยุบตัวเพิ่มจาก 122 mm ในเพสต์อ้างอิงเป็น 158 mm หลังการบำบัดด้วย PUS
• การก่อตัวที่เร็วขึ้น: เวลาก่อตัวเริ่มต้นลดลงจาก 5 h 15 min เป็น 3 h 45 min และเวลาก่อตัวสุดท้ายลดลงจาก 6 h 45 min เป็น 4 h 30 min
• การเพิ่มความแข็งเกร็งที่เร็วขึ้น: ความเร็วพัลส์อัลตราซาวนด์บ่งชี้ว่าการแข็งตัวเร็วขึ้นประมาณ 2 ชั่วโมง
• กำลังระยะต้นที่สูงขึ้น: ชิ้นทดสอบมอร์ตาร์ทรงปริซึมที่ผลิตจากซีเมนต์เพสต์ซึ่งผ่านการบำบัดด้วย PUS มีกำลังอัดเพิ่มขึ้นในช่วง 24 ชั่วโมงแรก
• ศักยภาพด้านความคุ้มค่าของกระบวนการ: ผู้วิจัยประมาณว่าการป้อนพลังงานประมาณ 10 kWh/m³ ของซีเมนต์เพสต์สามารถทำให้การก่อตัวและการพัฒนากำลังระยะต้นเร็วขึ้นประมาณสองชั่วโมง โดยมีต้นทุนที่ระบุไว้ ≤ 1 ยูโร/m³ ของคอนกรีต
• ความต้องการสารผสมเพิ่มที่ลดลง: เนื่องจาก PUS เพิ่มความสามารถในการไหล ผู้วิจัยจึงสรุปว่ามีความเป็นไปได้ที่จะลดปริมาณสารลดน้ำพิเศษที่ใช้

ผลการศึกษาเหล่านี้มีความสำคัญเป็นพิเศษต่อการผลิตคอนกรีตสำเร็จรูป ซึ่งการก่อตัวที่เร็วขึ้นและกำลังระยะต้นสามารถลดระยะเวลาใช้แบบหล่อ ความต้องการความร้อน และระยะเวลารอบการผลิตได้

ความแข็งวิกเกอร์สและมอดุลัสยืดหยุ่นของเพสต์ C + S ที่เตรียมด้วยวิธีดั้งเดิมและด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูงหลังผ่านไป 28 d
กราฟและการศึกษา: ©Lisowski et al. 2024.

กำลังระยะต้นที่สูงขึ้นในซีเมนต์เพสต์ผสม GBFS

หนึ่งในข้อค้นพบที่สำคัญที่สุดสำหรับการใช้งานซีเมนต์และมอร์ตาร์ในระดับอุตสาหกรรมคือกำลังระยะต้นที่ดีขึ้น ตามการศึกษาของ Lisowski et al. (2024) การบำบัดซีเมนต์เพสต์ที่มี GBFS ที่สะสมไว้ 20% ด้วยอัลตราซาวนด์แบบพัลส์ทำให้มีกำลังสูงขึ้นอย่างมากหลังผ่านไปสองวัน การเพิ่มขึ้นที่รายงานมีค่าสูงถึง 132% สำหรับกำลังอัด และ 58% สำหรับกำลังดัด
เรื่องนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อคอนกรีตสำเร็จรูป มอร์ตาร์ผสมแห้ง มอร์ตาร์ซ่อมแซม กาวซีเมนต์ปูกระเบื้อง และผลิตภัณฑ์อื่นที่มีซีเมนต์เป็นองค์ประกอบ ซึ่งการถอดแบบได้เร็ว กำลังที่เพียงพอต่อการเคลื่อนย้ายในระยะต้น หรือความคืบหน้าการก่อสร้างที่รวดเร็วมีความสำคัญทางเศรษฐกิจ
การเพิ่มขึ้นของกำลังมีความสัมพันธ์กับความร้อนสะสมจากการแข็งตัวที่เพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ไม่เพียงปรับปรุงการกระจายตัวทางกายภาพ แต่ยังเพิ่มความเข้มข้นของไฮเดรชันระยะต้นด้วย ในทางปฏิบัติ หมายความว่าอัลตราซาวนด์กำลังสูงอาจช่วยให้ผู้ผลิตใช้ตะกรันได้อย่างมีประสิทธิผลมากขึ้นโดยไม่ต้องลดสมรรถนะระยะต้น

ภาพ SEM ของชิ้นทดสอบซีเมนต์เพสต์ผสม GBFS สูตร C + S เปรียบเทียบผลเมื่อไม่ใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงและเมื่อใช้ ที่อายุ 28d
ภาพและการศึกษา: ©Lisowski et al. 2024.

โซโนแฟรกเมนเทชันช่วยให้ส่วนคัดขนาดตะกรันที่หยาบกว่าใช้ประโยชน์ได้มากขึ้น

ผลการศึกษาที่มีคุณค่าเป็นพิเศษคือการกระตุ้นส่วนคัดขนาด GBFS ที่ค่อนข้างหยาบได้อย่างมีประสิทธิผล การศึกษาพบว่าส่วนคัดขนาดตะกรัน 125–250 μm ให้กำลังระยะต้นและกำลังที่อายุ 28 วันที่ดีที่สุด เมื่อใช้ร่วมกับการแยกอนุภาคตะกรันที่สะสมไว้และการบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง
เรื่องนี้มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรม เนื่องจากการบดตะกรันให้มีขนาดละเอียดมากใช้พลังงานสูง หากการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงความไวต่อปฏิกิริยาของส่วนคัดขนาด GBFS ที่หยาบกว่าหรือที่สะสมไว้ ผู้ผลิตสามารถลดความต้องการในการบด เพิ่มประสิทธิภาพการใช้วัตถุดิบ และใช้ประโยชน์จากกระแสวัสดุทุติยภูมิได้ดีขึ้น
 
เรียนรู้ว่าการกระจายอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยในการผลิตมอร์ตาร์ซีเมนต์เสริมแรงด้วยวัสดุนาโนได้อย่างไร!

ความสำคัญต่ออุตสาหกรรม: อัลตราซาวนด์กำลังสูงเพื่อการผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์อย่างมีประสิทธิภาพ

สำหรับผู้ผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์ในระดับอุตสาหกรรม การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ให้ข้อได้เปรียบเชิงกลยุทธ์หลายประการ สามารถผสานเข้ากับกระบวนการเป็นขั้นตอนเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการระหว่างการเตรียมสลาร์รี การกระตุ้นวัสดุประสาน การกระจายสารผสมเพิ่ม หรือการผสมมอร์ตาร์สมรรถนะสูง เทคโนโลยีนี้น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องอาศัยการกระจายตัวของอนุภาคละเอียด ไฮเดรชันที่รวดเร็ว และการใช้วัสดุประสานเสริมอย่างเหมาะสมที่สุด

• กำลังระยะต้นที่สูงขึ้นโดยไม่เพิ่มปริมาณปูนเม็ด
• การกระตุ้น GBFS และวัสดุประสานเสริมอื่นได้ดีขึ้น
• การใช้ประโยชน์จากส่วนคัดขนาดตะกรันที่หยาบหรือที่สะสมไว้ได้ดีขึ้น
• การเกาะกลุ่มที่ลดลงในสารแขวนลอยที่มีซีเมนต์เป็นองค์ประกอบ
• พฤติกรรมไฮเดรชันและการแข็งตัวที่สม่ำเสมอมากขึ้น
• ความเป็นไปได้ในการลดความเข้มข้นของการบดสำหรับกระแสตะกรันที่เลือก
• สมรรถนะที่ดีขึ้นของสูตรซีเมนต์ที่มีปริมาณปูนเม็ดต่ำและคาร์บอนต่ำ

สิ่งนี้ทำให้การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตซีเมนต์ที่ยั่งยืน ซีเมนต์ตะกรัน มอร์ตาร์สมรรถนะสูง ชิ้นส่วนสำเร็จรูป วัสดุซ่อมแซม และผลิตภัณฑ์ก่อสร้างเฉพาะทาง

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมือสำหรับเทคโนโลยีซีเมนต์คาร์บอนต่ำ

อุตสาหกรรมซีเมนต์กำลังเผชิญแรงกดดันให้ลดการปล่อย CO₂ และการลดสัดส่วนปูนเม็ดเป็นหนึ่งในแนวทางที่ตรงที่สุด อย่างไรก็ตาม การเพิ่มระดับการแทนที่ด้วย GBFS เถ้าลอย ดินเหนียวเผา หรือวัสดุประสานเสริมอื่นอาจทำให้การพัฒนากำลังระยะต้นช้าลง อัลตราซาวนด์กำลังสูงอาจช่วยแก้ปัญหาคอขวดนี้ได้ด้วยการปรับปรุงการกระจายตัว กระตุ้นอนุภาค และเร่งไฮเดรชันระยะต้น
การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถทำให้ซีเมนต์เพสต์ผสมตะกรันมีความไวต่อปฏิกิริยามากขึ้นและมีกำลังเชิงกลสูงขึ้น โดยเฉพาะเมื่อปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุดกับส่วนคัดขนาดอนุภาคและระยะเวลาบำบัด การผสานปัจจัยดังกล่าวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิศวกรรมวัสดุประสานในระดับอุตสาหกรรม

เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เพื่อปรับปรุงไฮเดรชันและกำลังของซีเมนต์ รวมถึงความไวต่อปฏิกิริยาของตะกรัน

เครื่องอัลตราซาวนด์แบบอินไลน์ของ Hielscher เป็นเครื่องมือที่ทรงประสิทธิภาพในการปรับปรุงไฮเดรชันและกำลังของซีเมนต์ โดยเฉพาะในระบบวัสดุซีเมนต์ที่ผสมตะกรัน
สำหรับการสลายกลุ่มอนุภาคและการกระจายซีเมนต์ในระดับอุตสาหกรรม เครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงของ Hielscher ให้แรงเฉือนจากคาวิเทชันที่รุนแรงตามที่จำเป็นต่อการสลายกลุ่มอนุภาคซีเมนต์ ตะกรัน และสารเติมเต็มแร่ให้เป็นอนุภาคที่กระจายตัวอย่างละเอียด ช่วยปรับปรุงการเปียกของอนุภาค การกระตุ้นพื้นผิว และความเป็นเนื้อเดียวกันในสลาร์รีที่มีซีเมนต์เป็นองค์ประกอบ ระบบของ Hielscher มีให้เลือกตั้งแต่ระดับตั้งโต๊ะและระดับนำร่อง ไปจนถึงระบบการผลิตที่ทนทานและมีปริมาณการผลิตสูง รวมถึงเครื่องอัลตราซาวนด์กำลังสูงแบบอินไลน์สำหรับการแปรรูปเกราต์ซีเมนต์และสารแขวนลอยแร่อย่างต่อเนื่อง ทำให้สามารถขยายขนาดการพัฒนากระบวนการได้โดยตรงจากการวิจัยและพัฒนาไปสู่ปริมาณการผลิตเต็มระดับอุตสาหกรรม การสลายกลุ่มอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยให้กระบวนการง่ายขึ้น ลดความเสี่ยงการปนเปื้อนให้เหลือน้อยที่สุด และลดภาระในการทำความสะอาด โดยขจัดหรือลดความจำเป็นในการใช้ตัวกลางบด พร้อมให้คุณภาพการกระจายตัวที่ทำซ้ำได้ ดังนั้น สำหรับผู้ผลิตซีเมนต์และมอร์ตาร์ เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher จึงเป็นแนวทางที่นำไปใช้ได้จริงเพื่อให้ได้ระบบวัสดุประสานที่สม่ำเสมอมากขึ้น จลนพลศาสตร์ไฮเดรชันที่ดีขึ้น การใช้ประโยชน์จาก GBFS และวัสดุประสานเสริมอื่นที่ดีขึ้น และสูตรที่มีปริมาณปูนเม็ดต่ำซึ่งให้สมรรถนะสูงขึ้น

ตารางด้านล่างแสดงแนวทางเกี่ยวกับขีดความสามารถในการแปรรูปโดยประมาณของระบบอัลตราซาวนด์กำลังสูงของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพจากการผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นที่รู้จักดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับสถานประกอบการอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher สามารถรับมือกับสภาวะรุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.