Ultrasonik İşlem Çimento Hidrasyonunu ve Mukavemetini Artırır

Sonikasyon olarak da bilinen güç ultrasonu, çimento ve harç üretimi için pratik bir yoğunlaştırma teknolojisi olarak ilgi görmektedir. Son araştırmalar, ultrasonik işlemin parçacık dağılımını iyileştirebileceğini, granülleştirilmiş yüksek fırın cürufu (GBFS) gibi yardımcı çimento benzeri malzemeleri aktive edebileceğini, hidrasyonu hızlandırabileceğini, gözenek yapısını iyileştirebileceğini ve erken yaş mukavemetini önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir.

Güçlü Ultrason Teknolojisiyle Üretilen Yüksek Performanslı Cüruf Katkılı Çimento ve Harç

Çimento imalatında ve harç üretiminde en önemli teknik zorluklardan biri, yardımcı çimento benzeri malzemelerin verimli bir şekilde kullanılmasıdır. Granülleştirilmiş yüksek fırın cürufu (GBFS), klinker içeriğini azaltmak ve sürdürülebilirliği artırmak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, iri veya topaklanmış cüruf parçacıkları genellikle yavaş tepki gösterir ve bu da erken mukavemet gelişimini sınırlar. Sonikasyon, umut verici bir çözüm sunar: yüksek yoğunluklu akustik kavitasyonu kullanarak topakları dağıtır, parçacıkları parçalar ve çimento matrisi içindeki reaktif çekirdeklenme bölgelerinin sayısını artırır.

Sonicasyonun Çimento Hidrasyonu İçin Neden Önemli Olduğu

Ultrasonik işlemin avantajı, hidrasyon öncesinde ve erken aşamalarında parçacık sistemine doğrudan etki edebilme yeteneğinde yatmaktadır. Çimentolu bir süspansiyonda, ultrasonik kavitasyon, lokalize kesme kuvvetleri, mikro püskürmeler ve basınç dalgalanmaları oluşturur. Bu etkiler, topakların parçalanmasına, ince parçacıkların dağılmasına ve taze mineral yüzeylerinin ortaya çıkmasına yardımcı olur.
Çimento ve harç üreticileri için bu husus önemlidir, çünkü hidrasyon büyük ölçüde yüzey etkenliğine bağlıdır. Daha iyi dispersiyon ve daha küçük reaktif parçacıklar, su, klinker fazları ve cüruf parçacıkları arasındaki teması artırabilir. Bu da daha hızlı ısı salınımına, erken sertleşmenin iyileşmesine ve daha yoğun bir mikro yapıya yol açabilir.
Cüruf katkılı sistemlerde, GBFS’nin genellikle aktivasyona ihtiyaç duyması nedeniyle ultrasonik işlem özellikle önemlidir. Ultrasonik parçacık parçalanması – sözde sonofragmentasyon – GBFS partiküllerinin kullanımı, partikül boyutunu, özellikle de 125–250 μm aralığındaki fraksiyonu azaltır.

Çimento ve Harç Üretiminde Sonikasyonun Başlıca Avantajları

Güçlü ultrason, endüstriyel çimento ve harç üretimini çeşitli şekillerde desteklemektedir:

• Geliştirilmiş parçacık dağılımı: Sonikasyon, çimento, cüruf ve ince mineral parçacıklarının macun veya harç karışımı içinde daha homojen bir şekilde dağılmasına yardımcı olur.
• Topaklanmanın azalması: Ultrasonik işlem, parçacık kümelerini parçalayabilir ve karıştırma sırasında yeniden topaklanmayı engelleyebilir.
• Tahıl arıtma: Daha iri cüruf parçacıkları daha ince fraksiyonlara ayrılabilir ve böylece kullanılabilir yüzey alanı artırılabilir.
• Daha fazla çekirdeklenme noktası: Parçalanmış GBFS parçacıkları, çimento matrisinde hidrasyon ürünlerinin çekirdeklenme merkezleri olarak işlev görebilir.
• Hızlandırılmış nemlendirme: Daha iyi dağılım ve açıkta kalan yüzeyler, kümülatif ısı salınımını ve erken sertleşmeyi artırabilir.
• Daha yüksek erken mukavemet: Ultrasonik işlemden geçirilmiş cüruf katkılı çimento hamurları, sadece iki gün sonra bile basınç ve eğilme mukavemetinde önemli artışlar gösterebilir.
• Geliştirilmiş mikro yapı: Sonikasyon, özellikle 2–10 nm gözenek aralığında nanogözeneklilik göstergelerini artırabilir ve gözenek yapısını değiştirebilir.

Güç Ultrasonikasyonunun (PUS) Nemlendirici Çimento Macunlarının Ultrasonik Nabız Hızı Üzerindeki Etkisi

Güçlü Ultrason Teknolojisiyle Ön Üretimli Betonda Daha Hızlı Sertleşme ve Erken Mukavemet

Araştırma “Power-Ultrasonun Portland Çimentosu Hamurlarının Akışkanlığı ve Prizi Üzerindeki Etkisi” Ch. Rößler tarafından yürütülen bu çalışmada, CEM I 42.5 R bazlı, su-çimento oranı 0,37 ve %0,1 poliakrilat süperplastikleştirici içeren Portland çimento hamurları incelenmiştir. Çalışmada, akışlı kurulumda bir Hielscher UIP1000hd sonikatör kullanılarak, yüksek güçlü ultrasonun hidrasyonu hızlandırıp hızlandıramayacağı, akışkanlığı iyileştirip iyileştiremeyeceği, priz süresini kısaltıp kısaltamayacağı ve erken mukavemeti artırıp artıramayacağı değerlendirilmiştir.
Sonuçlar, güç ultrasonunun (PUS) ana hidrasyon sürecini hızlandırdığını göstermektedir. Sıcaklık eğrisi, hidrasyon zirvesinin daha erken gerçekleştiğini ortaya koyarken, beş saat sonra elde edilen mikroyapı görüntüleri, ultrasonla işlenmiş hamurda referans hamura kıyasla daha büyük C-S-H fazlarının oluştuğunu göstermiştir.
Elde edilen başlıca avantajlar:

• Daha yüksek akışkanlık: Çökme, referans hamurundaki 122 mm’den PUS işleminden sonra 158 mm’ye yükseldi.
• Daha hızlı ayarlama: İlk set 5 saat 15 dakikadan 3 saat 45 dakikaya, son set ise 6 saat 45 dakikadan 4 saat 30 dakikaya kısaltıldı.
• Hızlandırılmış sertleşme: Ultrasonik darbe hızı, sertleşmenin yaklaşık 2 saat daha hızlı gerçekleştiğini gösterdi.
• Daha yüksek erken mukavemet: PUS ile işlenmiş çimento hamurundan üretilen harç prizmaları, ilk 24 saat boyunca artan basınç dayanımı sergiledi.
• Proses verimliliği potansiyeli: Yazarlar, yaklaşık 10 kWh/m³ çimento hamuru başına bir enerji girdisinin, sertleşmeyi ve erken mukavemeti yaklaşık iki saat hızlandırabileceğini ve bunun beton başına maliyeti ≤ 1 Euro/m³ olacağını tahmin etmişlerdir.
• Karışım talebindeki azalma: PUS’un akışkanlığı artırması nedeniyle, yazarlar süperplastikleştirici dozajının potansiyel olarak azaltılabileceği sonucuna vardılar.

Bu sonuçlar, özellikle prekast beton üretimi açısından önemlidir; zira bu alanda daha hızlı priz alma ve erken mukavemet, kalıp süresini, ısıtma ihtiyacını ve üretim döngü sürelerini azaltabilir.

Geleneksel yöntemle ve Güçlü Ultrason kullanılarak hazırlanan C + S macunlarının 28 gün sonra ölçülen Vicker Sertlik ve Elastik Modülü değerleri.
Grafikler ve çalışma: ©Lisowski ve ark. 2024.

GBFS Katkılı Çimento Hamurunda Erken Dönem Mukavemetinin Artırılması

Endüstriyel çimento ve harç uygulamaları açısından en önemli bulgulardan biri, erken yaş mukavemetindeki artıştır. Lisowski ve ark. (2024) tarafından yapılan çalışmaya göre, oranında birikmiş GBFS içeren çimento hamurlarına uygulanan darbeli ultrason tedavisi, iki gün sonra önemli ölçüde daha yüksek mukavemet sağlamıştır. Bildirilen artışlar, basınç mukavemetinde 2’ye, eğilme mukavemetinde ise X’e ulaşmıştır.
Bu durum, erken kalıptan çıkarma, erken taşıma mukavemeti veya hızlı inşaat ilerlemesinin ekonomik açıdan önemli olduğu prekast beton, kuru harç, onarım harçları, fayans yapıştırıcıları ve diğer çimento esaslı ürünler için son derece önemlidir.
Mukavemet artışı, sertleşme sırasında ortaya çıkan kümülatif ısı artışıyla ilişkiliydi; bu da sonikasyonun sadece fiziksel dağılımı iyileştirmekle kalmayıp, aynı zamanda erken hidrasyonu da yoğunlaştırdığını göstermektedir. Pratik açıdan bakıldığında bu, güç ultrasonunun üreticilerin erken performanstan ödün vermeden cürufu daha etkili bir şekilde kullanmalarına yardımcı olabileceği anlamına gelmektedir.

28. günde, C + S numaralı Çimento-GBFS macunu numunesinin, Güçlü Ultrason uygulanmadığı ve uygulandığı durumlardaki etkilerini karşılaştıran SEM görüntüleri.
Görseller ve çalışma: ©Lisowski ve ark. 2024.

Sonofragmentasyon, Daha Kaba Cüruf Fraksiyonlarını Daha Kullanışlı Hale Getiriyor

Özellikle değerli bir sonuç, nispeten iri taneli GBFS fraksiyonlarının etkili bir şekilde aktive edilmesidir. Çalışma, 125–250 μm'lik cüruf fraksiyonunun, birikmiş cüruf parçacıklarının ayrıştırılması ve güçlü ultrasonik işlemle birleştirildiğinde en iyi erken yaş ve 28 günlük mukavemet değerlerini sağladığını ortaya koymuştur.
Bu, endüstriyel açıdan önemlidir çünkü cürufun çok ince parçacık boyutlarına öğütülmesi enerji yoğun bir işlemdir. Ultrasonik işlem, daha iri veya birikmiş GBFS fraksiyonlarının reaktivitesini artırırsa, üreticiler öğütme ihtiyacını azaltabilir, hammadde verimliliğini artırabilir ve ikincil malzeme akışlarından daha iyi yararlanabilirler.
 
Ultrasonik dispersiyonun, nano-takviyeli çimento harçlarının üretimini nasıl kolaylaştırdığını öğrenin!

Endüstriyel Önemi: Verimli Çimento ve Harç Üretimi için Güçlü Ultrason

Endüstriyel çimento ve harç üreticileri için sonikasyon, birçok stratejik avantaj sunmaktadır. Bu teknoloji, çamur hazırlama, bağlayıcı aktivasyonu, katkı maddelerinin dispersiyonu veya yüksek performanslı harç karıştırma aşamalarında, prosesi yoğunlaştırma adımı olarak entegre edilebilir. Bu teknoloji, özellikle ince parçacık dağılımına, hızlı hidrasyona ve yardımcı çimento benzeri malzemelerin optimize edilmiş kullanımına bağlı olan ürünler için caziptir.

• Klinker içeriğini artırmadan daha yüksek erken mukavemet
• GBFS ve diğer tamamlayıcı çimento benzeri malzemelerin daha iyi aktivasyonu
• Kaba veya birikmiş cüruf fraksiyonlarının kullanımının iyileştirilmesi
• Çimentolu süspansiyonlarda topaklanmanın azaltılması
• Daha tutarlı nemlendirme ve sertleşme davranışı
• Seçilen cüruf akışlarında öğütme yoğunluğunun potansiyel olarak azaltılması
• Düşük klinkerli ve düşük karbonlu çimento formülasyonlarının performansının iyileştirilmesi

Bu durum, sonikasyonun sürdürülebilir çimento, cüruf çimentosu, yüksek performanslı harçlar, prefabrik elemanlar, onarım malzemeleri ve özel inşaat ürünlerinin üretiminde son derece önemli bir rol oynamasına neden olmaktadır.

Düşük Karbonlu Çimento Teknolojisinde Bir Araç Olarak Sonikasyon

Çimento endüstrisi, CO₂ emisyonlarını azaltma baskısı altındadır ve klinker oranını düşürmek bu konuda en doğrudan yollardan biridir. Ancak, GBFS, uçucu kül, kalsine kil veya diğer tamamlayıcı çimento benzeri malzemelerle ikame oranlarının artırılması, erken mukavemet gelişimini yavaşlatabilir. Güçlü ultrason, dispersiyonu iyileştirerek, parçacıkları aktive ederek ve erken hidrasyonu hızlandırarak bu darboğazın aşılmasına yardımcı olabilir.
Sonikasyon, özellikle işlem parçacık boyutu dağılımı ve işlem süresi açısından optimize edildiğinde, cüruf katkılı çimento hamurlarını daha reaktif ve mekanik olarak daha dayanıklı hale getirebilir. Bu kombinasyon, endüstriyel ölçekte bağlayıcı mühendisliği açısından büyük önem taşımaktadır.

Çimento Hidrasyonu, Mukavemeti ve Cüruf Reaktivitesinin Artırılmasına Yönelik Hielscher Sonikatörleri

Hielscher inline sonikasyon cihazları, özellikle cüruf katkılı çimento sistemlerinde çimento hidrasyonunu ve mukavemetini artırmak için etkili bir araçtır.
Endüstriyel çimento aglomerasyonunun giderilmesi ve dispersiyonu için Hielscher yüksek performanslı sonikasyon cihazları, çimento, cüruf ve mineral dolgu maddesi aglomeralarını ince dağılmış parçacıklara ayırmak için gereken yoğun kavitasyonel kesme kuvvetini sağlar; böylece çimentolu bulamatlardaki parçacık ıslatma, yüzey aktivasyonu ve homojenlik iyileştirilir. Hielscher sistemleri, tezgah üstü ve pilot ölçekten, çimento harcı ve mineral süspansiyonlarının sürekli işlenmesi için yüksek güçlü sıralı sonikatörler dahil olmak üzere sağlam, yüksek verimli üretim sistemlerine kadar çeşitli seçeneklerde mevcuttur. Bu, süreç geliştirmenin Ar-Ge aşamasından itibaren doğrudan ölçeklenebilir olmasını sağlar.&D'den tam endüstriyel üretim kapasitesine kadar. Ultrasonik deagglomerasyon, öğütme ortamlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırarak veya azaltarak işleme sürecini basitleştirir, kirlenme risklerini en aza indirir ve temizlik çabasını azaltırken, tekrarlanabilir dispersiyon kalitesi sağlar. Bu nedenle, çimento ve harç üreticileri için Hielscher sonikatörleri, daha homojen bağlayıcı sistemler, iyileştirilmiş hidrasyon kinetikleri, GBFS ve diğer tamamlayıcı çimento benzeri malzemelerin daha iyi kullanımı ve daha yüksek performanslı düşük klinkerli formülasyonlara ulaşmak için pratik bir yol sunar.

Aşağıdaki tablo, güç ultrason sistemlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir vermektedir:

Tasarım, İmalat ve Danışmanlık – Almanya'da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonicators en yüksek kalite ve tasarım standartları için iyi bilinir. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonicators'ımızın endüstriyel tesislere sorunsuz bir şekilde entegre edilmesini sağlar. Zorlu koşullar ve zorlu ortamlar Hielscher ultrasonicators tarafından kolayca ele alınır.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknoloji ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonicators'a özel önem vermektedir. Tabii ki, Hielscher ultrasonicators CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılar.

Literatür / Referanslar