Sonikasyon Çimento Hidratasyonunu ve Dayanımını İyileştirir

Sonikasyon olarak da bilinen güç ultrasonu, çimento ve harç üretimi için pratik bir proses yoğunlaştırma teknolojisi olarak ilgi görmektedir. Son araştırmalar, ultrasonik işlemin parçacık dispersiyonunu iyileştirebildiğini, granüle yüksek fırın cürufu (GBFS) gibi tamamlayıcı çimentolu malzemeleri aktive edebildiğini, hidratasyonu hızlandırabildiğini, gözenek yapısını inceltebildiğini ve erken yaş dayanımını önemli ölçüde artırabildiğini göstermektedir.

Güç Ultrasonu ile Daha Yüksek Performanslı Cüruf Katkılı Çimento ve Harç

Çimento imalatında ve harç üretiminde başlıca teknik zorluklardan biri, tamamlayıcı çimentolu malzemelerin verimli kullanılmasıdır. Granüle yüksek fırın cürufu, yani GBFS, klinker içeriğini azaltmak ve sürdürülebilirliği iyileştirmek için yaygın olarak kullanılır. Ancak iri veya aglomere olmuş cüruf parçacıkları çoğu zaman yavaş reaksiyona girerek erken dayanım gelişimini sınırlar. Sonikasyon umut verici bir çözüm sunar: aglomeraları disperse etmek, parçacıkları parçalamak ve çimento matrisi içindeki reaktif çekirdeklenme bölgelerinin sayısını artırmak için yüksek yoğunluklu akustik kavitasyon kullanır.

Sonikasyon Çimento Hidratasyonu İçin Neden Önemlidir?

Sonikasyonun avantajı, erken hidratasyon öncesinde ve sırasında doğrudan parçacık sistemi üzerinde etki gösterebilmesinde yatar. Çimentolu bir süspansiyonda ultrasonik kavitasyon, yerel kesme kuvvetleri, mikrojetler ve basınç dalgalanmaları oluşturur. Bu etkiler, aglomeraların parçalanmasına, ince parçacıkların disperse edilmesine ve yeni mineral yüzeylerinin açığa çıkarılmasına yardımcı olur.
Çimento ve harç üreticileri için bu önemlidir; çünkü hidratasyon büyük ölçüde yüzeydeki süreçlerle yönlendirilir. Daha iyi dispersiyon ve daha küçük reaktif parçacıklar, su, klinker fazları ve cüruf parçacıkları arasındaki teması artırabilir. Bu da daha hızlı ısı açığa çıkmasına, erken sertleşmenin iyileşmesine ve daha yoğun bir mikroyapıya yol açabilir.
Cüruf katkılı sistemlerde sonikasyon özellikle önemlidir; çünkü GBFS çoğu zaman aktivasyon gerektirir. GBFS parçacıklarının ultrasonik olarak parçalanması – sonofragmantasyon olarak adlandırılan işlem – özellikle 125–250 μm fraksiyonunda parçacık boyutunu küçültür.

Çimento ve Harç Üretiminde Sonikasyonun Başlıca Avantajları

Güç ultrasonu, endüstriyel çimento ve harç üretimini çeşitli yollarla destekler:

• İyileştirilmiş parçacık dispersiyonu: Sonikasyon, çimento, cüruf ve ince mineral parçacıklarının hamur veya harç karışımında daha homojen biçimde disperse edilmesine yardımcı olur.
• Azaltılmış aglomerasyon: Ultrasonik işlem, parçacık kümelerini parçalayabilir ve karıştırma sırasında yeniden aglomerasyonu engelleyebilir.
• Tane inceltme: Daha iri cüruf parçacıkları daha ince fraksiyonlara parçalanarak kullanılabilir yüzey alanını artırabilir.
• Daha fazla çekirdeklenme bölgesi: Parçalanmış GBFS parçacıkları, çimento matrisindeki hidratasyon ürünleri için çekirdeklenme merkezleri olarak işlev görebilir.
• Hızlandırılmış hidratasyon: Daha iyi dispersiyon ve açığa çıkan yüzeyler, kümülatif ısı açığa çıkışını ve erken sertleşmeyi artırabilir.
• Daha yüksek erken dayanım: Sonikasyona tabi tutulmuş cüruf katkılı çimento hamurları, yalnızca iki gün sonra basınç ve eğilme dayanımında önemli artışlar gösterebilir.
• İyileştirilmiş mikroyapı: Sonikasyon, nanogözeneklilik göstergelerini artırabilir ve özellikle 2–10 nm gözenek aralığında gözenek yapısını değiştirebilir.

Güç Ultrasonikasyonunun (PUS) Hidratasyon Geçiren Çimento Hamurlarının Ultrasonik Darbe Hızına Etkisi

Güç Ultrasonu ile Prekast Betonda Daha Hızlı Priz ve Erken Dayanım

Ch. Rößler’in “Güç Ultrasonunun Portland Çimentosu Hamurlarının Akışkanlığına ve Prizine Etkisi” başlıklı çalışması, CEM I 42,5 R esaslı, 0,37 su/çimento oranına ve %0,1 poliakrilat süperakışkanlaştırıcıya sahip Portland çimentosu hamurlarını incelemektedir. Çalışmada, güç ultrasonunun hidratasyonu hızlandırıp hızlandıramayacağını, akışkanlığı iyileştirip iyileştiremeyeceğini, priz süresini kısaltıp kısaltamayacağını ve erken dayanımı artırıp artıramayacağını değerlendirmek için akışlı bir düzende Hielscher UIP1000hd sonikatörü kullanılmıştır.
Sonuçlar, güç ultrasonunun (PUS) ana hidratasyon dönemini hızlandırdığını göstermektedir. Sıcaklık eğrisi daha erken bir hidratasyon pikini gösterirken, beş saat sonra alınan mikroyapı görüntüleri, ultrasonla işlenmiş hamurda referansa kıyasla daha büyük C-S-H fazları göstermiştir.
Elde edilen başlıca avantajlar:

• Daha yüksek akışkanlık: çökme değeri, referans hamurda 122 mm iken PUS işleminden sonra 158 mm değerine yükselmiştir.
• Daha hızlı priz: priz başlangıcı 5 h 15 min süresinden 3 h 45 min süresine, priz sonu ise 6 h 45 min süresinden 4 h 30 min süresine kısalmıştır.
• Hızlandırılmış rijitleşme: ultrasonik darbe hızı, sertleşmenin yaklaşık 2 saat daha hızlı gerçekleştiğini göstermiştir.
• Daha yüksek erken dayanım: PUS ile işlenmiş çimento hamurundan üretilen harç prizmaları, ilk 24 saat içinde artmış basınç dayanımı göstermiştir.
• Proses ekonomisi potansiyeli: yazarlar, yaklaşık 10 kWh/m³ çimento hamuru enerji girdisinin, belirtilen ≤ 1 Euro/m³ beton maliyetiyle priz ve erken dayanım gelişimini yaklaşık iki saat hızlandırabileceğini tahmin etmiştir.
• Azaltılmış katkı maddesi ihtiyacı: PUS akışkanlığı artırdığı için yazarlar, süperakışkanlaştırıcı dozajının potansiyel olarak azaltılabileceği sonucuna varmıştır.

Bu sonuçlar, daha hızlı priz ve erken dayanımın kalıpta bekleme süresini, ısıtma ihtiyacını ve üretim çevrim sürelerini azaltabileceği prekast beton üretimi için özellikle önemlidir.

Geleneksel yöntemle ve güç ultrasonu kullanılarak hazırlanan C + S hamurlarının 28 d sonraki Vickers sertliği ve elastisite modülü.
Grafikler ve çalışma: ©Lisowski et al. 2024.

GBFS Katkılı Çimento Hamurunda Daha Yüksek Erken Dayanım

Endüstriyel çimento ve harç uygulamaları için en önemli bulgulardan biri, erken yaş dayanımındaki iyileşmedir. Lisowski et al. (2024) çalışmasına göre, %20 biriktirilmiş GBFS içeren çimento hamurlarına uygulanan darbeli ultrason işlemi, iki gün sonra önemli ölçüde daha yüksek dayanım sağlamıştır. Bildirilen artışlar, basınç dayanımında %132’ye ve eğilme dayanımında %58’e kadar ulaşmıştır.
Bu, erken kalıptan çıkarma, erken taşıma dayanımı veya hızlı inşaat ilerlemesinin ekonomik açıdan önemli olduğu prekast beton, kuru karışım harç, tamir harçları, karo yapıştırıcıları ve diğer çimentolu ürünler için son derece önemlidir.
Dayanım artışı, artan kümülatif sertleşme ısısıyla ilişkilendirilmiştir; bu da sonikasyonun yalnızca fiziksel dispersiyonu iyileştirmekle kalmayıp erken hidratasyonu da yoğunlaştırdığını düşündürmektedir. Pratik açıdan bu, güç ultrasonunun üreticilerin erken performanstan ödün vermeden cürufu daha etkili kullanmalarına yardımcı olabileceği anlamına gelir.

28d yaşında, güç ultrasonu uygulanmadan ve uygulanarak elde edilen etkiyi karşılaştıran C + S Çimento-GBFS hamuru numunesinin SEM görüntüleri.
Görüntüler ve çalışma: ©Lisowski et al. 2024.

Sonofragmantasyon Daha İri Cüruf Fraksiyonlarını Daha Yararlı Hâle Getirir

Özellikle değerli bir sonuç, nispeten iri GBFS fraksiyonlarının etkili biçimde aktive edilmesidir. Çalışma, 125–250 μm cüruf fraksiyonunun, biriktirilmiş cüruf parçacıklarının ayrılması ve güç ultrasonu işlemiyle birlikte en iyi erken yaş ve 28 günlük dayanımı sağladığını ortaya koymuştur.
Bu, endüstriyel açıdan önemlidir; çünkü cürufun çok ince boyutlara öğütülmesi yoğun enerji gerektirir. Sonikasyon daha iri veya biriktirilmiş GBFS fraksiyonlarının reaktivitesini iyileştirirse, üreticiler öğütme ihtiyacını azaltabilir, ham madde verimliliğini iyileştirebilir ve ikincil malzeme akışlarından daha iyi yararlanabilir.
 
Ultrasonik dispersiyonun nano takviyeli çimento harçlarının üretimini nasıl kolaylaştırdığını öğrenin!

Endüstriyel Önemi: Verimli Çimento ve Harç Üretimi İçin Güç Ultrasonu

Endüstriyel çimento ve harç üreticileri için sonikasyon çeşitli stratejik avantajlar sunar. Bulamaç hazırlama, bağlayıcı aktivasyonu, katkı maddesi dispersiyonu veya yüksek performanslı harç karıştırma sırasında bir proses yoğunlaştırma adımı olarak entegre edilebilir. Teknoloji, özellikle ince parçacık dağılımına, hızlı hidratasyona ve tamamlayıcı çimentolu malzemelerin optimize edilmiş kullanımına bağlı ürünler için caziptir.

• Klinker içeriğini artırmadan daha yüksek erken dayanım
• GBFS ve diğer tamamlayıcı çimentolu malzemelerin daha iyi aktivasyonu
• İri veya biriktirilmiş cüruf fraksiyonlarının kullanımının iyileştirilmesi
• Çimentolu süspansiyonlarda azaltılmış aglomerasyon
• Daha tutarlı hidratasyon ve sertleşme davranışı
• Seçili cüruf akışları için öğütme yoğunluğunda potansiyel azalma
• Düşük klinker içerikli ve düşük karbonlu çimento formülasyonlarının performansının iyileştirilmesi

Bu, sonikasyonu sürdürülebilir çimento, cüruflu çimento, yüksek performanslı harçlar, prekast elemanlar, tamir malzemeleri ve özel amaçlı yapı ürünlerinin üretimi için son derece önemli kılar.

Düşük Karbonlu Çimento Teknolojisi İçin Bir Araç Olarak Sonikasyon

Çimento sektörü, CO₂ emisyonlarını azaltma baskısı altındadır ve klinker faktörünü düşürmek en doğrudan yollardan biridir. Ancak GBFS, uçucu kül, kalsine kil veya diğer tamamlayıcı çimentolu malzemelerle daha yüksek ikame oranları, erken dayanım gelişimini yavaşlatabilir. Güç ultrasonu, dispersiyonu iyileştirerek, parçacıkları aktive ederek ve erken hidratasyonu hızlandırarak bu darboğazın aşılmasına yardımcı olabilir.
Sonikasyon, özellikle proses parçacık boyutu fraksiyonu ve işlem süresi açısından optimize edildiğinde, cüruf katkılı çimento hamurlarını daha reaktif ve mekanik olarak daha dayanıklı hâle getirebilir. Bu birleşim, endüstriyel ölçekte bağlayıcı mühendisliği için son derece önemlidir.

Çimento Hidratasyonunu, Dayanımını ve Cüruf Reaktivitesini İyileştirmek İçin Hielscher Sonikatörleri

Hielscher hat içi sonikatörleri, özellikle cüruf katkılı çimentolu sistemlerde çimento hidratasyonunu ve dayanımını iyileştirmek için güçlü bir araçtır.
Endüstriyel çimento deaglomerasyonu ve dispersiyonu için yüksek performanslı Hielscher sonikatörleri, çimento, cüruf ve mineral dolgu aglomeralarını ince biçimde disperse edilmiş parçacıklara ayırmak için gereken yoğun kavitasyon kaynaklı kesmeyi sağlayarak çimentolu bulamaçlarda parçacık ıslanmasını, yüzey aktivasyonunu ve homojenliği iyileştirir. Hielscher sistemleri, tezgâh üstü ve pilot ölçekten, çimento enjeksiyon harcının ve mineral süspansiyonların sürekli işlenmesi için yüksek güçlü hat içi sonikatörleri de içeren, sağlam ve yüksek işleme kapasiteli üretim sistemlerine kadar uzanır. Bu, proses geliştirmenin Ar-Ge’den tam endüstriyel işleme kapasitesine doğrudan ölçeklenebilmesini sağlar. Ultrasonik deaglomerasyon, öğütme ortamına olan ihtiyacı ortadan kaldırarak veya azaltarak işlemeyi basitleştirir, kontaminasyon risklerini en aza indirir ve temizlik için gereken çabayı azaltırken tekrarlanabilir dispersiyon kalitesi sunar. Bu nedenle Hielscher sonikatörleri, çimento ve harç üreticilerine daha homojen bağlayıcı sistemleri, iyileştirilmiş hidratasyon kinetiği, GBFS ve diğer tamamlayıcı çimentolu malzemelerin daha iyi kullanımı ve daha yüksek performanslı, düşük klinker içerikli formülasyonlar için pratik bir yol sunar.

Aşağıdaki tablo, güç ultrasonu sistemlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir:

Tasarım, İmalat ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonunu sağlar. Hielscher ultrasonikatörleri, ağır koşulların ve zorlu ortamların üstesinden kolaylıkla gelir.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en ileri teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher ultrasonikatörleri CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gerekliliklerini karşılar.

Literatür / Kaynaklar

• 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.