Ультразвукова обробка покращує гідратацію та міцність цементу

Потужний ультразвук, також відомий як ультразвукова обробка, привертає увагу як практична технологія інтенсифікації виробництва цементу та будівельних розчинів. Останні дослідження показують, що ультразвукова обробка може покращувати диспергування частинок, активувати додаткові цементувальні матеріали, як-от гранульований доменний шлак (GBFS), прискорювати гідратацію, формувати дрібнішу порову структуру та значно підвищувати ранню міцність.

Цемент і будівельні розчини з добавкою шлаку з покращеними експлуатаційними характеристиками завдяки потужному ультразвуку

У виробництві цементу та будівельних розчинів одним з основних технічних завдань є ефективне використання додаткових цементувальних матеріалів. Гранульований доменний шлак, або GBFS, широко використовують для зниження вмісту клінкеру та підвищення екологічної сталості. Однак крупні або агломеровані частинки шлаку часто реагують повільно, обмежуючи набір ранньої міцності. Ультразвукова обробка пропонує перспективне рішення: вона використовує високоінтенсивну акустичну кавітацію для диспергування агломератів, подрібнення частинок і збільшення кількості реакційноздатних центрів зародкоутворення всередині цементної матриці.

Чому ультразвукова обробка важлива для гідратації цементу

Перевага ультразвукової обробки полягає в її здатності впливати безпосередньо на систему частинок до початку та під час ранньої гідратації. У цементній суспензії ультразвукова кавітація створює локальні зсувні сили, мікрострумені та коливання тиску. Ці ефекти допомагають руйнувати агломерати, диспергувати дрібні частинки та оголювати свіжі мінеральні поверхні.
Для виробників цементу та будівельних розчинів це важливо, оскільки гідратація значною мірою визначається поверхневими процесами. Краще диспергування та менші реакційноздатні частинки можуть посилювати контакт між водою, клінкерними фазами та частинками шлаку. Це може сприяти швидшому тепловиділенню, покращеному твердненню на ранній стадії та формуванню щільнішої мікроструктури.
У системах із добавкою шлаку ультразвукова обробка особливо актуальна, оскільки GBFS часто потребує активації. Ультразвукове подрібнення частинок GBFS – так звана сонофрагментація – зменшує розмір частинок, особливо фракції 125–250 μm.

Основні переваги ультразвукової обробки у виробництві цементу та будівельних розчинів

Потужний ультразвук сприяє промисловому виробництву цементу та будівельних розчинів у кількох аспектах:

• Покращене диспергування частинок: Ультразвукова обробка допомагає рівномірніше диспергувати цемент, шлак і дрібні мінеральні частинки в цементному тісті або розчиновій суміші.
• Зменшення агломерації: Ультразвукова обробка може руйнувати скупчення частинок і може пригнічувати повторну агломерацію під час змішування.
• Подрібнення зерен: Крупніші частинки шлаку можуть подрібнюватися до дрібніших фракцій, збільшуючи доступну площу поверхні.
• Більше центрів зародкоутворення: Подрібнені частинки GBFS можуть слугувати центрами зародкоутворення продуктів гідратації в цементній матриці.
• Прискорена гідратація: Краще диспергування та оголені поверхні можуть збільшувати сумарне тепловиділення та прискорювати тверднення на ранній стадії.
• Вища рання міцність: Цементне тісто з добавкою шлаку після ультразвукової обробки може демонструвати суттєве підвищення міцності на стиск і згин уже через дві доби.
• Покращена мікроструктура: Ультразвукова обробка може підвищувати показники нанопористості та змінювати порову структуру, особливо в діапазоні розмірів пор 2–10 nm.

 

Прискорене тужавлення та набір ранньої міцності збірного бетону завдяки потужному ультразвуку

У дослідженні Ch. Rößler «Вплив потужного ультразвуку на текучість і тужавлення портландцементного тіста» розглядається портландцементне тісто на основі CEM I 42,5 R з водоцементним відношенням 0,37 і 0,1% поліакрилатного суперпластифікатора. У дослідженні використовували ультразвуковий апарат Hielscher UIP1000hd у проточній конфігурації, щоб оцінити, чи може потужний ультразвук прискорювати гідратацію, покращувати текучість, скорочувати час тужавлення та підвищувати ранню міцність.
Результати показують, що потужний ультразвук (PUS) прискорює основний період гідратації. Температурна крива демонструє раніше настання піку гідратації, а зображення мікроструктури через п’ять годин показали більші фази C-S-H в обробленому ультразвуком тісті порівняно з контрольним зразком.
Основні досягнуті переваги:

• Вища текучість: осадка збільшилася зі 122 mm у контрольному цементному тісті до 158 mm після обробки PUS.
• Швидше тужавлення: час початку тужавлення скоротився з 5 h 15 min до 3 h 45 min, а час кінця тужавлення – з 6 h 45 min до 4 h 30 min.
• Прискорений розвиток жорсткості: швидкість ультразвукового імпульсу свідчила про прискорення тверднення приблизно на 2 години.
• Вища рання міцність: призми будівельного розчину, виготовлені з цементного тіста, обробленого PUS, показали підвищену міцність на стиск протягом перших 24 годин.
• Потенціал підвищення економічності процесу: за оцінками авторів, підведення енергії в обсязі приблизно 10 kWh/m³ цементного тіста могло б прискорити тужавлення й набір ранньої міцності приблизно на дві години за зазначених витрат ≤ 1 Euro/m³ бетону.
• Зменшення потреби в добавках: оскільки PUS підвищував текучість, автори дійшли висновку, що дозування суперпластифікатора потенційно можна зменшити.

Ці результати особливо актуальні для виробництва збірного бетону, де швидше тужавлення та набір ранньої міцності можуть скоротити час витримування в опалубці, потребу в нагріванні та тривалість виробничих циклів.

 

 

Вища рання міцність цементного тіста з добавкою GBFS

Одним із найважливіших результатів для промислового застосування у виробництві цементу та будівельних розчинів є підвищення ранньої міцності. За даними Lisowski et al. (2024), імпульсна ультразвукова обробка цементного тіста, що містить 20% депонованого GBFS, забезпечила значно вищу міцність через два дні. Зафіксоване підвищення сягало до 132% для міцності на стиск і 58% для міцності на згин.
Це особливо актуально для збірного бетону, сухих будівельних сумішей, ремонтних розчинів, плиткових клеїв та інших цементних виробів, для яких раннє розпалублення, раннє досягнення міцності, достатньої для переміщення, або швидкий перебіг будівельних робіт мають економічне значення.
Підвищення міцності корелювало зі збільшенням сумарного тепловиділення під час тверднення, що свідчить про те, що ультразвукова обробка не лише покращує фізичне диспергування, а й інтенсифікує ранню гідратацію. На практиці це означає, що потужний ультразвук міг би допомогти виробникам ефективніше використовувати шлак без погіршення ранніх експлуатаційних характеристик.

 

 

Сонофрагментація робить крупніші фракції шлаку кориснішими

Особливо цінним результатом є ефективна активація відносно крупних фракцій GBFS. Дослідження показало, що фракція шлаку 125–250 μm забезпечувала найвищу ранню міцність і міцність у віці 28 діб у поєднанні з відокремленням частинок депонованого шлаку та обробкою потужним ультразвуком.
Це має промислове значення, оскільки подрібнення шлаку до дуже малих розмірів є енергоємним. Якщо ультразвукова обробка покращує реакційну здатність крупніших або депонованих фракцій GBFS, виробники можуть зменшити потребу в подрібненні, підвищити ефективність використання сировини та краще використовувати потоки вторинних матеріалів.
 
Дізнайтеся, як ультразвукове диспергування полегшує виробництво наноармованих цементних розчинів!

Промислове значення: потужний ультразвук для ефективного виробництва цементу та будівельних розчинів

Для промислових виробників цементу та будівельних розчинів ультразвукова обробка пропонує низку стратегічних переваг. Її можна інтегрувати як етап інтенсифікації процесу під час приготування суспензії, активації в’яжучого, диспергування добавок або змішування високоефективних будівельних розчинів. Ця технологія особливо приваблива для продукції, властивості якої залежать від розподілу дрібних частинок, швидкої гідратації та оптимізованого використання додаткових цементувальних матеріалів.

Промислові переваги виробництва цементу із застосуванням ультразвуку включають:

• Вища рання міцність без збільшення вмісту клінкеру
• Краща активація GBFS та інших додаткових цементувальних матеріалів
• Ефективніше використання крупних або депонованих фракцій шлаку
• Зменшення агломерації в цементних суспензіях
• Стабільніший перебіг гідратації та тверднення
• Потенційне зниження інтенсивності помелу для окремих потоків шлаку
• Покращені експлуатаційні характеристики цементних композицій із низьким вмістом клінкеру та низьким вуглецевим слідом

Це робить ультразвукову обробку дуже актуальною для виробництва екологічно сталого цементу, шлакового цементу, високоефективних будівельних розчинів, збірних елементів, ремонтних матеріалів і спеціалізованої будівельної продукції.

Ультразвукова обробка як інструмент технології виробництва цементу з низьким вуглецевим слідом

Цементна промисловість перебуває під тиском вимог щодо скорочення викидів CO₂, і зниження частки клінкеру є одним із найпряміших шляхів досягнення цієї мети. Однак збільшення ступеня заміщення клінкеру GBFS, золою-винесенням, кальцинованою глиною або іншими додатковими цементувальними матеріалами може сповільнювати набір ранньої міцності. Потужний ультразвук може допомогти подолати це обмеження завдяки покращенню диспергування, активації частинок і прискоренню ранньої гідратації.
Ультразвукова обробка може підвищити реакційну здатність і механічну міцність цементного тіста з додаванням шлаку, особливо коли процес оптимізовано з урахуванням розмірної фракції частинок і тривалості обробки. Таке поєднання має велике значення для розроблення в’яжучих у промисловому масштабі.

Ультразвукові пристрої Hielscher для покращення гідратації та міцності цементу й підвищення реакційної здатності шлаку

Проточні ультразвукові пристрої Hielscher є потужним інструментом для покращення гідратації та міцності цементу, особливо в цементних системах із додаванням шлаку.
Для промислової деагломерації та диспергування цементу високопродуктивні ультразвукові пристрої Hielscher забезпечують інтенсивні кавітаційні зсувні сили, необхідні для руйнування агломератів цементу, шлаку та мінерального наповнювача з утворенням тонкодисперсних частинок, покращуючи змочування частинок, активацію поверхні та однорідність цементних суспензій. Асортимент систем Hielscher охоплює настільні та пілотні установки, а також міцні виробничі системи з високою продуктивністю, зокрема потужні проточні ультразвукові пристрої для безперервної обробки цементних ін’єкційних розчинів і мінеральних суспензій. Це дає змогу безпосередньо масштабувати розроблювані процеси від науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт до повної промислової продуктивності. Усуваючи або зменшуючи потребу в молольних тілах, ультразвукова деагломерація спрощує обробку, мінімізує ризики забруднення та зменшує зусилля на очищення, водночас забезпечуючи відтворювану якість диспергування. Отже, для виробників цементу та будівельних розчинів ультразвукові пристрої Hielscher пропонують практичний шлях до однорідніших в’яжучих систем, покращеної кінетики гідратації, ефективнішого використання GBFS та інших додаткових цементувальних матеріалів, а також композицій із низьким вмістом клінкеру та вищими експлуатаційними характеристиками.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших систем потужного ультразвуку:

Проєктування, виробництво та консультування – якість із Німеччини

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі найвищими стандартами якості та конструкції. Міцність і простота експлуатації забезпечують безперешкодну інтеграцію наших ультразвукових апаратів у промислові установки. Ультразвукові апарати Hielscher легко працюють у суворих умовах і складних середовищах.

Hielscher Ultrasonics – компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам із найсучаснішими технологіями та зручністю використання. Звісно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE, а також UL, CSA та RoHs.

---

---

 

Література / Джерела

• 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.