Ультразвукова обробка покращує гідратацію та міцність цементу

Потужний ультразвук, також відомий як ультразвукова обробка, привертає увагу як практична технологія інтенсифікації у виробництві цементу та будівельних розчинів. Останні дослідження показують, що ультразвукова обробка може покращити дисперсію частинок, активувати допоміжні цементні матеріали, такі як гранульований доменний шлак (GBFS), прискорити гідратацію, удосконалити структуру пор та значно підвищити міцність на ранніх стадіях затвердіння.

Цемент і розчин з додаванням шлаку підвищеної продуктивності, виготовлені з використанням потужного ультразвуку

У цементовій промисловості та виробництві будівельних розчинів однією з головних технічних проблем є ефективне використання допоміжних цементних матеріалів. Гранульований доменний шлак (GBFS) широко застосовується для зменшення вмісту клінкеру та підвищення екологічної стійкості. Однак грубі або агломеровані частинки шлаку часто реагують повільно, що обмежує раннє набирання міцності. Ультразвукова обробка пропонує перспективне рішення: вона використовує високоінтенсивну акустичну кавітацію для розбивання агломератів, дроблення частинок та збільшення кількості реакційноздатних центрів зародження кристалів усередині цементної матриці.

Чому ультразвукова обробка має важливе значення для гідратації цементу

Перевага ультразвукової обробки полягає в її здатності безпосередньо впливати на систему частинок до та під час початкової гідратації. У цементній суспензії ультразвукова кавітація створює локалізовані зсувні сили, мікрострумені та коливання тиску. Ці ефекти сприяють руйнуванню агломератів, диспергуванню дрібних частинок та оголенню свіжих мінеральних поверхонь.
Для виробників цементу та будівельних розчинів це має велике значення, оскільки гідратація значною мірою залежить від поверхні. Краща дисперсія та менший розмір реактивних частинок можуть посилити контакт між водою, фазами клінкеру та частинками шлаку. Це може призвести до швидшого виділення тепла, покращення раннього твердіння та утворення більш щільної мікроструктури.
У системах із додаванням шлаку ультразвукова обробка має особливе значення, оскільки GBFS часто потребує активації. Ультразвукова фрагментація частинок – так звана сонофрагментація – Частинок GBFS зменшується розмір частинок, зокрема фракції 125–250 мкм.

Основні переваги ультразвукової обробки у виробництві цементу та будівельних розчинів

Потужний ультразвук сприяє промисловому виробництву цементу та будівельних розчинів кількома способами:

• Покращене розподілення частинок: Ультразвукова обробка сприяє більш рівномірному розподілу цементу, шлаку та дрібних мінеральних частинок у пастоподібній суміші або розчині.
• Зменшення агломерації: Ультразвукова обробка дозволяє розбивати скупчення частинок і може запобігати їх повторному злипанню під час перемішування.
• Доопрацювання зерна: Більш грубі частинки шлаку можна подрібнити на дрібніші фракції, збільшивши тим самим доступну площу поверхні.
• Більше місць зародження: Фрагментовані частинки GBFS можуть виступати в ролі центрів зародження продуктів гідратації в цементній матриці.
• Прискорена гідратація: Краща дисперсія та більша площа поверхні можуть сприяти збільшенню сумарного виділення тепла та прискоренню затвердіння.
• Більша початкова міцність: Цементні пасти, до складу яких додано шлак і які пройшли ультразвукову обробку, можуть продемонструвати значне підвищення міцності на стиск і на згин вже через два дні.
• Удосконалена мікроструктура: Ультразвукова обробка може підвищити показники нанопористості та змінити структуру пор, особливо в діапазоні розмірів пор 2–10 нм.

 

Прискорене твердіння та раннє набирання міцності у збірному бетоні за допомогою потужного ультразвуку

Дослідження “Вплив силового ультразвуку на плинність і схоплювання портландцементних паст” У роботі Ч. Рьослера досліджуються портландцементні пасти на основі цементу CEM I 42,5 R із водоцементним співвідношенням 0,37 та 0,1 % поліакрилатного суперпластифікатора. У дослідженні використовувався ультразвуковий апарат Hielscher UIP1000hd у проточній конфігурації для оцінки того, чи може потужний ультразвук прискорити гідратацію, поліпшити текучість, скоротити час затвердіння та підвищити ранню міцність.
Результати показують, що потужний ультразвук (PUS) прискорює основний період гідратації. Крива температури свідчить про більш ранній пік гідратації, а знімки мікроструктури, зроблені через п’ять годин, продемонстрували більші фази C-S-H у пасті, обробленій ультразвуком, ніж у контрольному зразку.
Основні досягнуті переваги:

• Більша текучість: Осідання збільшилося зі 122 мм у контрольному розчині до 158 мм після обробки PUS.
• Швидше затвердіння: тривалість першого сету було скорочено з 5 годин 15 хвилин до 3 годин 45 хвилин, а останнього — з 6 годин 45 хвилин до 4 годин 30 хвилин.
• Прискорене затвердіння: Швидкість ультразвукового імпульсу свідчила про те, що затвердіння відбувалося приблизно на 2 години швидше.
• Більша початкова міцність: Призми розчину, виготовлені з цементного розчину, обробленого PUS, продемонстрували підвищення міцності на стиск протягом перших 24 годин.
• Потенціал економії ресурсів у процесі виробництва: За оцінками авторів, витрата енергії в обсязі приблизно 10 кВт·год/м³ цементного розчину може прискорити твердіння та досягнення початкової міцності приблизно на дві години, при цьому зазначена вартість становить ≤ 1 євро/м³ бетону.
• Зниження попиту на домішки: оскільки PUS підвищив текучість, автори дійшли висновку, що дозування суперпластифікатора, ймовірно, можна зменшити.

Ці результати мають особливе значення для виробництва збірного залізобетону, де прискорене твердіння та раннє набирання міцності дозволяють скоротити час розбитки опалубки, зменшити потреби в опаленні та скоротити тривалість виробничого циклу.

 

 

Підвищена початкова міцність цементного розчину з додаванням GBFS

Одним із найважливіших висновків щодо промислового застосування цементу та розчинів є підвищення міцності на ранніх стадіях затвердіння. Згідно з даними Лісовського та ін. (2024), імпульсна ультразвукова обробка цементних паст, що містять 20 % осадженого GBFS, забезпечила значно вищу міцність через два дні. Зафіксоване підвищення міцності на стиск сягало 132 %, а на згин — 58 %.
Це має велике значення для збірного залізобетону, сухих будівельних сумішей, ремонтних розчинів, клеїв для плитки та інших цементних виробів, у яких раннє виймання з форм, раннє досягнення міцності, що дозволяє переміщувати конструкції, або швидкий хід будівництва мають економічне значення.
Зростання міцності корелювало зі збільшенням сумарної теплоти твердіння, що свідчить про те, що ультразвукова обробка не лише покращує фізичну дисперсію, а й інтенсифікує ранню гідратацію. З практичної точки зору це означає, що потужний ультразвук може допомогти виробникам ефективніше використовувати шлак без втрати початкових експлуатаційних характеристик.

 

 

Завдяки сонофрагментації фракції шлаку з більшим розміром частинок стають більш корисними

Особливо цінним результатом є ефективна активація відносно грубих фракцій GBFS. Дослідження показало, що фракція шлаку розміром 125–250 мкм забезпечувала найкращу міцність на ранніх стадіях та через 28 днів у поєднанні з сепарацією осаджених частинок шлаку та обробкою потужним ультразвуком.
Це має важливе промислове значення, оскільки подрібнення шлаку до дуже дрібних фракцій є енергоємним процесом. Якщо ультразвукова обробка покращує реакційну здатність грубіших або осаджених фракцій GBFS, виробники зможуть зменшити потреби в подрібненні, підвищити ефективність використання сировини та раціональніше використовувати вторинні потоки матеріалів.
 
Дізнайтеся, як ультразвукова дисперсія сприяє виробництву наноармованих цементних розчинів!

Практичне значення для промисловості: використання потужного ультразвуку для ефективного виробництва цементу та будівельних розчинів

Для промислових виробників цементу та будівельних розчинів ультразвукова обробка надає низку стратегічних переваг. Її можна інтегрувати як етап інтенсифікації процесу під час приготування суспензії, активації в’яжучого, диспергування домішок або змішування високоякісних будівельних розчинів. Ця технологія є особливо привабливою для продуктів, які залежать від розподілу дрібних частинок, швидкої гідратації та оптимізованого використання додаткових цементних матеріалів.

До переваг ультразвукового виробництва цементу для промисловості належать:

• Більша початкова міцність без збільшення вмісту клінкеру
• Покращення активації GBFS та інших допоміжних цементних матеріалів
• Покращення використання грубодисперсних або осаджених фракцій шлаку
• Зменшення агломерації в цементних суспензіях
• Більш стабільні характеристики гідратації та твердіння
• Можливе зниження інтенсивності подрібнення для окремих потоків шлаку
• Покращення експлуатаційних характеристик рецептур цементу з низьким вмістом клінкеру та низьким вмістом вуглецю

Це робить ультразвукову обробку надзвичайно актуальною для виробництва екологічного цементу, шлакового цементу, високоякісних будівельних розчинів, збірних елементів, ремонтних матеріалів та спеціальних будівельних виробів.

Ультразвукова обробка як засіб для розвитку технології виробництва цементу з низьким рівнем викидів вуглецю

Цементна промисловість відчуває тиск щодо скорочення викидів CO₂, і зниження коефіцієнта клінкеру є одним із найпряміших шляхів досягнення цієї мети. Однак підвищення рівня заміщення за допомогою GBFS, летючого попелу, прокаленої глини або інших допоміжних цементних матеріалів може уповільнити набір міцності на ранніх етапах. Потужний ультразвук може допомогти подолати цю перешкоду завдяки поліпшенню дисперсії, активації частинок та прискоренню ранньої гідратації.
Ультразвукова обробка може підвищити реакційну здатність та механічну міцність цементних паст із домішками шлаку, особливо якщо процес оптимізовано з урахуванням фракційного складу частинок та тривалості обробки. Таке поєднання має велике значення для розробки в’яжучих речовин у промислових масштабах.

Ультразвукові апарати Hielscher для покращення гідратації цементу, підвищення міцності та реакційної здатності шлаку

Вбудовані у виробничу лінію ультразвукові апарати компанії Hielscher є потужним засобом для поліпшення гідратації та міцності цементу, особливо в цементних сумішах із додаванням шлаку.
Для промислової деагломерації та диспергування цементу високоефективні ультразвукові апарати Hielscher забезпечують інтенсивний кавітаційний зсув, необхідний для розбивання агломератів цементу, шлаку та мінеральних наповнювачів на дрібнодисперсні частинки, покращуючи змочування частинок, активацію поверхні та однорідність цементних суспензій. Системи Hielscher доступні у різних варіантах — від настільних і пілотних установок до надійних високопродуктивних виробничих систем, включаючи потужні вбудовані у виробничу лінію ультразвукові апарати для безперервної обробки цементного розчину та мінеральних суспензій. Це дозволяє безпосередньо масштабувати розробку технологічного процесу від етапу досліджень (R)&Від D до повної промислової продуктивності. Завдяки усуненню або зменшенню потреби в подрібнювальних елементах ультразвукова деагломерація спрощує технологічний процес, мінімізує ризики забруднення та зменшує витрати на очищення, забезпечуючи при цьому стабільну якість дисперсії. Тому для виробників цементу та будівельних розчинів ультразвукові апарати Hielscher пропонують практичний шлях до отримання більш однорідних в’яжучих систем, поліпшеної кінетики гідратації, ефективнішого використання GBFS та інших допоміжних цементних матеріалів, а також більш високоефективних рецептур з низьким вмістом клінкеру.

У таблиці нижче наведено приблизні показники продуктивності наших систем потужного ультразвуку:

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

---

---

 

Література / Список літератури

• 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.