Sonication giúp cải thiện quá trình thủy hóa và độ bền của xi măng

Siêu âm công suất cao, còn được gọi là xử lý bằng sóng siêu âm, đang thu hút sự chú ý như một công nghệ tăng cường hiệu quả trong sản xuất xi măng và vữa. Các nghiên cứu gần đây cho thấy việc xử lý bằng sóng siêu âm có thể cải thiện sự phân tán của các hạt, kích hoạt các vật liệu xi măng bổ sung như xỉ lò cao nghiền (GBFS), đẩy nhanh quá trình thủy hóa, tinh chỉnh cấu trúc lỗ rỗng và tăng đáng kể cường độ ở giai đoạn đầu.

Xi măng và vữa pha xỉ có hiệu suất cao hơn nhờ công nghệ siêu âm công suất lớn

Trong sản xuất xi măng và vữa, một trong những thách thức kỹ thuật lớn là việc sử dụng hiệu quả các vật liệu xi măng bổ sung. Xỉ lò cao dạng hạt (GBFS) được sử dụng rộng rãi để giảm hàm lượng clinker và nâng cao tính bền vững. Tuy nhiên, các hạt xỉ thô hoặc kết tụ thường phản ứng chậm, làm hạn chế sự phát triển cường độ ban đầu. Công nghệ siêu âm mang lại một giải pháp đầy hứa hẹn: công nghệ này sử dụng hiện tượng xâm thực âm thanh cường độ cao để phân tán các khối kết tụ, phân mảnh các hạt và tăng số lượng các vị trí tạo mầm phản ứng bên trong ma trận xi măng.

Tại sao quá trình siêu âm lại quan trọng đối với quá trình thủy hóa xi măng

Ưu điểm của phương pháp siêu âm nằm ở khả năng tác động trực tiếp lên hệ thống hạt trước và trong giai đoạn thủy hóa ban đầu. Trong huyền phù xi măng, hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các lực cắt cục bộ, các tia phun vi mô và dao động áp suất. Những tác động này giúp phá vỡ các cụm kết tụ, phân tán các hạt mịn và làm lộ ra bề mặt khoáng chất mới.
Đối với các nhà sản xuất xi măng và vữa, điều này rất quan trọng vì quá trình thủy hóa chủ yếu diễn ra ở bề mặt. Khả năng phân tán tốt hơn và các hạt phản ứng có kích thước nhỏ hơn có thể tăng cường sự tiếp xúc giữa nước, các pha clinker và các hạt xỉ. Điều này có thể dẫn đến việc giải phóng nhiệt nhanh hơn, cải thiện quá trình đông cứng sớm và tạo ra cấu trúc vi mô đặc hơn.
Trong các hệ thống trộn xỉ, quá trình siêu âm có vai trò đặc biệt quan trọng vì GBFS thường cần được kích hoạt. Phân mảnh hạt bằng siêu âm – cái gọi là “phân mảnh bằng sóng âm” – của các hạt GBFS làm giảm kích thước hạt, đặc biệt là phân đoạn có kích thước 125–250 μm.

Những ưu điểm chính của công nghệ siêu âm trong sản xuất xi măng và vữa

Siêu âm công suất hỗ trợ sản xuất xi măng và vữa công nghiệp theo nhiều cách:

• Cải thiện khả năng phân tán hạt: Sonication giúp phân tán xi măng, xỉ và các hạt khoáng chất mịn một cách đồng đều hơn trong hỗn hợp vữa hoặc vữa trát.
• Giảm hiện tượng kết tụ: Xử lý bằng sóng siêu âm có thể phân tán các cụm hạt và có thể ức chế quá trình tái kết tụ trong quá trình trộn.
• Tinh chế hạt: Các hạt xỉ có kích thước lớn hơn có thể được nghiền nhỏ thành các phần có kích thước nhỏ hơn, từ đó làm tăng diện tích bề mặt có sẵn.
• Thêm các vị trí hình thành hạt nhân: Các hạt GBFS bị phân mảnh có thể đóng vai trò là các trung tâm tạo mầm cho các sản phẩm thủy hóa trong ma trận xi măng.
• Bổ sung nước nhanh chóng: Khả năng phân tán tốt hơn và diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn có thể làm tăng lượng nhiệt tỏa ra tích lũy và đẩy nhanh quá trình đông cứng.
• Độ bền ban đầu cao hơn: Hỗn hợp xi măng trộn xỉ đã qua xử lý siêu âm có thể cho thấy sự gia tăng đáng kể về cường độ nén và cường độ uốn chỉ sau hai ngày.
• Cấu trúc vi mô được cải tiến: Quá trình siêu âm có thể làm tăng các chỉ số về độ xốp nano và thay đổi cấu trúc lỗ rỗng, đặc biệt là trong khoảng kích thước lỗ rỗng từ 2–10 nm.

 

Tốc độ đông cứng nhanh hơn và đạt cường độ sớm trong bê tông đúc sẵn nhờ công nghệ siêu âm công suất cao

Nghiên cứu “Ảnh hưởng của siêu âm công suất đến tính lưu động và đông kết của bột xi măng poóc lăng” Nghiên cứu của Ch. Rößler tập trung vào các hỗn hợp xi măng Portland dựa trên loại CEM I 42.5 R, với tỷ lệ nước/xi măng (w/c) là 0,37 và 0,1% chất siêu dẻo polyacrylate. Nghiên cứu đã sử dụng máy siêu âm Hielscher UIP1000hd trong chế độ dòng chảy liên tục để đánh giá liệu siêu âm công suất cao có thể đẩy nhanh quá trình thủy hóa, cải thiện độ chảy, rút ngắn thời gian đông kết và tăng cường độ sớm hay không.
Kết quả cho thấy siêu âm công suất cao (PUS) làm tăng tốc giai đoạn thủy hóa chính. Đường cong nhiệt độ cho thấy đỉnh thủy hóa xuất hiện sớm hơn, trong khi hình ảnh vi cấu trúc sau năm giờ cho thấy các pha C-S-H có kích thước lớn hơn trong hỗn hợp được xử lý bằng siêu âm so với mẫu đối chứng.
Những lợi thế chính đã đạt được:

• Độ lưu động cao hơn: Độ sụt đã tăng từ 122 mm trong hỗn hợp tham chiếu lên 158 mm sau khi xử lý bằng PUS.
• Cài đặt nhanh hơn: phần đầu tiên đã được rút ngắn từ 5 giờ 15 phút xuống còn 3 giờ 45 phút, và phần cuối cùng từ 6 giờ 45 phút xuống còn 4 giờ 30 phút.
• Quá trình cứng lại nhanh: Tốc độ xung siêu âm cho thấy quá trình đông cứng diễn ra nhanh hơn khoảng 2 giờ.
• Độ bền ban đầu cao hơn: Các mẫu hình lăng trụ vữa được chế tạo từ hỗn hợp xi măng đã qua xử lý bằng PUS cho thấy độ bền nén tăng lên trong 24 giờ đầu tiên.
• Tiềm năng về hiệu quả quy trình: Các tác giả ước tính rằng việc cung cấp năng lượng khoảng 10 kWh/m³ vữa xi măng có thể đẩy nhanh quá trình đông kết và tăng cường độ sớm khoảng hai giờ, với chi phí ước tính ≤ 1 Euro/m³ bê tông.
• Giảm nhu cầu về vật liệu trộn: Vì PUS giúp tăng độ lưu động, các tác giả đã kết luận rằng liều lượng chất siêu dẻo có thể được giảm xuống.

Những kết quả này đặc biệt có ý nghĩa đối với sản xuất bê tông đúc sẵn, nơi mà quá trình đông cứng nhanh hơn và cường độ sớm có thể giúp rút ngắn thời gian lắp đặt ván khuôn, giảm nhu cầu sưởi ấm và rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất.

 

 

Độ bền ban đầu cao hơn ở hỗn hợp xi măng GBFS

Một trong những phát hiện quan trọng nhất đối với các ứng dụng xi măng và vữa công nghiệp là sự cải thiện độ bền giai đoạn đầu. Theo Lisowski và cộng sự (2024), việc xử lý bằng sóng siêu âm xung đối với hỗn hợp xi măng chứa 20% tro bay từ lò cao (GBFS) đã mang lại độ bền cao hơn đáng kể sau hai ngày. Các báo cáo cho thấy độ bền nén tăng lên đến 132% và độ bền uốn tăng 58%.
Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với bê tông đúc sẵn, vữa trộn khô, vữa sửa chữa, keo dán gạch và các sản phẩm gốc xi măng khác, trong đó việc tháo khuôn sớm, đạt cường độ chịu tải sớm hoặc tiến độ thi công nhanh có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế.
Sự gia tăng độ bền có mối tương quan với sự gia tăng nhiệt lượng tích lũy trong quá trình đông cứng, cho thấy rằng siêu âm không chỉ cải thiện sự phân tán vật lý mà còn thúc đẩy quá trình thủy hóa ban đầu. Về mặt thực tiễn, điều này có nghĩa là siêu âm công suất cao có thể giúp các nhà sản xuất sử dụng xỉ hiệu quả hơn mà không làm giảm hiệu suất ban đầu.

 

 

Công nghệ phân mảnh bằng sóng siêu âm giúp các phân đoạn xỉ có kích thước lớn hơn trở nên hữu ích hơn

Một kết quả đặc biệt có giá trị là việc kích hoạt hiệu quả các phân đoạn GBFS có kích thước hạt tương đối lớn. Nghiên cứu cho thấy phân đoạn xỉ có kích thước 125–250 μm mang lại độ bền ở giai đoạn sớm và độ bền sau 28 ngày tốt nhất khi kết hợp với phương pháp tách các hạt xỉ lắng đọng và xử lý bằng sóng siêu âm công suất cao.
Điều này có ý nghĩa quan trọng về mặt công nghiệp bởi vì quá trình nghiền xỉ thành các hạt có kích thước rất mịn tiêu tốn nhiều năng lượng. Nếu việc sử dụng sóng siêu âm giúp cải thiện tính phản ứng của các phân đoạn GBFS có kích thước thô hơn hoặc đã lắng đọng, các nhà sản xuất có thể giảm nhu cầu nghiền, nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu thô và tận dụng tốt hơn các dòng vật liệu thứ cấp.
 
Tìm hiểu cách phân tán bằng sóng siêu âm hỗ trợ quá trình sản xuất vữa xi măng gia cường bằng vật liệu nano!

Ứng dụng trong công nghiệp: Sử dụng sóng siêu âm công suất cao để sản xuất xi măng và vữa hiệu quả

Đối với các nhà sản xuất xi măng và vữa công nghiệp, công nghệ siêu âm mang lại nhiều lợi thế chiến lược. Công nghệ này có thể được tích hợp như một công đoạn tăng cường quy trình trong quá trình chuẩn bị hỗn hợp bùn, kích hoạt chất kết dính, phân tán phụ gia hoặc trộn vữa hiệu suất cao. Công nghệ này đặc biệt hấp dẫn đối với các sản phẩm phụ thuộc vào sự phân bố hạt mịn, quá trình thủy hóa nhanh và việc sử dụng tối ưu các vật liệu kết dính bổ sung.

Các lợi ích công nghiệp của quy trình sản xuất xi măng bằng sóng siêu âm bao gồm:

• Tăng cường độ ban đầu mà không làm tăng hàm lượng clinker
• Tăng cường khả năng kích hoạt của GBFS và các vật liệu kết dính bổ sung khác
• Tăng cường việc sử dụng các phân đoạn xỉ thô hoặc xỉ lắng đọng
• Giảm hiện tượng kết tụ trong các hỗn hợp dạng huyền phù có thành phần xi măng
• Quá trình ngâm nước và quá trình đông cứng diễn ra ổn định hơn
• Khả năng giảm cường độ nghiền đối với các dòng xỉ được lựa chọn
• Cải thiện hiệu suất của các công thức xi măng có hàm lượng clinker thấp và hàm lượng carbon thấp

Điều này khiến công nghệ siêu âm trở nên vô cùng quan trọng trong sản xuất xi măng bền vững, xi măng xỉ, vữa hiệu suất cao, các cấu kiện đúc sẵn, vật liệu sửa chữa và các sản phẩm xây dựng chuyên dụng.

Sonication – Công cụ cho công nghệ xi măng carbon thấp

Ngành công nghiệp xi măng đang phải đối mặt với áp lực giảm phát thải CO₂, và việc giảm hệ số clinker là một trong những giải pháp trực tiếp nhất. Tuy nhiên, việc tăng tỷ lệ thay thế bằng tro bay, tro lò cao, đất sét nung hoặc các vật liệu kết dính bổ sung khác có thể làm chậm quá trình phát triển cường độ ban đầu. Siêu âm công suất cao có thể giúp khắc phục điểm nghẽn này bằng cách cải thiện độ phân tán, kích hoạt các hạt và đẩy nhanh quá trình thủy hóa ban đầu.
Quá trình siêu âm có thể làm cho hỗn hợp xi măng trộn xỉ trở nên phản ứng mạnh hơn và có độ bền cơ học cao hơn, đặc biệt khi quy trình này được tối ưu hóa về phân bố kích thước hạt và thời gian xử lý. Sự kết hợp này có ý nghĩa rất quan trọng đối với kỹ thuật chế tạo chất kết dính ở quy mô công nghiệp.

Máy siêu âm Hielscher giúp tăng cường quá trình thủy hóa xi măng, độ bền và tính phản ứng của xỉ

Các thiết bị siêu âm dòng chảy Hielscher là công cụ hiệu quả giúp cải thiện quá trình thủy hóa và độ bền của xi măng, đặc biệt là trong các hệ thống xi măng có pha trộn xỉ.
Đối với quá trình phá vỡ cụm và phân tán xi măng trong công nghiệp, các thiết bị siêu âm hiệu suất cao của Hielscher cung cấp lực cắt do hiện tượng xâm thực mạnh mẽ cần thiết để phá vỡ các cụm xi măng, xỉ và chất độn khoáng thành các hạt phân tán mịn, từ đó cải thiện khả năng thấm ướt của hạt, kích hoạt bề mặt và độ đồng nhất trong hỗn hợp xi măng. Các hệ thống của Hielscher có sẵn từ quy mô bàn thí nghiệm và quy mô thử nghiệm đến các hệ thống sản xuất công suất cao, bền bỉ, bao gồm các thiết bị siêu âm công suất cao lắp đặt trực tiếp vào dây chuyền để xử lý liên tục vữa xi măng và huyền phù khoáng chất. Điều này giúp quá trình phát triển quy trình có thể mở rộng quy mô trực tiếp từ R&Từ quy mô nhỏ đến công suất công nghiệp đầy đủ. Bằng cách loại bỏ hoặc giảm thiểu nhu cầu sử dụng vật liệu nghiền, quá trình phân tán bằng sóng siêu âm giúp đơn giản hóa quy trình xử lý, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm và giảm bớt công sức vệ sinh, đồng thời mang lại chất lượng phân tán ổn định và có thể tái tạo. Do đó, đối với các nhà sản xuất xi măng và vữa, các thiết bị siêu âm của Hielscher mang lại một giải pháp thực tiễn để đạt được các hệ thống chất kết dính đồng nhất hơn, cải thiện động học thủy hóa, tận dụng hiệu quả hơn tro bay từ lò cao (GBFS) và các vật liệu xi măng bổ sung khác, cũng như các công thức có hàm lượng clinker thấp nhưng hiệu suất cao hơn.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn thông tin tham khảo về công suất xử lý xấp xỉ của các hệ thống siêu âm công suất cao của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

---

---

 

Văn học / Tài liệu tham khảo

• 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.