Xử lý siêu âm cải thiện quá trình thủy hóa và cường độ của xi măng

Siêu âm công suất cao, còn được gọi là xử lý siêu âm, đang được quan tâm như một công nghệ tăng cường quá trình thiết thực trong sản xuất xi măng và vữa. Nghiên cứu gần đây cho thấy xử lý siêu âm có thể cải thiện sự phân tán hạt, hoạt hóa các vật liệu xi măng bổ sung như xỉ hạt lò cao (GBFS), đẩy nhanh quá trình thủy hóa, tinh chỉnh cấu trúc lỗ rỗng và tăng đáng kể cường độ ở tuổi sớm.

Xi măng và vữa pha xỉ có tính năng cao hơn nhờ siêu âm công suất cao

Trong sản xuất xi măng và vữa, một trong những thách thức kỹ thuật lớn là sử dụng hiệu quả các vật liệu xi măng bổ sung. Xỉ hạt lò cao, hay 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, hạn chế sự phát triển cường độ sớm. Xử lý siêu âm mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn: phương pháp này sử dụng hiện tượng xâm thực âm cường độ cao để phân tán các khối kết tụ, phân mảnh hạt và tăng số lượng vị trí tạo mầm có khả năng phản ứng trong nền xi măng.

Vì sao xử lý siêu âm quan trọng đối với quá trình thủy hóa xi măng

Ưu điểm của xử lý siêu âm nằm ở khả năng tác động trực tiếp lên hệ hạt trước và trong giai đoạn thủy hóa ban đầu. Trong huyền phù chứa chất kết dính xi măng, hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các lực cắt cục bộ, vi tia chất lỏng và dao động áp suất. Những tác động này giúp phá vỡ các khối kết tụ, phân tán các hạt mịn và làm lộ các bề mặt khoáng mới.
Đối với các nhà sản xuất xi măng và vữa, điều này rất quan trọng vì quá trình thủy hóa phụ thuộc rất lớn vào bề mặt. Sự phân tán tốt hơn và các hạt có khả năng phản ứng nhỏ hơn có thể tăng mức độ tiếp xúc giữa nước, các pha clinker và các hạt xỉ. Điều này có thể dẫn đến sự tỏa nhiệt nhanh hơn, cải thiện quá trình đóng rắn ban đầu và tạo ra vi cấu trúc đặc chắc hơn.
Trong các hệ pha xỉ, xử lý siêu âm đặc biệt có ý nghĩa vì GBFS thường cần được hoạt hóa. Quá trình phân mảnh các hạt GBFS bằng siêu âm – còn gọi là phân mảnh siêu âm – làm giảm kích thước hạt, đặc biệt ở phân đoạn 125–250 μm.

Những ưu điểm chính của xử lý siêu âm trong sản xuất xi măng và vữa

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

• Cải thiện sự phân tán hạt: Xử lý siêu âm giúp phân tán xi măng, xỉ và các hạt khoáng mịn đồng đều hơn trong hồ hoặc hỗn hợp vữa.
• Giảm kết tụ: Xử lý siêu âm có thể phá vỡ các cụm hạt và có khả năng ức chế sự tái kết tụ trong quá trình trộn.
• Làm mịn hạt: Các hạt xỉ thô hơn có thể được phân mảnh thành các phân đoạn mịn hơn, làm tăng diện tích bề mặt sẵn có.
• Nhiều vị trí tạo mầm hơn: Các hạt GBFS đã phân mảnh có thể đóng vai trò là các tâm tạo mầm cho các sản phẩm thủy hóa trong nền xi măng.
• Đẩy nhanh quá trình thủy hóa: Sự phân tán tốt hơn và các bề mặt được làm lộ có thể làm tăng lượng nhiệt tỏa ra tích lũy và thúc đẩy quá trình đóng rắn ban đầu.
• Cường độ sớm cao hơn: Hồ xi măng pha xỉ được xử lý siêu âm có thể đạt mức tăng đáng kể về cường độ chịu nén và chịu uốn chỉ sau hai ngày.
• Cải thiện vi cấu trúc: Xử lý siêu âm có thể làm tăng các chỉ số độ rỗng nano và thay đổi cấu trúc lỗ rỗng, đặc biệt trong khoảng kích thước lỗ rỗng 2–10 nm.

 

Đông kết nhanh hơn và cường độ sớm trong bê tông đúc sẵn nhờ siêu âm công suất cao

Nghiên cứu “Ảnh hưởng của siêu âm công suất đến độ chảy và sự đông kết của hồ xi măng Portland” của Ch. Rößler khảo sát hồ xi măng Portland sử dụng CEM I 42,5 R, tỷ lệ nước/xi măng là 0,37 và 0,1% phụ gia siêu dẻo polyacrylate. Nghiên cứu sử dụng thiết bị siêu âm Hielscher UIP1000hd trong cấu hình dòng chảy qua để đánh giá liệu siêu âm công suất 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 (PUS) đẩy nhanh giai đoạn thủy hóa chính. Đường cong nhiệt độ cho thấy đỉnh thủy hóa xuất hiện sớm hơn, trong khi ảnh vi cấu trúc sau năm giờ cho thấy các pha C-S-H trong hồ được xử lý siêu âm lớn hơn so với mẫu đối chứng.
Các ưu điểm chính đạt được:

• Độ chảy cao hơn: độ sụt tăng từ 122 mm ở hồ đối chứng lên 158 mm sau khi xử lý PUS.
• Đông kết nhanh hơn: thời gian bắt đầu đông kết được rút ngắn từ 5 h 15 min xuống 3 h 45 min, và thời gian kết thúc đông kết từ 6 h 45 min xuống 4 h 30 min.
• Tăng nhanh độ cứng: vận tốc xung siêu âm cho thấy quá trình đóng rắn diễn ra nhanh hơn khoảng 2 giờ.
• Cường độ sớm cao hơn: các mẫu vữa hình lăng trụ được chế tạo từ hồ xi măng đã xử lý PUS cho thấy cường độ chịu nén tăng trong 24 giờ đầu.
• Tiềm năng về hiệu quả kinh tế của quy trình: các tác giả ước tính rằng mức năng lượng đầu vào khoảng 10 kWh/m³ hồ xi măng có thể đẩy nhanh quá trình đông kết và phát triển cường độ sớm khoảng hai giờ, với chi phí được nêu là ≤ 1 Euro/m³ bê tông.
• Giảm nhu cầu sử dụng phụ gia: do PUS làm tăng độ chảy, các tác giả kết luận rằng có khả năng giảm liều lượng phụ gia siêu dẻo.

Những kết quả này đặc biệt có ý nghĩa đối với sản xuất bê tông đúc sẵn, trong đó quá trình đông kết và phát triển cường độ sớm nhanh hơn có thể rút ngắn thời gian lưu khuôn, giảm nhu cầu gia nhiệt và rút ngắn chu kỳ sản xuất.

 

 

Cường độ sớm cao hơn trong hồ xi măng pha GBFS

Một trong những phát hiện quan trọng nhất đối với các ứng dụng xi măng và vữa công nghiệp là sự cải thiện cường độ ở tuổi sớm. Theo Lisowski và cộng sự (2024), xử lý siêu âm dạng xung đối với hồ xi măng chứa 20% GBFS lắng đọng tạo ra cường độ cao hơn đáng kể sau hai ngày. Mức tăng được báo cáo đạt tới 132% về cường độ chịu nén và 58% về cường độ chịu uốn.
Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với bê tông đúc sẵn, vữa trộn khô, vữa sửa chữa, keo dán gạch và các sản phẩm gốc xi măng khác, khi việc tháo khuôn sớm, đạt sớm cường độ cần thiết để di chuyển hoặc tiến độ thi công nhanh có tầm quan trọng về kinh tế.
Sự gia tăng cường độ có tương quan với sự gia tăng nhiệt đóng rắn tích lũy, cho thấy xử lý siêu âm không chỉ cải thiện sự phân tán về mặt vật lý mà còn tăng cường quá trình thủy hóa sớm. Về mặt thực tiễn, điều này có nghĩa là siêu âm công suất có thể giúp các nhà sản xuất sử dụng xỉ hiệu quả hơn mà không làm giảm tính năng ở tuổi sớm.

 

 

Phân mảnh bằng siêu âm giúp các phân đoạn xỉ thô hơn trở nên hữu ích hơn

Một kết quả đặc biệt có giá trị là khả năng hoạt hóa hiệu quả các phân đoạn GBFS tương đối thô. Nghiên cứu cho thấy phân đoạn xỉ 125–250 μm mang lại cường độ ở tuổi sớm và ở tuổi 28 ngày tốt nhất khi kết hợp với việc tách các hạt xỉ lắng đọng và xử lý siêu âm công suất.
Điều này có ý nghĩa đối với công nghiệp vì nghiền xỉ đến kích thước rất mịn tiêu tốn nhiều năng lượng. Nếu xử lý siêu âm cải thiện khả năng phản ứng của các phân đoạn GBFS thô hơn hoặc lắng đọng, các nhà sản xuất có thể giảm nhu cầu nghiền, nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu và tận dụng tốt hơn các dòng vật liệu thứ cấp.
 
Tìm hiểu cách phân tán bằng siêu âm tạo thuận lợi cho việc sản xuất vữa xi măng gia cường nano!

Ý nghĩa đối với công nghiệp: Siêu âm công suất giúp sản xuất xi măng và vữa hiệu quả

Đối với các nhà sản xuất xi măng và vữa công nghiệp, xử lý siêu âm mang lại một số lợi thế chiến lược. Công nghệ này có thể được tích hợp như một bước tăng cường quá trình trong khi chuẩn bị hồ, hoạt hóa chất kết dính, phân tán phụ gia hoặc trộn vữa tính năng 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 bổ sung có tính chất xi măng.

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

• Cường độ sớm cao hơn mà không làm tăng hàm lượng clinker
• Hoạt hóa tốt hơn GBFS và các vật liệu bổ sung có tính chất xi măng khác
• Sử dụng hiệu quả hơn các phân đoạn xỉ thô hoặc xỉ lắng đọng
• Giảm kết tụ trong huyền phù chứa vật liệu có tính chất xi măng
• Diễn biến thủy hóa và đóng rắn ổn định hơn
• Khả năng giảm cường độ nghiền đối với một số dòng xỉ được lựa chọn
• Cải thiện tính năng của các công thức xi măng có hàm lượng clinker thấp và phát thải carbon thấp

Điều này khiến xử lý siêu âm trở nên rất phù hợp với việc sản xuất xi măng bền vững, xi măng xỉ, vữa tính năng cao, cấu kiện đúc sẵn, vật liệu sửa chữa và các sản phẩm xây dựng chuyên dụng.

Xử lý siêu âm như một công cụ cho công nghệ xi măng phát thải carbon thấp

Ngành xi măng đang chịu áp lực giảm phát thải CO₂, và giảm tỷ lệ clinker là một trong những cách trực tiếp nhất. Tuy nhiên, mức thay thế cao hơn bằng GBFS, tro bay, đất sét nung hoặc các vật liệu bổ sung có tính chất xi măng khác có thể làm chậm sự phát triển cường độ sớm. Siêu âm công suất cao có thể giúp khắc phục nút thắt này bằng cách cải thiện sự phân tán, hoạt hóa các hạt và đẩy nhanh quá trình thủy hóa ban đầu.
Xử lý siêu âm có thể làm cho hồ xi măng pha xỉ có hoạt tính cao hơn và cường độ cơ học lớn hơn, đặc biệt khi quá trình được tối ưu hóa theo phân đoạn kích thước hạt và thời gian xử lý. Sự kết hợp đó rất phù hợp với việc thiết kế chất kết dính ở quy mô công nghiệp.

Máy siêu âm Hielscher giúp tăng cường thủy hóa xi măng, cường độ và hoạt tính của xỉ

Máy siêu âm Hielscher lắp trực tiếp trên đường ống là công cụ mạnh mẽ để cải thiện quá trình thủy hóa và cường độ xi măng, đặc biệt trong các hệ vật liệu có tính chất xi măng pha xỉ.
Để phá kết tụ và phân tán xi măng trong công nghiệp, máy siêu âm hiệu năng cao của Hielscher cung cấp lực cắt mạnh do xâm thực cần thiết để phá vỡ các khối kết tụ xi măng, xỉ và chất độn khoáng thành các hạt phân tán mịn, cải thiện khả năng thấm ướt hạt, hoạt hóa bề mặt và độ đồng nhất của hồ chứa vật liệu có tính chất xi măng. Các hệ thống Hielscher có nhiều quy mô, từ thiết bị để bàn và quy mô thí điểm đến các hệ thống sản xuất bền bỉ có năng suất xử lý cao, bao gồm các máy siêu âm công suất cao lắp trực tiếp trên đường ống để xử lý liên tục vữa bơm xi măng và huyền phù khoáng. Điều này cho phép mở rộng trực tiếp quy mô quá trình từ nghiên cứu và phát triển đến năng suất xử lý công nghiệp đầy đủ. Bằng cách loại bỏ hoặc giảm nhu cầu sử dụng vật thể nghiền, quá trình phá kết tụ bằng siêu âm giúp đơn giản hóa việc xử lý, giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn và giảm công sức vệ sinh, đồng thời mang lại chất lượng phân tán có khả năng tái lập. Vì vậy, đối với các nhà sản xuất xi măng và vữa, máy siêu âm Hielscher mang lại một giải pháp thiết thực để tạo ra các hệ chất kết dính đồng đều hơn, cải thiện động học thủy hóa, sử dụng hiệu quả hơn GBFS và các vật liệu bổ sung có tính chất xi măng khác, cũng như tạo ra các công thức có hàm lượng clinker thấp với tính năng cao hơn.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng 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

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với chất lượng và tiêu chuẩn thiết kế cao nhất. Độ bền vững và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng điều kiện khắc nghiệt và môi trường có yêu cầu cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao với công nghệ tiên tiến nhất và tính thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

---

---

 

Tài liệu / 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.