خلط عجينة الأسمنت للخرسانة بالموجات فوق الصوتية

يوفر خلط عجينة الأسمنت بالموجات فوق الصوتية فوائد كبيرة لقولبة الخرسانة مسبقة الصب، والصب الجاف، ومصانع الخرسانة. وتشمل هذه الفوائد تقليل زمنَي الشك الابتدائي والنهائي، وخفض جرعة الملدّن الفائق، وتسريع الإماهة وزيادة اكتمالها، فضلاً عن زيادة مقاومة الضغط.

لا توفر تقنيات خلط الخرسانة التقليدية، مثل «الخلط أثناء النقل على الطريق» أو الخلاطات الدوارة، فعالية خلط كافية لتشتيت تكتلات جسيمات الأسمنت والمواد الأسمنتية الأخرى، مثل الرماد المتطاير أو السيليكا. وبينما تتعرض الجسيمات الخارجية لهذه التكتلات للماء، تظل أسطح الجسيمات الداخلية جافة. ويؤدي ذلك إلى إماهة بطيئة وغير مكتملة.

فوائد تقنية الخلط بالموجات فوق الصوتية للخرسانة

يُعد التشتيت بالموجات فوق الصوتية التقنية الأكثر تقدماً لتفكيك تكتلات المواد ذات الأحجام الميكرونية والنانوية وتشتيتها في السوائل. ويستخدم الخلط بالموجات فوق الصوتية قوى القص الناجمة عن التجويف، وهي أكثر فعالية في خلط المواد الدقيقة من الخلاطات الدوارة التقليدية وخلاطات العضو الدوار والعضو الثابت. وبالنسبة إلى الأسمنت والسيليكا والرماد المتطاير والأصباغ والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)، يحسّن التشتيت بالموجات فوق الصوتية أداء هذه المواد بدرجة كبيرة، إذ يحسّن توزيع الجسيمات وتلامسها مع الماء.

أثناء الإماهة – تفاعل الأسمنت مع الماء – تنمو في أطوار C‑S‑H بُنى شبيهة بالإبر. وتُظهر الصور أدناه البنية المجهرية لعجينة الأسمنت بعد 5 ساعات من الإماهة. وفي عجينة الأسمنت المعالَجة بالموجات فوق الصوتية، يبلغ طول أطوار C‑S‑H نحو 500nm، بينما يبلغ طولها نحو 100nm في العجينة غير المعالَجة بالموجات فوق الصوتية.

البنية المجهرية لعجينة الأسمنت بعد زمن إماهة قدره 5 ساعات

مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية	دون المعالجة بالموجات فوق الصوتية
عجينة الأسمنت البورتلاندي (CEM I42.5R)، C. Rössler (2009) – جامعة باوهاوس في فايمار

 
يؤدي الخلط بواسطة التجويف المستحث بالموجات فوق الصوتية إلى نمو أسرع لأطوار C‑S‑H.

 
درجة حرارة الإماهة

تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة (PUS) في منحنيات الزمن ودرجة الحرارة لعجائن الأسمنت

 
مقاومة الضغط

تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة (PUS) في مقاومة الضغط لمنشورات الملاط

 
سرعة النبضات فوق الصوتية

تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة (PUS) في سرعة النبضات فوق الصوتية في عجائن الأسمنت أثناء الإماهة

يرتبط نمو أطوار C‑S‑H بدرجة الحرارة في عجينة الأسمنت خلال فترة الإماهة (انقر على الرسم البياني الموجود على اليمين). وفي عجينة الأسمنت المخلوطة بالموجات فوق الصوتية، تبدأ الإماهة قبل نحو ساعة. وترتبط الإماهة المبكرة بزيادة مبكرة في مقاومة الضغط. ويمكن أيضاً قياس زيادة سرعة الإماهة باستخدام سرعة النبضات فوق الصوتية.

يؤدي ذلك، ولا سيما في الخرسانة مسبقة الصب والخرسانة المصبوبة بالطريقة الجافة، إلى تقليل الوقت اللازم بدرجة كبيرة قبل إمكان إخراج الخرسانة المصبوبة من القالب. وقد أظهرت دراسات أجرتها جامعة باوهاوس (ألمانيا) التخفيضات التالية في أزمنة الشك.

من الفوائد الأخرى المثيرة للاهتمام للخلط بالموجات فوق الصوتية تأثيره في السيولة. وكما يوضح الجدول أعلاه، يزداد الهبوط بنحو 30%. ويتيح ذلك خفض جرعة الملدّنات الفائقة.

دمج الخلاطات بالموجات فوق الصوتية في عملية إنتاج الأسمنت

تقدم Hielscher خلاطات بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الأسمنت والسيليكا والرماد المتطاير والأصباغ والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) بفعالية. أولاً، ينبغي خلط أي مادة جافة مسبقاً بالماء لتكوين عجينة عالية التركيز وقابلة للضخ في الوقت نفسه. ويفكك خلاط Hielscher بالموجات فوق الصوتية تكتلات الجسيمات ويشتتها باستخدام القص الناجم عن التجويف. ونتيجة لذلك، يتعرض كامل سطح كل جسيم للماء تعرضاً تاماً.

معالجة عجينة الأسمنت بالموجات فوق الصوتية

في حالة عجينة الأسمنت، تبدأ الإماهة بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ولذلك، ينبغي استخدام خلاط Hielscher بالموجات فوق الصوتية ضمن خط المعالجة، إذ لا يمكن تخزين عجينة الأسمنت لفترات طويلة. ويوضح الرسم التخطيطي أدناه هذه العملية. وفي الخطوة التالية، يُضاف الركام، مثل الرمل أو الحصى، ويُخلط بعجينة الأسمنت. وبما أن جسيمات الأسمنت تكون مشتتة جيداً بالفعل في هذه المرحلة، تمتزج عجينة الأسمنت جيداً بالركام. وتصبح الخرسانة بعد ذلك جاهزة للصب في قوالب الخرسانة مسبقة الصب أو للنقل. ويمكن استخدام خزان break-up بجوار الخلاط بالموجات فوق الصوتية لإجراء المعالجة باستمرارية أكبر في حالة عدم انتظام الطلب على الخرسانة.
اقرأ المزيد عن تفكيك تكتلات جسيمات الأسمنت بالموجات فوق الصوتية!

تشتيت السيليكا والرماد المتطاير والمواد النانوية بالموجات فوق الصوتية

يتطلب تشتيت السيليكا أو الرماد المتطاير أو الأصباغ أو المواد النانوية الأخرى، مثل الأنابيب النانوية الكربونية، شدات معالجة ومستويات طاقة مختلفة. ولهذا السبب، نوصي باستخدام خلاط منفصل بالموجات فوق الصوتية لإنتاج معلّق أو عجينة جيدة التشتيت، تُضاف بعد ذلك إلى خلطة الخرسانة. يُرجى النقر على الرسم أعلاه للاطلاع على رسم تخطيطي لهذه العملية.

يمكن تحديد معدات الخلط بالموجات فوق الصوتية اللازمة لتوسيع نطاق الإنتاج بدقة استناداً إلى اختبارات على النطاق التجريبي باستخدام UIP1000hdT، وهو جهاز معالجة قوي بالموجات فوق الصوتية للنطاق التجريبي بقدرة 1,000 واط. ويوضح الجدول أدناه توصيات عامة بالأجهزة بحسب حجم الدفعة أو معدل تدفق عجينة الأسمنت المراد معالجتها.

بقدرة خلط بالموجات فوق الصوتية تصل إلى 16kW لكل مسبار منفرد بالموجات فوق الصوتية، توفر Hielscher قدرة المعالجة اللازمة للتطبيقات ذات الأحجام الكبيرة. ويسهل اختبار هذه التقنية، كما يمكن توسيع نطاقها بصورة خطية.