ملاط الأسمنت المعزز بالمواد النانوية باستخدام التشتيت بالموجات فوق الصوتية

تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تشتيت الغرافين وCNTs والمواد النانوية وتقشيرها وتفكيك تكتلاتها في عجائن الأسمنت والملاط. تتيح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher تطوير تركيبات أسمنت عالية الأداء، من البحث والتطوير إلى الإنتاج الصناعي.

ملاط الأسمنت المعزز بالمواد النانوية – تشتيت وتفكيك تكتلات أفضل باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

يوفر ملاط الأسمنت وعجائن الأسمنت المعززان بالمواد النانوية مسارًا فعالًا نحو مواد بناء عالية الأداء. فمن خلال إدخال مواد نانوية مثل الغرافين وأكسيد الغرافين والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والسيليكا النانوية والطين النانوي أو غيرها من مواد الحشو الوظيفية، يمكن هندسة المواد الأسمنتية لتحسين مقاومتها الميكانيكية ومقاومتها للتشقق ومتانتها وتوصيليتها الكهربائية، وتقليل نفاذيتها وتعزيز أدائها على المدى الطويل.
المشكلة: لا تتحقق الإمكانات الكاملة للمواد النانوية في الأنظمة الأسمنتية إلا عندما تُشتَّت الجسيمات بانتظام. تميل صفائح الغرافين وحزم CNTs وغيرها من الإضافات النانوية إلى تكوين تكتلات بسبب قوى فان دير فالس القوية وطاقة السطح العالية والتشابك. وغالبًا ما يعجز التقليب التقليدي أو الخلط باستخدام الدوّار والجزء الثابت أو المزج البسيط للمساحيق عن تفكيك هذه التكتلات بدرجة كافية. وينتج عن ذلك توزيع ضعيف ومناطق ضعف في مصفوفة الملاط واستخدام غير كفء للمواد النانوية باهظة الثمن وخصائص غير متسقة للمادة.
الحل: توفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات المسبار من Hielscher حلًا كفؤًا وقابلًا للتوسع ومثبتًا صناعيًا لتشتيت المواد النانوية وتقشيرها وتفكيك تكتلاتها وإحداث تشابك وظيفي بينها في عجائن الأسمنت وتركيبات الملاط والمعلقات الأولية. تطوّر Hielscher وتصنّع معالجات بالموجات فوق الصوتية لمعالجة السوائل، من اختبارات الجدوى المختبرية إلى الإنتاج الصناعي المستمر، ضمن مجموعة منتجات مصممة للتوسع من الأنظمة المختبرية المدمجة إلى المعدات الصناعية عالية القدرة.

أهمية تشتيت المواد النانوية في ملاط الأسمنت

يمكن للمواد النانوية تحسين المركّبات الأسمنتية بدرجة كبيرة لأنها تتفاعل مع مصفوفة الأسمنت على مقياس طولي صغير جدًا. ويمكن للغرافين وCNTs وغيرها من مواد الحشو النانوية، عند تشتيتها على نحو سليم، أن تعمل كمواقع للتنوي، وتجسر الشقوق الدقيقة، وتحسّن بنية المسام، وتعزز انتقال الأحمال داخل المصفوفة المتصلبة.
عمليًا، يعتمد الأداء على جودة التشتيت أكثر مما يعتمد على الكمية الاسمية للمادة النانوية المضافة. فقد تحقق كمية صغيرة من الغرافين أو CNTs المشتتة جيدًا أداءً أفضل من كمية أكبر من مادة ضعيفة التشتيت. وتتصرف التكتلات كعيوب بدلًا من أن تؤدي دور التعزيز. فهي تقلل قابلية التشغيل، وتُحدث تركّزات للإجهاد، وتحد من مساحة السطح الفعالة للإضافة.
يعالج التشتيت بالموجات فوق الصوتية هذا التحدي الأساسي في تطوير التركيبات. فالموجات فوق الصوتية عالية الشدة تولّد قوى قص موضعية قوية وخلطًا دقيقًا وموجات صدمية ونفاثات سائلة دقيقة من خلال التجويف الصوتي. وتفصل هذه التأثيرات المواد النانوية المتجمعة في حزم، وتبلل أسطح الجسيمات، وتوزعها بانتظام في كامل الطور السائل قبل إدخالها في مسحوق الأسمنت أو عجيّنته أو الملاط.

تفكيك تكتلات الغرافين وCNTs والإضافات النانوية بالموجات فوق الصوتية

تُعد الصفيحات النانوية للغرافين وأكسيد الغرافين وأكسيد الغرافين المختزل والأنابيب النانوية الكربونية خيارات جذابة بوجه خاص للمواد الأسمنتية المتقدمة. ويمكنها الإسهام في مقاومة الشد ومقاومة الانحناء ومتانة الكسر والتوصيلية الكهربائية والسلوك الحراري والمتانة. وفي الوقت نفسه، تُعد من أصعب الإضافات من حيث التشتيت.
يساعد التجويف بالموجات فوق الصوتية على التغلب على قوى التجاذب بين البنى النانوية. ففي سائل خاضع للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، تولّد فقاعات التجويف عند انهيارها إدخالًا موضعيًا مكثفًا للطاقة. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تفكيك تجمعات الجسيمات وفصل حزم CNTs وتقشير المواد الطبقية وتحسين توزيع مواد الحشو النانوية.

تشمل التأثيرات الأساسية للموجات فوق الصوتية في إنتاج الملاط المعزز بالمواد النانوية ما يلي:

• تفكيك التكتلات: تفكيك تجمعات الغرافين أو CNTs أو السيليكا النانوية أو الإضافات الهجينة للحصول على توزيعات جسيمات أصغر وأكثر تجانسًا.
• التشتيت: توزيع المواد النانوية توزيعًا متجانسًا في الماء أو محاليل الملدّنات أو خلائط الإضافات أو المعلقات الأسمنتية.
• التقشير: فصل المواد الطبقية، مثل الغرافيت أو الصفيحات النانوية للغرافين أو الطين، إلى صفائح أرق ذات مساحة سطح فعالة أكبر.
• الترطيب والتنشيط: تحسين تماس السائل مع أسطح المواد النانوية لتعزيز تفاعلها مع نواتج إماهة الأسمنت والإضافات.
• التشابك وتكوين الشبكات: دعم تكوين شبكات موزعة من CNTs أو الغرافين يمكنها تعزيز تجسير الشقوق والتوصيلية والوظائف البنيوية.
• قابلية إعادة الإنتاج: توفير ظروف معالجة مضبوطة للحصول على تركيبات متسقة، من التجارب المختبرية إلى نطاق الإنتاج.

مزايا التشتيت بالموجات فوق الصوتية في عجائن الأسمنت والملاط

تكتسب المعالجة بالموجات فوق الصوتية قيمة اقتصادية وتقنية كبيرة بوجه خاص في إنتاج الأسمنت عالي الأداء. فالمواد النانوية غالبًا ما تكون باهظة الثمن، وتعتمد فائدتها على استخدامها بكفاءة. وعندما تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية جودة التشتيت، يمكن لمطوّري التركيبات غالبًا تقليل الإفراط في الجرعات وزيادة قابلية إعادة الإنتاج والحصول على أداء أفضل لكل كيلوغرام من الإضافة.

بالنسبة إلى منتجي الملاط المتقدم ومواد الإصلاح والمكونات مسبقة الصب والمواد الأسمنتية القابلة للطباعة بتقنية 3D أو كيماويات البناء المتخصصة، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تدعم:

• أداءً أعلى في مقاومة الضغط والانحناء والشد من خلال تحسين توزيع مواد الحشو النانوية.
• مقاومة أفضل للتشقق ومتانة أكبر بفضل التعزيز الدقيق الأكثر فعالية.
• تقليل النفاذية وتحسين المتانة من خلال تحسين بنية المسام.
• جودة أكثر اتساقًا للمادة من دفعة إلى أخرى.
• تحسين الاستفادة من الغرافين وCNTs وغيرها من الإضافات النانوية المكلفة.
• تقييمًا أسرع للتركيبات وتحسينًا أسرع للعملية.
• إنتاجًا قابلًا للتوسع، من التطوير المختبري إلى المعالجة الصناعية المستمرة.
• تحكمًا أفضل في معلمات العملية، مثل سعة الاهتزاز والطاقة المدخلة ومعدل التدفق ودرجة الحرارة وزمن المكوث.

صُممت أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لنقل الطاقة إلى السوائل والمعلقات والمعلقات الكثيفة على نحو قابل للقياس وإعادة الإنتاج. ويمكن استخدام الآلية الأساسية نفسها للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عبر فئات القدرة المختلفة، مما يتيح للعملاء تطوير معلمات العملية على نطاق صغير ثم نقلها إلى أنظمة أكبر توضع على طاولة العمل أو أنظمة تجريبية أو صناعية.

صور حرارية بالأشعة تحت الحمراء لعجينة أسمنت معدلة نانويًا ومعززة بـ(a) CNTs و(b) GNPs. شُتّتت CNT والغرافين باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400S.
الدراسة والرسوم البيانية: ©Farmaki et al., 2025

المعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل إضافة الأسمنت: المسار المفضل للعملية

بالنسبة إلى العديد من تركيبات الأسمنت المعزز بالمواد النانوية، يتمثل النهج الأكثر فعالية في تشتيت المادة النانوية أولًا في الطور السائل. وقد يكون هذا الطور ماءً أو محلول ملدّن فائق أو مادة مشتِّتة تحتوي على مادة خافضة للتوتر السطحي أو إضافة بوليمرية أو سول السيليكا أو مكونًا سائلًا آخر من تركيبة الملاط.
يتمثل المسار المعتاد للعملية بالموجات فوق الصوتية فيما يلي:

1. أضف الغرافين أو CNTs أو غيرها من المواد النانوية إلى الطور السائل.
2. بلّل المسحوق أو مادة الحشو النانوية مسبقًا مع خلط معتدل.
3. طبّق معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة لتفكيك تكتلات المادة وتشتيتها.
4. اضبط درجة الحرارة إذا لزم الأمر.
5. أضف المشتت النانوي المعالج بالموجات فوق الصوتية إلى الأسمنت والرمل ومكونات الملاط الأخرى.
6. اخلط للوصول إلى القوام النهائي للعجينة أو الملاط.

يتيح هذا المسار تحكمًا أفضل من المزج الجاف للجسيمات النانوية مع مسحوق الأسمنت. كما يزيد احتمال أن تكون المواد النانوية منفصلة ومبللة وموزعة بانتظام بالفعل قبل بدء الإماهة والشك.

الفوائد الاقتصادية لإنتاج الأسمنت عالي الأداء

قد تكون الإضافات النانوية مكلفة، ويجب أن يبرر استخدامها تحسن قابل للقياس في الأداء. فالتشتيت الضعيف يهدر المادة. وتزيد تكتلات الغرافين أو CNTs تكلفة التركيبة دون توفير التعزيز المتوقع. وعلى النقيض من ذلك، يحسّن التشتيت بالموجات فوق الصوتية الاستفادة الفعالة من المواد النانوية.
تشمل الفوائد الاقتصادية ما يلي:

• تقليل هدر الإضافات: تسهم نسبة أكبر من المادة النانوية في الأداء بدلًا من بقائها محصورة في التكتلات.
• تقليل مخاطر تطوير التركيبات: يقلل التشتيت المتسق الدفعات غير الناجحة ونتائج الاختبارات غير المستقرة.
• تسريع دورات البحث والتطوير: يمكن تقييم التركيبات باستخدام معلمات مضبوطة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
• تحسين التوسع: يمكن نقل معلمات العملية من اختبارات الجدوى إلى المعدات الصناعية.
• منتجات ذات قيمة أعلى: يدعم الملاط الأقوى والأكثر متانة ووظيفية التطبيقات المتميزة.
• إمكانات الإنتاج المستمر: تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية داخل خط الإنتاج معدل معالجة مرتفعًا للتصنيع التجاري.

بالنسبة إلى المصنّعين، لا تقتصر القيمة الأساسية على تحسين جودة التشتيت. بل تتمثل أيضًا في القدرة على تحويل الأسمنت المعزز بالمواد النانوية من مفهوم مختبري إلى عملية إنتاج مضبوطة وقابلة للتوسع.

من تطوير التركيبات المختبرية إلى الإنتاج الصناعي للأسمنت

من المزايا الرئيسية لتقنية الموجات فوق الصوتية من Hielscher مسارها العملي للتوسع. يمكن تطوير تركيبات الأسمنت المعزز بالمواد النانوية باستخدام أنظمة توضع على طاولة العمل ثم نقلها إلى أنظمة أكبر دون تغيير مبدأ المعالجة الأساسي. وبدلًا من إعادة ابتكار عملية التشتيت للإنتاج، يمكن للمصنّعين توسيع نطاق قدرة الموجات فوق الصوتية وهندسة خلية التدفق وزمن المكوث وتهيئة المفاعل.
يقلل ذلك المخاطر التقنية. كما يختصر المسار من عينات الملاط الناجحة إلى منتجات الأسمنت التجارية عالية الأداء.

يشمل سير العمل المعتاد للتوسع ما يلي:

1. حدّد الأداء المستهدف للملاط ونظام المواد النانوية.
2. قيّم إضافات الغرافين أو CNT أو السيليكا النانوية أو الإضافات الهجينة.
3. حدّد شدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية والطاقة المدخلة المطلوبتين.
4. حسّن أوساط التشتيت والإضافات والتحكم في درجة الحرارة.
5. أنتج دفعات اختبار باستخدام أنظمة UIP1000hdT أو UIP2000hdT.
6. تحقق من خصائص الملاط، مثل المقاومة وقابلية التشغيل والمتانة.
7. انقل العملية إلى مجموعات من أجهزة UIP6000hdT أو UIP16000hdT للإنتاج.
8. ادمج المعالجة بالموجات فوق الصوتية داخل خط الإنتاج في التصنيع المستمر.

الأسمنت عالي الأداء يحتاج إلى تشتيت عالي الجودة

لا يستند مستقبل تقنية الأسمنت إلى كيمياء جديدة للمواد الرابطة فحسب. بل يعتمد أيضًا على تحكم أفضل في البنية المجهرية والإضافات الوظيفية والمعالجة. ويمكن للمواد النانوية مثل الغرافين وCNTs أن تساعد على إنتاج مواد أسمنتية أقوى وأعلى متانة كسر وأكثر ذكاءً وأطول عمرًا. لكن ذلك يتطلب تشتيتًا موثوقًا.
تمنح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher منتجي الأسمنت ومصنّعي كيماويات البناء والمعاهد البحثية أداة قابلة للتوسع لمعالجة الإضافات النانوية. ومن تطوير التركيبات في المراحل المبكرة إلى الإنتاج داخل الخط بمعدل معالجة مرتفع، تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تشتيت المواد النانوية وتقشيرها وتفكيك تكتلاتها وتشكيل بنيتها الوظيفية في عجائن الأسمنت والملاط.
في إنتاج الأسمنت عالي الأداء، توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية ميزة واضحة: أداء أفضل للمادة، واستخدام أكثر كفاءة للإضافات النانوية باهظة الثمن، ومسار مباشر من النجاح المختبري إلى التصنيع الصناعي.

يوضح الجدول أدناه القدرة التقريبية للمعالجة التي توفرها أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher للبحث واختبارات الجدوى والإنتاج

توفر Hielscher معالجات بالموجات فوق الصوتية ضمن فئات قدرة تشمل المختبرات والأنظمة الموضوعة على طاولة العمل والأنظمة التجريبية والصناعية. ويُعد ذلك أساسيًا لمطوّري الأسمنت والملاط، لأن التركيبات المعززة بالمواد النانوية يجب غالبًا أن تمر بعدة مراحل: التقييم الأولي للمواد، وتطوير معلمات التشتيت، واختبار الملاط، والدفعات التجريبية، والإنتاج الصناعي.
تتمحور مجموعة منتجات Hielscher حول المعالجة بالموجات فوق الصوتية القابلة للتوسع، مع أنظمة للتطوير المختبري والاختبارات التجريبية والاختبارات على طاولة العمل والتشغيل الصناعي الشاق والإنتاج المستمر داخل الخط باستخدام خلايا التدفق والمفاعلات.

UIP1000hdT وUIP2000hdT للبحث على طاولة العمل واختبارات الجدوى

يمثل UIP1000hdT وUIP2000hdT معالجين قويين بالموجات فوق الصوتية يوضعان على طاولة العمل لتطوير التركيبات ودراسات الجدوى والمعالجة على نطاق متوسط. وهما مناسبان جدًا لتطوير تركيبات الأسمنت المعزز بالمواد النانوية التي يحتاج الباحثون فيها إلى اختبار نوع المادة النانوية وتركيزها وكيمياء المادة المشتِّتة وشدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وزمن المعالجة والتحكم في درجة الحرارة.

تُعد هذه الأنظمة مثالية لما يلي:

• تشتيت الغرافين وCNT في الماء أو محاليل الإضافات.
• اختبار جدوى عجائن الأسمنت المعززة بالمواد النانوية.
• تحسين الطاقة المدخلة في المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
• تحضير دفعات اختبار قابلة لإعادة الإنتاج.
• تطوير تركيبات ملاط عالية الأداء.
• المعالجة المستمرة على نطاق صغير باستخدام تجهيزات خلايا التدفق.
• التحقق من صلاحية التوسع قبل الإنتاج الصناعي.

بالنسبة إلى فرق البحث والتطوير، يوفر UIP1000hdT وUIP2000hdT شدة المعالجة المطلوبة للمواد النانوية ذات المتطلبات العالية، مع الحفاظ على عملية التجهيز في بيئات المختبرات والمراكز التقنية والمنشآت التجريبية.

تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية

مجموعات أجهزة UIP6000hdT وUIP16000hdT للإنتاج بمعدل معالجة مرتفع

للإنتاج على نطاق تجاري لإضافات الأسمنت المعززة بالمواد النانوية أو المشتتات النانوية أو مكونات الملاط عالي الأداء، يمكن تهيئة أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher، مثل UIP6000hdT وUIP16000hdT، في مجموعات للمعالجة المستمرة بمعدل مرتفع.
تتيح مجموعات وحدات UIP6000hdT أو UIP16000hdT للمصنّعين زيادة قدرة المعالجة مع الحفاظ على طاقة مدخلة مضبوطة للموجات فوق الصوتية. ويكون هذا النهج القائم على الوحدات مفيدًا بوجه خاص عندما ترتفع أحجام الإنتاج من النطاق التجريبي إلى التصنيع الكامل.

تدعم التهيئات الصناعية ما يلي:

• التشتيت المستمر للغرافين وCNTs والإضافات النانوية داخل خط الإنتاج.
• معالجة المشتتات الأم للمواد النانوية بمعدل معالجة مرتفع.
• الدمج في خطوط إنتاج إضافات الأسمنت أو الملاط الجاف المخلوط.
• التشغيل المتوازي لمفاعلات الموجات فوق الصوتية لزيادة القدرة.
• بيئات إنتاج متينة تعمل على مدار الساعة 24/7.
• التحكم في العملية ومراقبتها لضمان جودة متسقة للمنتج.

أنظمة Hielscher الصناعية مهيأة للتشغيل المستمر ذي المتطلبات العالية، وتتوفر وحدات عالية القدرة تصل إلى 16 kW لكل جهاز.

الأدبيات / المراجع

• Dalla, Panagiota T., Ilias K. Tragazikis, George Trakakis, Costas Galiotis, Konstantinos G. Dassios, Theodore E. Matikas (2021): Multifunctional Cement Mortars Enhanced with Graphene Nanoplatelets and Carbon Nanotubes. Sensors 21, no. 3: 933.
• Ilias Κ. Tragazikis, Konstantinos G. Dassios, Panagiota T. Dalla, Dimitrios A. Exarchos, Theodore E. Matikas (2019): Acoustic emission investigation of the effect of graphene on the fracture behavior of cement mortars. Engineering Fracture Mechanics, Volume 210, 2019. 444-451.
• Bibi, U., Bahrami, A., Shabbir, F., Imran, M., Nasir, M. A., Ahmad, A. (2023): Graphene-Based Strain Sensing of Cementitious Composites with Natural and Recycled Sands. Sensors, 23(16), 2023. 7175.
• Farmaki, S. G., Dalla, P. T., Exarchos, D. A., Dassios, K. G., & Matikas, T. E. (2025): Thermal and Electrical Properties of Cement-Based Materials Reinforced with Nano-Inclusions. Nanomanufacturing, 5(3), 13; 2025.