الخلط بالموجات فوق الصوتية للخرسانة عالية الأداء
يؤدي استخدام السيليكا الميكروية والنانوية أو الأنابيب النانوية إلى تحسين مقاومة الضغط للخرسانة عالية الأداء. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة لخلط المواد النانوية وترطيبها وتشتيتها في الأسمنت أو الخرسانة.
تُستخدم السيليكا الميكروية على نطاق واسع في الخرسانة اليوم، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الضغط أو إنتاج خرسانة مقاومة للماء والمواد الكيميائية. ويمكن أن يقلل ذلك من تكاليف المواد واستهلاك الطاقة. وتؤدي المواد النانوية الجديدة، مثل السيليكا النانوية أو الأنابيب النانوية، إلى مزيد من التحسينات في المقاومة والمتانة. ولكن لإظهار الإمكانات الكاملة للمواد النانوية، يلزم استخدام تقنية تشتيت موثوقة وفعالة. وتُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار التقنية الأكثر موثوقية وفعالية لإنتاج مشتتات نانوية، حتى في الملاط عالي اللزوجة وذي القوام العجيني، مثل الأسمنت والخرسانة.
تشتيت مونة الحقن الأسمنتية فائقة النعومة باستخدام خلاطات بالموجات فوق الصوتية
في المقال البحثي الذي يقدمه فريق Draganović البحثي، يدرس المؤلفون تشتيت مونة الحقن الأسمنتية فائقة النعومة باستخدام تقنية الموجات فوق الصوتية وأجهزة الإذابة المختبرية التقليدية. وتهدف الدراسة إلى مقارنة أداء الموجات فوق الصوتية – وتحديدًا جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St في هذه الدراسة – بالطرق التقليدية لتشتيت مونة الحقن.
أجرى الباحثون سلسلة من التجارب باستخدام تقنيات تشتيت مختلفة لتقييم توزيع أحجام الجسيمات (PSD) وجهد زيتا لجسيمات الأسمنت فائقة النعومة. وتشمل تقنيات التشتيت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز UP400St، وأجهزة الإذابة المختبرية عالية السرعة، والجمع بين الطريقتين.
MultiSonoReactor MSR-4: تشتيت بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج لإنتاج الأسمنت والخرسانة عاليَي الأداء صناعيًا ضمن خط الإنتاج.
أظهرت النتائج أن التشتيت بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St حقق توزيعًا لأحجام الجسيمات أفضل بكثير مقارنة بأجهزة الإذابة المختبرية التقليدية. ويقلل جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St بفعالية من تكتل جسيمات الأسمنت فائقة النعومة، وينتج معلقًا أكثر تجانسًا واستقرارًا لمونة الحقن. وتحسن المعالجة بالموجات فوق الصوتية توزيع الجسيمات الأصغر، مما يؤدي إلى نطاق أضيق لتوزيع أحجام الجسيمات.
طرق التشتيت التي جرت مقارنتها: جهاز الإذابة Vma-Getzmann Dispermat CV-3 المزود بقرص مقاسه 90-mm ونظام دوار–ثابت. جهاز الموجات فوق الصوتية Hielscher UP400St المزود بسونوترود H22.
(الدراسة والصور: ©Draganovic وآخرون، 2020)
بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام الموجات فوق الصوتية بالتزامن مع أجهزة الإذابة المختبرية التقليدية يزيد من كفاءة التشتيت، ويحقق توزيعًا لأحجام جسيمات أدق مقارنة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية وحدها. وعند الجمع بين الطريقتين، توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية الخلط على المقياس الميكروي والتشتيت النانوي، بينما يسهم جهاز الإذابة في الخلط على المقياس الكبير، بما يضمن دخول جميع الجسيمات إلى منطقة التجويف بالموجات فوق الصوتية. ويتيح ذلك تحكمًا أفضل في توزيع أحجام الجسيمات (PSD) وجهد زيتا لمونة الحقن الأسمنتية فائقة النعومة عند التشغيل على دفعات. وعند استخدام مفاعل خلية التدفق، يمر معلق الجسيمات تلقائيًا عبر منطقة البؤرة الساخنة للتجويف، مما يجعل التقليب الإضافي غير ضروري.
بوجه عام، تبرز الدراسة الأداء المتفوق لجهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St في تشتيت مونة الحقن الأسمنتية فائقة النعومة. وتوفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية، ولا سيما عند دمجها مع أجهزة الإذابة المختبرية التقليدية، طريقة عالية الفعالية والكفاءة للحصول على معلق متجانس ومستقر لجسيمات الأسمنت فائقة النعومة.
وتجدر الإشارة إلى أن المقال يقدم مقارنة شاملة بين الموجات فوق الصوتية وطرق التشتيت التقليدية، ويبرز الأداء المتفوق للمعالجة بالموجات فوق الصوتية في تشتيت مونة الحقن.
(راجع Draganović وآخرين، 2020)
المجانس بالموجات فوق الصوتية UP400St يُقارَن من حيث كفاءة تشتيت مونة الحقن الأسمنتية بخلاط مختبري عادي مزود بقرص، وباستخدام تقنية الدوار–الثابت. وأظهرت الدراسة أن التشتيت بالموجات فوق الصوتية ليس طريقة فعالة فحسب، بل يتفوق أيضًا على الخلاط الذي يستخدم تقنية الدوار–الثابت.
(الدراسة والرسم البياني: © Draganović وآخرون، 2020)
البحث والتطوير في مجال الخرسانة
تبحث أبحاث الخرسانة عن مواد وعمليات لتحقيق ما يلي:
- تقليل تكاليف المواد وتكاليف الطاقة
- الحصول على مقاومة أولية ونهائية عالية
- تحسين الكثافة ومقاومة الضغط
- تحسين قابلية التشغيل والضخ والتشطيب
- تحسين المتانة وتقليل النفاذية
- تقليل تشققات الانكماش ومشكلات تكوّن الغبار وانفصال الطبقات
- مقاومة المواد الكيميائية، مثل مقاومة الكبريتات
خلط الأسمنت والخرسانة
عندما يتعلق الأمر بتحسين خصائص الخرسانة، فإن تقنية الخلط تضاهي تركيبة الخرسانة في الأهمية. فالخلط خطوة أساسية في إنتاج خرسانة متجانسة وعالية الجودة. ومع أن العديد من الإرشادات واللوائح، مثل DIN EN 206، تتناول تركيبة الخرسانة ومكوناتها، فإن العملية الفعلية لخلط الأسمنت وخلط الخرسانة تُترك للمستخدم.
ومن الضروري أن يُشتَّت الماء والأسمنت والمضافات ويُوزَّعوا بالتساوي حتى على مقياس دقيق، وأن تُشتَّت التكتلات بدرجة كافية. ويؤدي قصور التشتيت أو تفكيك التكتلات إلى تدني خصائص الخرسانة. ونظرًا لانخفاض محتوى الماء وارتفاع جرعة المضافات، يتطلب خلط الخرسانة ذاتية الدمك (SCC) والخرسانة فائقة المقاومة (UHPC) وقت خلط أطول أو تقنية خلط أكثر فعالية.
تعرّف على كيفية تحسين الموجات فوق الصوتية عالية القدرة لإماهة عجائن الأسمنت وتطور مقاومتها وتسريعهما!
المواد النانوية في الخرسانة
أثناء إماهة الأسمنت، تتشكل نواتج إماهة نانوية الحجم، مثل هيدرات الكالسيوم، في الخرسانة أثناء تصلبها. وتتحول جسيمات السيليكا النانوية أو الأنابيب النانوية إلى جسيمات أسمنت نانوية أثناء تصلب الخرسانة. وتؤدي الجسيمات الأصغر إلى تقليص المسافات بين الجسيمات وإنتاج مادة أعلى كثافة وأقل مسامية. ويزيد ذلك من مقاومة الضغط ويقلل النفاذية.
غير أن أحد العيوب الرئيسية للمساحيق والمواد النانوية الحجم هو ميلها إلى تكوين تكتلات أثناء الترطيب والخلط. وما لم تُشتَّت الجسيمات الفردية جيدًا، فإن التكتل يقلل مساحة سطح الجسيمات المكشوفة، مما يؤدي إلى تدني خصائص الخرسانة.
معالج الموجات فوق الصوتية UIP16000 هو مجانس عالي الأداء لتشتيت الأسمنت والخرسانة
الخلط بالموجات فوق الصوتية: تشتيت متجانس للمواد النانوية في عجائن الأسمنت
تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة جدًا للخلط والتشتيت وتفكيك التكتلات. وتُظهر الصورة أدناه نتيجة نموذجية لتشتيت السيليكا المُدخَّنة في الماء بالموجات فوق الصوتية.
اقرأ المزيد عن الملاط الأسمنتي المعزز بالمواد النانوية باستخدام التشتيت بالموجات فوق الصوتية!
بدءًا من حجم جسيمات متكتلة يزيد على 200 ميكرون (D50) (المنحنى الأخضر)، جرى تقليل حجم معظم الجسيمات إلى أقل من 200 نانومتر.
الخلط بالموجات فوق الصوتية على أي نطاق
توفر Hielscher أجهزة خلط بالموجات فوق الصوتية للاستخدام في الأبحاث والمعالجة على النطاق الكامل.
أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية للبحث والتطوير المختبري
تُعد مجانسات Hielscher المختبرية بالموجات فوق الصوتية أداة الخلط المثالية للبحث والتطوير على النطاق المختبري. وتُستخدم أجهزة Hielscher المختبرية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عادةً لخلط الدفعات الصغيرة بالموجات فوق الصوتية. وتوفر مجانسات Hielscher بالموجات فوق الصوتية تحكمًا دقيقًا في المعلمات وقابلية ممتازة لتكرار النتائج تمهيدًا لتوسيع النطاق. ويسهّل ذلك خلط تركيبات مختلفة وتحديد تأثير شدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ومدتها.
الخلط بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج
يمكن تحديد معدات الخلط بالموجات فوق الصوتية اللازمة لتوسيع النطاق بدقة استنادًا إلى الاختبار المختبري. ولمعالجة تدفقات كبيرة الحجم من الأسمنت أو الخرسانة، تُشغَّل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء عادةً في وضع التدفق المستمر باستخدام مفاعلات التدفق العابر. ويتيح ذلك خلطًا عالي التجانس ومعالجةً دون عيوب للعجائن والملاط – حتى عند اللزوجات العالية جدًا.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، بحسب حجم الدفعة أو معدل التدفق المراد معالجته:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
المصادر / المراجع
- 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.
- Peters, Simone (2017): The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions. Doctoral Thesis Bauhaus-Universität Weimar, 2017.
- N.-M. Barkoula, C. Ioannou, D.G. Aggelis, T.E. Matikas (2016): Optimization of nano-silica’s addition in cement mortars and assessment of the failure process using acoustic emission monitoring. Construction and Building Materials, Volume 125, 2016. 546-552.
- Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2; 2016.
- Amani, Mahmood; Retnanto, Albertus; Aljuhani, Salem; Al-Jubouri, Mohammed; Shehada, Salem; Yrac, Rommel (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. Conference: International Petroleum Technology Conference 2015.
خلط الأسمنت ضمن خط الإنتاج باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية
تُركَّب خلاطات Hielscher بالموجات فوق الصوتية عادةً ضمن خط الإنتاج. وتُضخ المادة إلى وعاء مفاعل الموجات فوق الصوتية، حيث تتعرض لتجويف شديد بالموجات فوق الصوتية. وتمنع المعالجة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج تجاوز حجرة الخلط، إذ تمر جميع الجسيمات عبرها وفق مسار محدد. ولذلك، تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية عادةً إلى إزاحة منحنى توزيع أحجام الجسيمات بدلًا من توسيعه.
متين وسهل التنظيف
يتكون مفاعل الخلط بالموجات فوق الصوتية من خلية التدفق والسونوترودات. ولا حاجة إلى محامل. وتتميز مفاعلات خلايا التدفق المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بأشكال هندسية بسيطة، ويمكن تفكيكها وتنظيفها بسهولة. ولا توجد فيها فتحات صغيرة أو زوايا مخفية.
تطبيقات أخرى للموجات فوق الصوتية في الأسمنت والخرسانة
لا يقتصر استخدام أجهزة Hielscher بالموجات فوق الصوتية في تحضير الأسمنت والخرسانة على خلط الخلطات الأسمنتية الأولية أو الخرسانة وتشتيتها. فالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة جدًا لإزالة الغازات من السوائل والملاط. ويقلل ذلك عدد فقاعات الغاز المحتبسة في الخرسانة بعد تصلبها وحجمها.
هزازات المناخل بالموجات فوق الصوتية تحسّن معدل إنتاجية غربلة المساحيق ذات الجسيمات الصغيرة وجودتها. وتوفر Hielscher مناخل تُهز بالموجات فوق الصوتية للتطبيقات المختبرية والصناعية.
معلومات أساسية عن الخرسانة
تتكون الخرسانة من الأسمنت، مثل الأسمنت البورتلاندي، ومواد أسمنتية أخرى، مثل الرماد المتطاير وأسمنت الخبث، والركام (الحصى والحجر الجيري والجرانيت والرمل)، والماء والمضافات الكيميائية. وتشمل المضافات المعتادة مسرعات أو مبطئات الشك، والملدنات، والأصباغ، وغبار السيليكا أو الميتاكاؤولين عالي التفاعلية (HRM). وتُعد السيليكا الميكروية من المضافات الشائعة في الخرسانة. ويتمثل عيبها في تكلفتها المرتفعة نسبيًا والتلوث الذي يؤثر في صحة المشغلين والعمال.