المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسّن إماهة الأسمنت ومقاومته

تستقطب الموجات فوق الصوتية عالية القدرة، المعروفة أيضًا بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية، الاهتمام بوصفها تقنية عملية لتكثيف عمليات إنتاج الأسمنت والملاط. وتُظهر الأبحاث الحديثة أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تحسّن تشتيت الجسيمات، وتنشّط المواد الأسمنتية التكميلية مثل خبث الأفران العالية المحبّب (GBFS)، وتسرّع الإماهة، وتحسّن بنية المسام، وتزيد المقاومة في الأعمار المبكرة بدرجة ملحوظة.

أسمنت وملاط مخلوطان بالخبث بأداء أعلى باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

يُعد الاستخدام الفعّال للمواد الأسمنتية التكميلية أحد التحديات التقنية الرئيسية في تصنيع الأسمنت وإنتاج الملاط. ويُستخدم خبث الأفران العالية المحبّب، أو GBFS، على نطاق واسع لتقليل محتوى الكلنكر وتحسين الاستدامة. غير أن جسيمات الخبث الخشنة أو المتكتلة غالبًا ما تتفاعل ببطء، مما يحدّ من تطور المقاومة المبكرة. وتقدّم المعالجة بالموجات فوق الصوتية حلًا واعدًا؛ إذ تستخدم التجويف الصوتي عالي الشدة لتشتيت التكتلات، وتفتيت الجسيمات، وزيادة عدد مواقع التنوي التفاعلية داخل مصفوفة الأسمنت.

لماذا تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية مهمة لإماهة الأسمنت

تكمن ميزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في قدرتها على التأثير مباشرةً في منظومة الجسيمات قبل الإماهة المبكرة وأثناءها. ففي المعلّق الأسمنتي، يولّد التجويف بالموجات فوق الصوتية قوى قص موضعية، ونفاثات دقيقة، وتقلبات في الضغط. وتساعد هذه التأثيرات على تفكيك التكتلات، وتشتيت الجسيمات الدقيقة، وكشف أسطح معدنية جديدة.
وتكتسب هذه التأثيرات أهمية لدى منتجي الأسمنت والملاط لأن الإماهة تعتمد بدرجة كبيرة على الظواهر السطحية. ويمكن أن يؤدي تحسين التشتيت وتقليل حجم الجسيمات التفاعلية إلى زيادة التلامس بين الماء وأطوار الكلنكر وجسيمات الخبث. وقد يفضي ذلك إلى انطلاق الحرارة بسرعة أكبر، وتحسين التصلّب المبكر، وتكوين بنية مجهرية أكثر كثافة.
وتكتسب المعالجة بالموجات فوق الصوتية أهمية خاصة في الأنظمة المخلوطة بالخبث لأن GBFS غالبًا ما يتطلب التنشيط. ويقلّل تفتيت جسيمات GBFS بالموجات فوق الصوتية – المعروف بالتفتيت الصوتي – حجم الجسيمات، ولا سيما الفئة الحجمية 125–250 μm.

المزايا الرئيسية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية في إنتاج الأسمنت والملاط

تدعم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة الإنتاج الصناعي للأسمنت والملاط بعدة طرق:

• تحسين تشتيت الجسيمات: تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تشتيت الأسمنت والخبث والجسيمات المعدنية الدقيقة بصورة أكثر تجانسًا في العجينة أو خلطة الملاط.
• تقليل التكتل: يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تفكيك تجمعات الجسيمات، وقد تحدّ من إعادة تكتلها أثناء الخلط.
• تصغير الحبيبات: يمكن تفتيت جسيمات الخبث الأكثر خشونة إلى فئات حجمية أدق، مما يزيد مساحة السطح المتاحة.
• زيادة مواقع التنوي: يمكن أن تعمل جسيمات GBFS المفتتة بوصفها مراكز لتنوي نواتج الإماهة في مصفوفة الأسمنت.
• تسريع الإماهة: يمكن أن يؤدي تحسين التشتيت وكشف الأسطح إلى زيادة الانطلاق التراكمي للحرارة والتصلّب المبكر.
• مقاومة مبكرة أعلى: يمكن أن تُظهر عجائن الأسمنت المخلوط بالخبث والمعالَجة بالموجات فوق الصوتية زيادات كبيرة في مقاومتي الضغط والانحناء بعد يومين فقط.
• تحسين البنية المجهرية: يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية زيادة مؤشرات المسامية النانوية وتعديل بنية المسام، ولا سيما ضمن نطاق المسام 2–10 nm.

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

شكّ أسرع ومقاومة مبكرة في الخرسانة مسبقة الصب باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

تبحث دراسة «تأثير الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في سيولة عجائن الأسمنت البورتلاندي وشكّها» التي أجرتها Ch. Rößler في عجائن الأسمنت البورتلاندي القائمة على CEM I 42.5 R، بنسبة ماء إلى أسمنت (w/c) مقدارها 0.37 وباستخدام 0.1% من ملدّن فائق من البولي أكريلات. واستخدمت الدراسة جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية Hielscher UIP1000hd ضمن ترتيب يتيح التدفق عبر الجهاز لتقييم ما إذا كانت الموجات فوق الصوتية عالية القدرة قادرة على تسريع الإماهة، وتحسين السيولة، وتقليل زمن الشك، وزيادة المقاومة المبكرة.
وتُظهر النتائج أن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة (PUS) تسرّع فترة الإماهة الرئيسية. ويُظهر منحنى درجة الحرارة بلوغ ذروة الإماهة في وقت أبكر، بينما أظهرت صور البنية المجهرية بعد خمس ساعات أطوار C-S-H أكبر في العجينة المعالَجة بالموجات فوق الصوتية مقارنةً بالعينة المرجعية.
المزايا الرئيسية التي تحققت:

• سيولة أعلى: زاد الهبوط من 122 mm في العجينة المرجعية إلى 158 mm بعد المعالجة باستخدام PUS.
• شكّ أسرع: انخفض زمن الشك الابتدائي من 5 h 15 min إلى 3 h 45 min، وزمن الشك النهائي من 6 h 45 min إلى 4 h 30 min.
• تسريع اكتساب الصلابة: أشارت سرعة النبضات فوق الصوتية إلى حدوث التصلّب في وقت أبكر بنحو 2 ساعة.
• مقاومة مبكرة أعلى: أظهرت منشورات الملاط المصنوعة من عجينة الأسمنت المعالَجة باستخدام PUS زيادةً في مقاومة الضغط خلال أول 24 ساعة.
• إمكانات تحسين اقتصاديات العملية: قدّر المؤلفون أن إدخال طاقة بمقدار نحو 10 kWh/m³ من عجينة الأسمنت يمكن أن يقدّم الشك واكتساب المقاومة المبكرة بنحو ساعتين، بتكلفة أُشير إلى أنها ≤ 1 يورو/m³ من الخرسانة.
• تقليل الحاجة إلى الإضافات: نظرًا إلى أن PUS زادت السيولة، خلص المؤلفون إلى إمكانية تقليل جرعة الملدّن الفائق.

تكتسب هذه النتائج أهمية خاصة لإنتاج الخرسانة مسبقة الصب، حيث يمكن أن يؤدي الشك الأسرع واكتساب المقاومة المبكرة إلى تقليل مدة استخدام القوالب، والحاجة إلى التسخين، وأزمنة دورات الإنتاج.

صلادة فيكرز ومعامل المرونة لعجائن C + S المحضّرة بالطريقة التقليدية وباستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بعد 28 d.
الرسوم البيانية والدراسة: ©Lisowski et al. 2024.

مقاومة مبكرة أعلى في عجينة الأسمنت المخلوط بـ GBFS

يُعد تحسين المقاومة في الأعمار المبكرة من أهم النتائج المتعلقة بالتطبيقات الصناعية للأسمنت والملاط. ووفقًا لـ Lisowski et al. (2024)، أسفرت المعالجة بالموجات فوق الصوتية النبضية لعجائن الأسمنت المحتوية على 20% من GBFS المودَع عن مقاومة أعلى بدرجة كبيرة بعد يومين. وبلغت الزيادات المبلّغ عنها ما يصل إلى 132% في مقاومة الضغط و58% في مقاومة الانحناء.
ويكتسب ذلك أهمية كبيرة للخرسانة مسبقة الصب، والملاط الجاف الخلط، وملاط الإصلاح، ولواصق البلاط، وغيرها من المنتجات الأسمنتية التي يكون فيها فك القوالب مبكرًا، أو اكتساب مقاومة تسمح بالمناولة المبكرة، أو التقدم السريع في البناء ذا أهمية اقتصادية.
وارتبطت زيادة المقاومة بزيادة الحرارة التراكمية للتصلّب، مما يشير إلى أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية لا تحسّن التشتيت الفيزيائي فحسب، بل تكثّف أيضًا الإماهة المبكرة. ومن الناحية العملية، يعني ذلك أن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة يمكن أن تساعد المنتجين على استخدام الخبث بفعالية أكبر دون التضحية بالأداء المبكر.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لعينة عجينة الأسمنت وGBFS المسماة C + S، تقارن التأثير دون استخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة ومع استخدامها عند 28d.
الصور والدراسة: ©Lisowski et al. 2024.

التفتيت الصوتي يجعل فئات الخبث الأكثر خشونة أكثر فائدة

من النتائج القيّمة بصورة خاصة التنشيط الفعّال للفئات الحجمية الخشنة نسبيًا من GBFS. فقد وجدت الدراسة أن الفئة الحجمية للخبث 125–250 μm حققت أفضل مقاومة في الأعمار المبكرة وعند عمر 28 يومًا عند الجمع بين فصل جسيمات الخبث المودَع والمعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة.
وتكتسب هذه النتيجة أهمية صناعية لأن طحن الخبث إلى أحجام شديدة الدقة يستهلك طاقة كبيرة. وإذا حسّنت المعالجة بالموجات فوق الصوتية تفاعلية فئات GBFS الأكثر خشونة أو المودَعة، فيمكن للمنتجين تقليل الحاجة إلى الطحن، وتحسين كفاءة استخدام المواد الخام، والاستفادة بصورة أفضل من تدفقات المواد الثانوية.
 
تعرّف على كيفية تسهيل التشتيت بالموجات فوق الصوتية إنتاج ملاط الأسمنت المعزّز نانويًا!

الأهمية الصناعية: الموجات فوق الصوتية عالية القدرة لإنتاج الأسمنت والملاط بكفاءة

تقدّم المعالجة بالموجات فوق الصوتية عدة مزايا استراتيجية لمنتجي الأسمنت والملاط على المستوى الصناعي. ويمكن دمجها بوصفها خطوة لتكثيف العملية أثناء تحضير المعلّق، أو تنشيط المادة الرابطة، أو تشتيت الإضافات، أو خلط الملاط عالي الأداء. وتُعد هذه التقنية جذابة بصورة خاصة للمنتجات التي تعتمد على توزيع الجسيمات الدقيقة، والإماهة السريعة، والاستخدام الأمثل للمواد الأسمنتية التكميلية.

• مقاومة مبكرة أعلى دون زيادة محتوى الكلنكر
• تنشيط أفضل لـ GBFS وغيره من المواد الأسمنتية التكميلية
• تحسين استخدام فئات الخبث الخشنة أو المودَعة
• تقليل التكتل في المعلّقات الأسمنتية
• سلوك أكثر اتساقًا للإماهة والتصلّب
• إمكانية تقليل شدة الطحن لتدفقات مختارة من الخبث
• تحسين أداء تركيبات الأسمنت منخفضة الكلنكر ومنخفضة الكربون

وهذا يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات أهمية كبيرة لإنتاج الأسمنت المستدام، وأسمنت الخبث، والملاط عالي الأداء، والعناصر مسبقة الصب، ومواد الإصلاح، ومنتجات البناء المتخصصة.

المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها أداة لتقنية الأسمنت منخفض الكربون

تواجه صناعة الأسمنت ضغوطًا لتقليل انبعاثات CO₂، ويُعد خفض معامل الكلنكر أحد أكثر السبل مباشرةً لتحقيق ذلك. غير أن رفع نسب الاستبدال باستخدام GBFS أو الرماد المتطاير أو الطين المكلّس أو غيرها من المواد الأسمنتية التكميلية يمكن أن يبطئ تطور المقاومة المبكرة. وقد تساعد الموجات فوق الصوتية عالية القدرة على تجاوز هذا العائق من خلال تحسين التشتيت، وتنشيط الجسيمات، وتسريع الإماهة المبكرة.
ويمكن أن تجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية عجائن الأسمنت المخلوط بالخبث أكثر تفاعلية وأعلى مقاومة ميكانيكية، ولا سيما عند تحسين العملية بما يلائم الفئة الحجمية للجسيمات ومدة المعالجة. ويكتسب هذا الجمع أهمية كبيرة لهندسة المواد الرابطة على النطاق الصناعي.

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لتحسين إماهة الأسمنت ومقاومته وتفاعلية الخبث

تُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher المركّبة ضمن خط المعالجة أداة قوية لتحسين إماهة الأسمنت ومقاومته، ولا سيما في الأنظمة الأسمنتية المخلوطة بالخبث.
ولتفكيك تكتلات الأسمنت وتشتيته على المستوى الصناعي، توفّر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من Hielscher القص الشديد الناتج عن التجويف واللازم لتفكيك تكتلات الأسمنت والخبث والحشوات المعدنية إلى جسيمات مشتتة بدقة، مما يحسّن ابتلال الجسيمات، وتنشيط الأسطح، والتجانس في المعلّقات الأسمنتية. وتتوفر أنظمة Hielscher بدءًا من الأنظمة المنضدية وأنظمة النطاق التجريبي وصولًا إلى أنظمة الإنتاج المتينة ذات معدل المعالجة المرتفع، بما فيها أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة المركّبة ضمن الخط للمعالجة المستمرة لروبة الأسمنت والمعلّقات المعدنية. ويتيح ذلك توسيع نطاق تطوير العملية مباشرةً من البحث والتطوير إلى معدل المعالجة الصناعي الكامل. ومن خلال إلغاء الحاجة إلى وسائط الطحن أو تقليلها، يُبسّط تفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية المعالجة، ويقلّل مخاطر التلوث وجهد التنظيف، مع توفير جودة تشتيت قابلة للتكرار. وبذلك تقدّم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لمصنّعي الأسمنت والملاط سبيلًا عمليًا للحصول على أنظمة مواد رابطة أكثر تجانسًا، وتحسين حركية الإماهة، والاستفادة بصورة أفضل من GBFS وغيره من المواد الأسمنتية التكميلية، وإنتاج تركيبات منخفضة الكلنكر ذات أداء أعلى.

يقدّم الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأنظمتنا للموجات فوق الصوتية عالية القدرة:

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات المتطلبة.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، فإن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher متوافقة مع CE وتستوفي متطلبات UL وCSA وRoHs.

الأدبيات / المراجع

• 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.