تحسين ترطيب الأسمنت وقوته بواسطة الموجات فوق الصوتية

تحظى الموجات فوق الصوتية القوية، المعروفة أيضًا باسم «التصويبة الصوتية»، باهتمام متزايد باعتبارها تقنية تعزيز عملية عملية لإنتاج الأسمنت والملاط. وتُظهر الأبحاث الحديثة أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمكنها تحسين تشتت الجسيمات، وتنشيط المواد الأسمنتية التكميلية مثل خبث أفران الصهر المحبب (GBFS)، وتسريع عملية الترطيب، وتحسين بنية المسام، وزيادة قوة الخرسانة في المراحل المبكرة بشكل ملحوظ.

أسمنت وملاط مخلوطان بالخبث ذو أداء أعلى باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة

في صناعة الأسمنت وإنتاج الملاط، يُعد الاستخدام الفعال للمواد الأسمنتية التكميلية أحد التحديات التقنية الرئيسية. ويُستخدم خبث أفران الصهر المحبب (GBFS) على نطاق واسع لتقليل محتوى الكلينكر وتحسين الاستدامة. ومع ذلك، غالبًا ما تتفاعل جزيئات الخبث الخشنة أو المتكتلة ببطء، مما يحد من تطور القوة المبكرة. ويقدم المعالجة بالموجات الصوتية حلاً واعدًا: فهي تستخدم التجويف الصوتي عالي الكثافة لتفكيك التكتلات، وتفتيت الجزيئات، وزيادة عدد مواقع التبلور التفاعلية داخل مصفوفة الأسمنت.

لماذا يعتبر المعالجة بالموجات فوق الصوتية عاملاً مهمًا في عملية ترطيب الأسمنت

تكمن ميزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في قدرتها على التأثير مباشرةً على نظام الجسيمات قبل عملية الترطيب وأثناء مراحلها المبكرة. ففي المعلق الأسمنتي، يولد التجويف بالموجات فوق الصوتية قوى قص موضعية ونفثات دقيقة وتقلبات في الضغط. وتساعد هذه التأثيرات على تفكيك التكتلات وتشتيت الجسيمات الدقيقة وكشف الأسطح المعدنية الجديدة.
بالنسبة لمنتجي الأسمنت والملاط، يعد هذا الأمر مهمًا لأن عملية الترطيب تعتمد بشكل كبير على السطح. فالتوزيع الأفضل والجسيمات التفاعلية الأصغر حجمًا يمكن أن يزيدا من التلامس بين الماء ومراحل الكلنكر وجسيمات الخبث. وقد يؤدي ذلك إلى إطلاق أسرع للحرارة، وتحسين التصلب المبكر، وبنية مجهرية أكثر كثافة.
في الأنظمة التي تُخلط فيها الخبث، يكتسب المعالجة بالموجات فوق الصوتية أهمية خاصة لأن خبث الصهر الغازي (GBFS) غالبًا ما يتطلب تنشيطًا. تفتيت الجسيمات بالموجات فوق الصوتية – ما يُسمى بالتفتيت الصوتي – تؤدي جزيئات GBFS إلى تقليل حجم الجزيئات، ولا سيما الفئة التي يتراوح حجمها بين 125 و250 ميكرومتر.

المزايا الرئيسية لاستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية في إنتاج الأسمنت والملاط

تدعم الموجات فوق الصوتية القوية إنتاج الأسمنت والملاط الصناعي بعدة طرق:

• تحسين تشتت الجسيمات: تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على توزيع الأسمنت والخبث والجزيئات المعدنية الدقيقة بشكل أكثر تناسقًا في خليط المعجون أو الملاط.
• تقليل التكتل: يمكن للعلاج بالموجات فوق الصوتية أن يفكك تجمعات الجسيمات وقد يمنع إعادة تكتلها أثناء الخلط.
• صقل الحبوب: يمكن تفتيت جزيئات الخبث الأكثر خشونة إلى أجزاء أدق، مما يزيد من المساحة السطحية المتاحة.
• المزيد من مواقع التبلور: يمكن أن تعمل جزيئات GBFS المتفتتة كمراكز تكوين نوى لنواتج الترطيب في مصفوفة الأسمنت.
• ترطيب سريع: يمكن أن يؤدي التحسين في التوزيع وزيادة المساحات المكشوفة إلى زيادة الإطلاق التراكمي للحرارة والتصلب المبكر.
• قوة مبكرة أعلى: يمكن أن تُظهر معاجين الأسمنت المخلوطة بالخبث والمعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسناً ملحوظاً في قوة الضغط والانحناء بعد يومين فقط.
• البنية المجهرية المحسّنة: يمكن أن يؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة مؤشرات المسامية النانوية وتعديل بنية المسام، لا سيما في نطاق المسام الذي يتراوح بين 2 و10 نانومتر.

 

تصلب أسرع وقوة مبكرة في الخرسانة الجاهزة باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة

الدراسة “تأثير الموجات فوق الصوتية على سيولة ووضع معاجين الأسمنت البورتلاندي” تبحث الدراسة التي أجراها Ch. Rößler في معاجين الأسمنت البورتلاندي القائمة على CEM I 42.5 R، بنسبة ماء إلى أسمنت تبلغ 0.37، و0.1% من مادة البولي أكريلات كملدن فائق. استخدمت الدراسة جهاز الموجات فوق الصوتية Hielscher UIP1000hd في نظام التدفق المستمر لتقييم ما إذا كانت الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة قادرة على تسريع عملية الترطيب، وتحسين السيولة، وتقصير مدة التصلب، وزيادة القوة المبكرة.
تُظهر النتائج أن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة (PUS) تُسرّع فترة الترطيب الرئيسية. ويُظهر منحنى درجة الحرارة بلوغ ذروة الترطيب في وقت أبكر، في حين أظهرت صور البنية المجهرية بعد خمس ساعات وجود مراحل C-S-H أكبر حجمًا في العجينة المعالجة بالموجات فوق الصوتية مقارنةً بالعينة المرجعية.
المزايا الرئيسية التي تم تحقيقها:

• سيولة أعلى: ارتفع معدل الانسياب من 122 ملم في العجينة المرجعية إلى 158 ملم بعد المعالجة بـ PUS.
• تصلب أسرع: تم تقصير المجموعة الأولى من 5 ساعات و15 دقيقة إلى 3 ساعات و45 دقيقة، والمجموعة الأخيرة من 6 ساعات و45 دقيقة إلى 4 ساعات و30 دقيقة.
• التصلب السريع: أشارت سرعة النبض بالموجات فوق الصوتية إلى أن عملية التصلب تمت أسرع بنحو ساعتين.
• قوة مبكرة أعلى: أظهرت المنشورات الملموسية المصنوعة من عجينة الأسمنت المعالجة بـ PUS زيادة في قوة الضغط خلال الـ 24 ساعة الأولى.
• الإمكانات المتعلقة بكفاءة العمليات: وقدّر المؤلفون أن استهلاك طاقة يبلغ حوالي 10 كيلوواط/ساعة لكل متر مكعب من عجينة الأسمنت يمكن أن يُسرّع عملية التصلب وزيادة القوة المبكرة بنحو ساعتين، بتكلفة تبلغ ≤ 1 يورو لكل متر مكعب من الخرسانة.
• انخفاض الطلب على المواد المضافة: ونظرًا لأن مادة PUS تزيد من سيولة الخرسانة، فقد خلص المؤلفون إلى أنه من الممكن تقليل جرعة المُليّن الفائق.

وتكتسب هذه النتائج أهمية خاصة في مجال إنتاج الخرسانة الجاهزة، حيث يمكن أن يؤدي التصلب الأسرع والقوة المبكرة إلى تقليل وقت استخدام القوالب، والطلب على التدفئة، ومدة دورات الإنتاج.

 

 

قوة أولية أعلى في عجينة الأسمنت المخلوطة بنظام GBFS

تعد الزيادة في قوة الأسمنت في المراحل المبكرة من أهم النتائج التي تم التوصل إليها في مجال تطبيقات الأسمنت والملاط الصناعية. ووفقًا لـ Lisowski وآخرون (2024)، أدى المعالجة بالموجات فوق الصوتية النبضية لمعاجين الأسمنت التي تحتوي على 20% من رماد البلازما الزجاجية المترسب (GBFS) إلى تحقيق قوة أعلى بشكل ملحوظ بعد يومين. وقد بلغت الزيادات المبلغ عنها ما يصل إلى 132% في قوة الضغط و58% في قوة الانحناء.
ويكتسب هذا الأمر أهمية كبيرة في مجال الخرسانة الجاهزة، والملاط الجاف، وملاط الإصلاح، ومواد لصق البلاط، وغيرها من المنتجات الأسمنتية التي يكون فيها الإزالة المبكرة من القوالب، أو قوة التحمل المبكرة، أو التقدم السريع في أعمال البناء، أمورًا ذات أهمية اقتصادية.
ارتبطت الزيادة في القوة بزيادة الحرارة التراكمية للتصلب، مما يشير إلى أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية لا تقتصر على تحسين التشتت الفيزيائي فحسب، بل إنها تعزز أيضًا عملية الترطيب المبكر. ومن الناحية العملية، يعني هذا أن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة يمكن أن تساعد المنتجين على استخدام الخبث بشكل أكثر فعالية دون المساس بالأداء في المراحل المبكرة.

 

 

التفتيت بالموجات فوق الصوتية يزيد من فائدة أجزاء الخبث ذات الحبيبات الأكبر

ومن النتائج ذات القيمة الكبيرة بشكل خاص التنشيط الفعال لفئات GBFS ذات الحبيبات الكبيرة نسبيًا. وقد توصلت الدراسة إلى أن فئة الخبث التي يتراوح حجم حبيباتها بين 125 و250 ميكرومتر حققت أفضل مستويات القوة في المراحل المبكرة وبعد 28 يومًا عند دمجها مع فصل جزيئات الخبث المترسبة والمعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة.
ويكتسب هذا الأمر أهمية صناعية لأن طحن الخبث إلى أحجام دقيقة جدًّا يتطلب استهلاكًا كبيرًا للطاقة. فإذا أدى استخدام الموجات فوق الصوتية إلى تحسين تفاعلية الأجزاء الأكثر خشونة أو المترسبة من خبث الصهر الزجاجي (GBFS)، فسيتمكن المنتجون من تقليل الحاجة إلى الطحن، وتحسين كفاءة استخدام المواد الخام، والاستفادة بشكل أفضل من تدفقات المواد الثانوية.
 
تعرف على كيفية مساهمة التشتت بالموجات فوق الصوتية في تسهيل إنتاج ملاط الأسمنت المقوى بالنانو!

الأهمية الصناعية: استخدام الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة في إنتاج الأسمنت والملاط بكفاءة

بالنسبة لمُنتجي الأسمنت والملاط الصناعيين، توفر تقنية المعالجة بالموجات فوق الصوتية العديد من المزايا الاستراتيجية. ويمكن دمجها كخطوة لتكثيف العملية أثناء تحضير الملاط السائل، أو تنشيط المادة الرابطة، أو تشتيت المواد المضافة، أو خلط الملاط عالي الأداء. وتُعد هذه التقنية جذابة بشكل خاص للمنتجات التي تعتمد على توزيع الجسيمات الدقيقة، والترطيب السريع، والاستخدام الأمثل للمواد الأسمنتية التكميلية.

تشمل المزايا الصناعية لإنتاج الأسمنت باستخدام الموجات فوق الصوتية ما يلي:

• قوة مبكرة أعلى دون زيادة محتوى الكلينكر
• تحسين تفعيل نظام GBFS والمواد الأسمنتية التكميلية الأخرى
• تحسين استخدام أجزاء الخبث الخشنة أو المترسبة
• تقليل التكتل في المعلقات الأسمنتية
• سلوك أكثر اتساقًا في الترطيب والتصلب
• الانخفاض المحتمل في شدة الطحن لبعض تيارات الخبث
• تحسين أداء تركيبات الأسمنت منخفضة الكلينكر ومنخفضة الكربون

وهذا يجعل تقنية المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات أهمية كبيرة في إنتاج الأسمنت المستدام، وأسمنت الخبث، والملاط عالي الأداء، والعناصر الجاهزة، ومواد الإصلاح، ومنتجات البناء المتخصصة.

المعالجة بالموجات فوق الصوتية كأداة لتكنولوجيا الأسمنت منخفض الكربون

تتعرض صناعة الأسمنت لضغوط من أجل خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ويُعد خفض معامل الكلينكر أحد أكثر السبل المباشرة لتحقيق ذلك. ومع ذلك، فإن زيادة نسب الاستبدال بمواد مثل رماد البازلت المكسر (GBFS) أو الرماد المتطاير أو الطين المكلس أو غيرها من المواد الأسمنتية التكميلية قد تؤدي إلى إبطاء تطور القوة المبكرة. قد تساعد الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة في التغلب على هذا العائق من خلال تحسين التشتت، وتنشيط الجسيمات، وتسريع عملية الترطيب المبكر.
يمكن أن يؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة تفاعلية عجائن الأسمنت المخلوطة بالخبث وزيادة قوتها الميكانيكية، لا سيما عندما يتم تحسين العملية من حيث فئة حجم الجسيمات ومدة المعالجة. ويعد هذا المزيج ذا أهمية كبيرة في هندسة المواد الرابطة على النطاق الصناعي.

أجهزة «هيلشر» الصوتية لتحسين ترطيب الأسمنت وقوته وتفاعلية الخبث

تُعد أجهزة الموجات فوق الصوتية المدمجة من Hielscher أداة فعالة لتحسين عملية ترطيب الأسمنت وقوته، لا سيما في الأنظمة الأسمنتية المخلوطة بالخبث.
بالنسبة لعملية تفكيك التكتلات وتشتيت الأسمنت في المجال الصناعي، توفر أجهزة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء من Hielscher قوة القص التجاويفي المكثفة اللازمة لتفتيت تكتلات الأسمنت والخبث والمواد المالئة المعدنية إلى جزيئات متشتتة بدقة، مما يحسن ترطيب الجزيئات وتنشيط السطح والتجانس في الملاط الأسمنتي. تتوفر أنظمة Hielscher بدءًا من النماذج المختبرية والتجريبية وصولًا إلى أنظمة الإنتاج القوية عالية الإنتاجية، بما في ذلك أجهزة الموجات فوق الصوتية المدمجة عالية الطاقة للمعالجة المستمرة لملاط الأسمنت والمعلقات المعدنية. وهذا يجعل تطوير العملية قابلاً للتوسع مباشرةً من مرحلة البحث والتطوير (R&D)&من المرحلة التجريبية إلى الإنتاج الصناعي الكامل. من خلال التخلص من الحاجة إلى وسائط الطحن أو تقليلها، تعمل عملية تفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية على تبسيط المعالجة، وتقليل مخاطر التلوث إلى الحد الأدنى، وتقليل الجهد المبذول في التنظيف، مع توفير جودة تشتت قابلة للتكرار. وبالنسبة لمصنعي الأسمنت والملاط، توفر أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher مسارًا عمليًّا للحصول على أنظمة رابطة أكثر اتساقًا، وحركيات ترطيب محسّنة، واستخدامًا أفضل لرماد البازلت الزجاجي (GBFS) والمواد الأسمنتية التكميلية الأخرى، وتركيبات منخفضة الكلنكر ذات أداء أعلى.

يقدم الجدول أدناه مؤشراً على السعة التجهيزية التقريبية لأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة الخاصة بنا:

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا

Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.

Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.

---

---

 

الأدب / 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.