اختلاط فراصوتی خمیر سیمان برای بتن
اختلاط فراصوتی خمیر سیمان مزایای چشمگیری برای قالب‌گیری قطعات پیش‌ساخته، تولید بتن خشک‌قالب و کارخانه‌های بتن دارد. این مزایا شامل کوتاه‌تر شدن زمان‌های گیرش اولیه و نهایی، کاهش مقدار مصرف فوق‌روان‌کننده، هیدراتاسیون سریع‌تر و کامل‌تر و همچنین افزایش مقاومت فشاری است.
فناوری‌های متداول اختلاط بتن، مانند «اختلاط در حین حمل‌ونقل جاده‌ای» یا مخلوط‌کن‌های دورانی، اختلاط کافی برای پراکنده‌سازی کلوخه‌های ذرات سیمان و دیگر مواد سیمانی، مانند خاکستر بادی یا سیلیس، فراهم نمی‌کنند. درحالی‌که ذرات بیرونی این کلوخه‌ها در تماس با آب قرار می‌گیرند، سطوح ذرات داخلی خشک باقی می‌مانند. این وضعیت به هیدراتاسیون کند و ناقص منجر می‌شود.
مزایای فناوری اختلاط فراصوتی برای بتن
پراکنده‌سازی فراصوتی پیشرفته‌ترین فناوری برای کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی مواد با ابعاد میکرونی و نانومتری در مایعات است. اختلاط فراصوتی از نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون استفاده می‌کند که در اختلاط مواد ریزدانه مؤثرتر از مخلوط‌کن‌های دورانی متداول و مخلوط‌کن‌های روتور–استاتور هستند. پراکنده‌سازی فراصوتی با بهبود توزیع ذرات و تماس آن‌ها با آب، عملکرد موادی مانند سیمان، سیلیس، خاکستر بادی، رنگ‌دانه‌ها یا CNTs را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
در طول هیدراتاسیون – واکنش سیمان با آب – فازهای C‑S‑H ساختارهای سوزنی‌شکل تشکیل می‌دهند. تصاویر زیر ریزساختار خمیر سیمان را پس از 5 ساعت هیدراتاسیون نشان می‌دهند. در خمیر سیمان فراصوت‌دهی‌شده، طول فازهای C‑S‑H تقریباً 500nm است، درحالی‌که در خمیر فراصوت‌دهی‌نشده، طول فازهای C‑S‑H حدود 100nm است.
سونیکاتور UIP16000hdT برای پراکنده‌سازی مصالح ساختمانی مانند سیمان، ژئوپلیمرها یا بتن.
|
با پردازش فراصوتی
|
بدون پردازش فراصوتی
|
|---|---|
 |
 |
| خمیر سیمان پرتلند (CEM I42.5R)، C. Rössler (2009) – Bauhaus University Weimar | |
اختلاط به‌وسیله کاویتاسیون القاشده با فراصوت به رشد سریع‌تر فازهای C‑S‑H منجر می‌شود.
دمای هیدراتاسیون
تأثیر فراصوت‌دهی پرتوان (PUS) بر منحنی‌های زمان–دمای خمیرهای سیمان
مقاومت فشاری
تأثیر فراصوت‌دهی پرتوان (PUS) بر مقاومت فشاری منشورهای ملات
سرعت پالس فراصوت
تأثیر فراصوت‌دهی پرتوان (PUS) بر سرعت پالس فراصوت در خمیرهای سیمان در حال هیدراتاسیون
رشد فازهای C‑S‑H با دمای خمیر سیمان در طول دوره هیدراتاسیون همبستگی دارد (روی نمودار سمت راست کلیک کنید). در خمیر سیمانی که به‌صورت فراصوتی مخلوط شده است، هیدراتاسیون تقریباً یک ساعت زودتر آغاز می‌شود. هیدراتاسیون زودهنگام با افزایش زودتر مقاومت فشاری همبستگی دارد. افزایش سرعت هیدراتاسیون را می‌توان با استفاده از سرعت پالس فراصوت نیز اندازه‌گیری کرد.
مخلوط‌کن فراصوتی درون‌خطی (UIP1000hdT) برای اختلاط صنعتی سیمان در عملیات عبور جریان پیوسته.
به‌ویژه برای بتن پیش‌ساخته و خشک‌قالب، این امر زمان لازم تا خارج کردن بتن قالب‌گیری‌شده از قالب را به‌طور چشمگیری کوتاه می‌کند. مطالعات دانشگاه Bauhaus (آلمان) کاهش‌های زیر را در زمان‌های گیرش نشان دادند.
| نمونه مرجع | تفاوت | فراصوت پرتوان | |
|---|---|---|---|
| گیرش اولیه | 5 hr 15 min | -29% | 3 hr 45 min |
| گیرش نهایی | 6 hr 45 min | -33% | 4 hr 30 min |
| اسلامپ | 122 mm (4٫8″) | +30% | 158 mm (6٫2″) |
یکی دیگر از مزایای جالب اختلاط فراصوتی، تأثیر آن بر روانی است. همان‌طور که در جدول بالا نشان داده شده است، اسلامپ تقریباً 30% افزایش می‌یابد. این امر امکان کاهش مقدار مصرف فوق‌روان‌کننده‌ها را فراهم می‌کند.
ادغام مخلوط‌کن‌های فراصوتی در فرایند تولید سیمان
Hielscher مخلوط‌کن‌های فراصوتی را برای پراکنده‌سازی مؤثر سیمان، سیلیس، خاکستر بادی، رنگ‌دانه‌ها یا CNTs ارائه می‌کند. ابتدا هر ماده خشک باید با آب پیش‌مخلوط شود تا خمیری با غلظت بالا و درعین‌حال قابل پمپاژ تشکیل شود. مخلوط‌کن فراصوتی Hielscher با استفاده از برش ناشی از کاویتاسیون، ذرات را کلوخه‌زدایی و پراکنده می‌کند. در نتیجه، تمام سطح هر ذره کاملاً در تماس با آب قرار می‌گیرد.
پردازش فراصوتی خمیر سیمان
در مورد خمیر سیمان، هیدراتاسیون پس از پردازش فراصوتی آغاز می‌شود. بنابراین، مخلوط‌کن فراصوتی Hielscher باید به‌صورت درون‌خطی استفاده شود، زیرا خمیر سیمان را نمی‌توان برای مدت طولانی نگهداری کرد. طرح شماتیک زیر این فرایند را نشان می‌دهد. در مرحله بعد، سنگ‌دانه، مانند ماسه یا شن، اضافه و با خمیر سیمان مخلوط می‌شود. ازآنجاکه ذرات سیمان در این مرحله به‌خوبی پراکنده شده‌اند، خمیر سیمان به‌خوبی با سنگ‌دانه مخلوط می‌شود. سپس بتن برای ریختن در قالب‌های قطعات پیش‌ساخته یا حمل‌ونقل آماده است. در صورت نوسان تقاضای بتن، می‌توان از یک مخزن واسط در کنار مخلوط‌کن فراصوتی استفاده کرد تا پردازش با پیوستگی بیشتری انجام شود.
درباره کلوخه‌زدایی فراصوتی ذرات سیمان بیشتر بخوانید!
پراکنده‌سازی فراصوتی سیلیس، خاکستر بادی و نانومواد
پراکنده‌سازی سیلیس، خاکستر بادی، رنگ‌دانه‌ها یا دیگر نانومواد، مانند نانولوله‌های کربنی، به شدت‌های پردازش و سطوح انرژی متفاوتی نیاز دارد. به همین دلیل، یک مخلوط‌کن فراصوتی جداگانه را برای تولید دوغاب/خمیری با پراکندگی مناسب توصیه می‌کنیم که سپس به مخلوط بتن اضافه می‌شود. برای مشاهده طرح شماتیک این فرایند، روی تصویر بالا کلیک کنید.
تجهیزات اختلاط فراصوتی موردنیاز برای افزایش مقیاس را می‌توان بر اساس آزمایش‌های مقیاس پایلوت با استفاده از UIP1000hdT به‌طور دقیق تعیین کرد؛ این دستگاه یک سونیکاتور قدرتمند مقیاس پایلوت با توان 1٬000 وات است. جدول زیر توصیه‌های کلی دستگاه‌ها را بسته به حجم هر بچ یا دبی خمیر سیمانی که باید پردازش شود، نشان می‌دهد.
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫1 تا 10L | 0٫2 تا 2L/min | UIP1000hdT, UIP1500hdT |
| 10 تا 50L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 50L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
Hielscher با ارائه توان اختلاط فراصوتی تا 16kW برای هر پروب فراصوتی، توان پردازش موردنیاز برای کاربردهای پرحجم را فراهم می‌کند. آزمایش این فناوری آسان است و افزایش مقیاس آن به‌صورت خطی انجام می‌شود.
سونیکاتور پروبی UP400ST برای پراکنده‌سازی دوغاب سیمان بسیار ریزدانه
(مطالعه و تصویر: ©Draganovic et al., 2020)
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع علمی / مراجع
- 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.
- 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.
- 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.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی، تولید می‌کند.