اختلاط فراصوتی برای بتن با عملکرد بالا
استفاده از میکروسیلیس و نانوسیلیس یا نانولوله‌ها موجب بهبود مقاومت فشاری بتن با عملکرد بالا می‌شود. فراصوت‌دهی روشی مؤثر برای اختلاط، ترشوندگی و پراکنده‌سازی نانومواد در سیمان یا بتن است.
امروزه میکروسیلیس به‌طور گسترده در بتن استفاده می‌شود و موجب افزایش مقاومت فشاری یا تولید بتن‌های مقاوم در برابر آب و مواد شیمیایی می‌شود. این امر می‌تواند هزینهٔ مصالح و مصرف انرژی را کاهش دهد. نانومواد جدید، مانند نانوسیلیس یا نانولوله‌ها، مقاومت و استحکام را بیشتر بهبود می‌دهند. بااین‌حال، برای بهره‌گیری از تمام ظرفیت نانومواد، به روشی قابل‌اعتماد و کارآمد برای پراکنده‌سازی نیاز است. سونیکاتورهای پروبی قابل‌اعتمادترین و مؤثرترین روش برای تولید نانوپراکنه هستند، حتی در دوغاب‌های بسیار گران‌رو و خمیرمانند، مانند سیمان و بتن.
پراکنده‌سازی دوغاب سیمان میکروریز با میکسرهای فراصوتی
نویسندگان در مقالهٔ پژوهشی ارائه‌شده توسط گروه پژوهشی Draganović، پراکنده‌سازی دوغاب سیمان میکروریز را با استفاده از فناوری فراصوت و دیسولورهای متداول آزمایشگاهی بررسی می‌کنند. هدف این مطالعه، مقایسهٔ عملکرد فراصوت – مشخصاً سونیکاتور UP400St در این مطالعه – با روش‌های سنتی پراکنده‌سازی دوغاب است.
پژوهشگران مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را با روش‌های مختلف پراکنده‌سازی انجام دادند تا توزیع اندازهٔ ذرات (PSD) و پتانسیل زتای ذرات سیمان میکروریز را ارزیابی کنند. روش‌های پراکنده‌سازی شامل تیمار فراصوتی با سونیکاتور UP400St، دیسولورهای آزمایشگاهی پرسرعت و ترکیب هر دو روش بود.
MultiSonoReactor MSR-4: پراکنده‌سازی فراصوتی درون‌خطی برای تولید صنعتی درون‌خطی سیمان و بتن با عملکرد بالا.
نتایج نشان داد که پراکنده‌سازی فراصوتی با سونیکاتور UP400St، در مقایسه با دیسولورهای متداول آزمایشگاهی، توزیع اندازهٔ ذرات را به‌طور چشمگیری بهبود داد. سونیکاتور UP400St به‌طور مؤثری کلوخه‌شدن ذرات سیمان میکروریز را کاهش می‌دهد و سوسپانسیون دوغابی همگن‌تر و پایدارتری تولید می‌کند. تیمار فراصوتی توزیع ذرات کوچک‌تر را بهبود می‌دهد و در نتیجه، دامنهٔ توزیع اندازهٔ ذرات باریک‌تر می‌شود.
روش‌های پراکنده‌سازی مقایسه‌شده: دیسولور Vma-Getzmann Dispermat CV-3 مجهز به دیسک 90-mm و یک سامانهٔ روتور–استاتور. دستگاه فراصوت Hielscher UP400St مجهز به سونوتْرود H22.
(مطالعه و تصاویر: ©Draganovic et al., 2020)
علاوه‌براین، استفاده از فراصوت همراه با دیسولورهای متداول آزمایشگاهی، بازده پراکنده‌سازی را بیشتر بهبود می‌دهد و در مقایسه با تیمار فراصوتی به‌تنهایی، توزیع اندازهٔ ذرات ریزتری ایجاد می‌کند. در کاربرد ترکیبی، فراصوت‌دهی اختلاط در مقیاس میکرو و پراکنده‌سازی در مقیاس نانو را فراهم می‌کند، درحالی‌که دیسولور به اختلاط در مقیاس ماکرو کمک می‌کند و ورود همهٔ ذرات به ناحیهٔ کاویتاسیون فراصوتی را تضمین می‌کند. این امر امکان کنترل بهتر توزیع اندازهٔ ذرات (PSD) و پتانسیل زتای دوغاب سیمان میکروریز را در عملیات ناپیوسته فراهم می‌کند. هنگام استفاده از راکتور سلول جریان، سوسپانسیون ذرات به‌طور خودکار از ناحیهٔ نقاط داغ کاویتاسیون عبور می‌کند، بنابراین هم‌زدن اضافی ضرورتی ندارد.
در مجموع، این مطالعه عملکرد برتر سونیکاتور UP400St در پراکنده‌سازی دوغاب سیمان میکروریز را برجسته می‌کند. تیمار فراصوتی، به‌ویژه همراه با دیسولورهای متداول آزمایشگاهی، روشی بسیار مؤثر و کارآمد برای دستیابی به سوسپانسیونی یکنواخت و پایدار از ذرات سیمان میکروریز ارائه می‌دهد.
شایان ذکر است که این مقاله مقایسه‌ای جامع میان فراصوت و روش‌های متداول پراکنده‌سازی ارائه می‌دهد و عملکرد برتر فراصوت‌دهی در پراکنده‌سازی دوغاب را برجسته می‌کند.
(رجوع کنید به Draganović et al., 2020)
هموژنایزر فراصوتی UP400St از نظر بازده پراکنده‌سازی دوغاب سیمان با یک میکسر معمولی آزمایشگاهی مجهز به دیسک و با روش روتور–استاتور مقایسه شده است. مطالعه نشان داد که پراکنده‌سازی فراصوتی نه‌تنها روشی مؤثر است، بلکه حتی از میکسری که از روش روتور–استاتور استفاده می‌کند نیز عملکرد بهتری دارد.
(مطالعه و نمودار: © Draganović et al., 2020)
تحقیق و توسعهٔ بتن
پژوهش‌های بتن به‌دنبال مصالح و فرایندهایی برای اهداف زیر هستند:
- کاهش هزینهٔ مصالح و انرژی
- دستیابی به مقاومت اولیه و نهایی بالا
- بهبود چگالی و مقاومت فشاری
- بهبود کارایی، قابلیت پمپاژ و قابلیت پرداخت سطح
- بهبود دوام و کاهش نفوذپذیری
- کاهش مشکلات ترک‌های جمع‌شدگی، پودرشدگی سطح و لایه‌لایه‌شدن
- مقاومت شیمیایی، برای مثال مقاومت در برابر سولفات
اختلاط سیمان و بتن
در بهبود خواص بتن، فناوری اختلاط به‌اندازهٔ ترکیب بتن اهمیت دارد. اختلاط مرحله‌ای ضروری در تولید بتن یکنواخت و باکیفیت است. اگرچه دستورالعمل‌ها و مقررات متعددی، مانند DIN EN 206، ترکیب بتن و اجزای آن را پوشش می‌دهند، فرایند عملی اختلاط سیمان و بتن به کاربر واگذار شده است.
پراکنده‌سازی و توزیع یکنواخت آب، سیمان و افزودنی‌ها تا مقیاس ریز و پراکنده‌سازی کافی کلوخه‌ها اهمیت تعیین‌کننده‌ای دارد. پراکنده‌سازی یا کلوخه‌زدایی ناکافی موجب افت خواص بتن می‌شود. به‌دلیل مقدار کم آب و میزان بالای افزودنی‌ها، اختلاط بتن خودتراکم (SCC) و بتن با مقاومت فوق‌بالا (UHPC) به زمان اختلاط طولانی‌تر یا فناوری اختلاط مؤثرتری نیاز دارد.
ببینید فراصوت پرتوان چگونه هیدراتاسیون و کسب مقاومت خمیرهای سیمان را بهبود می‌دهد و تسریع می‌کند!
نانومواد در بتن
هنگام هیدراتاسیون سیمان، محصولات هیدراتاسیون در مقیاس نانو، مانند هیدرات‌های کلسیم، در بتنِ در حال سخت‌شدن تشکیل می‌شوند. نانوذرات سیلیس یا نانولوله‌ها در جریان جامدشدن بتن به نانوذرات سیمان تبدیل می‌شوند. ذرات کوچک‌تر موجب کاهش فاصلهٔ بین ذرات و ایجاد ماده‌ای متراکم‌تر و کم‌تخلخل‌تر می‌شوند. این امر مقاومت فشاری را افزایش و نفوذپذیری را کاهش می‌دهد.
بااین‌حال، یکی از معایب اصلی پودرها و مواد نانومقیاس، تمایل آن‌ها به تشکیل کلوخه هنگام ترشوندگی و اختلاط است. اگر ذرات منفرد به‌خوبی پراکنده نشوند، کلوخه‌شدن سطح در معرض تماس ذرات را کاهش می‌دهد و موجب افت خواص بتن می‌شود.
پردازشگر فراصوتی UIP16000 یک هموژنایزر با عملکرد بالا برای پراکنده‌سازی سیمان و بتن است
اختلاط فراصوتی: پراکنده‌سازی همگن نانومواد در خمیرهای سیمان
فراصوت‌دهی روشی بسیار مؤثر برای اختلاط، پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی است. تصویر زیر نتیجه‌ای معمول از پراکنده‌سازی فراصوتی سیلیس دودزا در آب را نشان می‌دهد.
دربارهٔ ملات‌های سیمانی تقویت‌شده با نانومواد با استفاده از پراکنده‌سازی فراصوتی بیشتر بخوانید!
با شروع از اندازهٔ ذرات کلوخه‌شدهٔ بیش از 200 میکرون (D50) (منحنی سبز)، اندازهٔ بیشتر ذرات به کمتر از 200 نانومتر کاهش یافت.
اختلاط فراصوتی در هر مقیاس
Hielscher دستگاه‌های اختلاط فراصوتی را برای استفاده در پژوهش و پردازش در مقیاس کامل عرضه می‌کند.
سونیکاتورها برای تحقیق و توسعهٔ آزمایشگاهی
هموژنایزرهای فراصوتی آزمایشگاهی Hielscher ابزارهای ایدئالی برای اختلاط در تحقیق و توسعه در مقیاس آزمایشگاهی هستند. سونیکاتورهای آزمایشگاهی Hielscher معمولاً برای اختلاط فراصوتی بچ‌های کوچک به کار می‌روند. هموژنایزرهای فراصوتی Hielscher کنترل دقیق پارامترها و تکرارپذیری عالی را برای آماده‌سازی افزایش مقیاس فراهم می‌کنند. این امر اختلاط فرمولاسیون‌های مختلف و تعیین تأثیر شدت فراصوت‌دهی و مدت‌زمان آن را آسان می‌کند.
اختلاط فراصوتی درون‌خطی در تولید
تجهیزات اختلاط فراصوتی موردنیاز برای افزایش مقیاس را می‌توان دقیقاً بر اساس آزمون آزمایشگاهی تعیین کرد. برای پردازش جریان‌های حجیم سیمان یا بتن، دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا معمولاً در حالت جریان پیوسته و با استفاده از راکتورهای جریان‌گذر کار می‌کنند. این روش امکان اختلاط بسیار یکنواخت و پردازش بی‌نقص خمیرها و دوغاب‌ها را فراهم می‌کند – حتی در گران‌روی‌های بسیار بالا.
جدول زیر ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما را بر اساس حجم بچ یا دبی مورد پردازش نشان می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
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.
- 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.
اختلاط درون‌خطی سیمان با استفاده از سونیکاتور
میکسرهای فراصوتی Hielscher معمولاً به‌صورت درون‌خطی نصب می‌شوند. ماده به داخل محفظهٔ راکتور فراصوتی پمپ می‌شود و در آنجا در معرض کاویتاسیون شدید فراصوتی قرار می‌گیرد. فراصوت‌دهی درون‌خطی عبور میان‌بُر را حذف می‌کند، زیرا همهٔ ذرات با طی‌کردن مسیری مشخص از محفظهٔ اختلاط عبور می‌کنند. بنابراین، فراصوت‌دهی معمولاً منحنی توزیع اندازهٔ ذرات را جابه‌جا می‌کند، به‌جای آنکه آن را پهن‌تر کند.
مستحکم و با نظافت آسان
راکتور اختلاط فراصوتی از سلول جریان و سونوتْرودها تشکیل شده است. هیچ یاتاقانی لازم نیست. راکتورهای سلول جریان (از جنس فولاد زنگ‌نزن) هندسهٔ ساده‌ای دارند و به‌آسانی می‌توان آن‌ها را باز و تمیز کرد. هیچ روزنهٔ کوچک یا گوشهٔ پنهانی وجود ندارد.
سایر کاربردهای فراصوت برای سیمان و بتن
استفاده از دستگاه‌های فراصوت Hielscher در تهیهٔ انواع سیمان و بتن به اختلاط و پراکنده‌سازی پیش‌مخلوط‌های سیمان یا بتن محدود نمی‌شود. فراصوت روشی بسیار مؤثر برای گاززدایی مایعات و دوغاب‌ها است. این کار تعداد و حجم حباب‌های گاز محبوس در بتن پس از سخت‌شدن را کاهش می‌دهد.
لرزاننده‌های فراصوتی الک ظرفیت عملیاتی و کیفیت الک‌کردن پودرهای دارای ذرات کوچک را بهبود می‌دهند. Hielscher الک‌هایی با تحریک فراصوتی برای کاربردهای آزمایشگاهی و صنعتی عرضه می‌کند.
اطلاعات پایه دربارهٔ بتن
بتن از سیمان، مانند سیمان پرتلند، و سایر مواد سیمانی، مانند خاکستر بادی و سیمان سرباره‌ای، سنگ‌دانه (شن، سنگ‌آهک، گرانیت، ماسه)، آب و افزودنی‌های شیمیایی تشکیل می‌شود. افزودنی‌های رایج شامل زودگیرکننده‌ها یا دیرگیرکننده‌ها، روان‌کننده‌ها، رنگ‌دانه‌ها، دودهٔ سیلیسی یا متاکائولن با واکنش‌پذیری بالا (HRM) هستند. میکروسیلیس یکی از افزودنی‌های رایج بتن است. عیب آن هزینهٔ نسبتاً بالا و آلودگی‌ای است که بر سلامت اپراتورها و کارگران تأثیر می‌گذارد.