فراصوت‌دهی هیدراتاسیون و مقاومت سیمان را بهبود می‌دهد

فراصوت پرتوان، که با نام فراصوت‌دهی نیز شناخته می‌شود، به‌عنوان فناوری عملی تشدید فرایند در تولید سیمان و ملات مورد توجه قرار گرفته است. پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهند که تیمار فراصوتی می‌تواند پراکنش ذرات را بهبود دهد، مواد سیمانی مکمل مانند سرباره دانه‌ای کوره بلند (GBFS) را فعال کند، هیدراتاسیون را تسریع کند، ساختار منافذ را ریزتر کند و مقاومت در سنین اولیه را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.

سیمان و ملات آمیخته با سرباره با عملکرد بالاتر به کمک فراصوت پرتوان

در تولید سیمان و ملات، یکی از چالش‌های فنی اصلی، استفاده کارآمد از مواد سیمانی مکمل است. سرباره دانه‌ای کوره بلند یا GBFS به‌طور گسترده برای کاهش مقدار کلینکر و بهبود پایداری زیست‌محیطی استفاده می‌شود. بااین‌حال، ذرات درشت یا کلوخه‌شده سرباره اغلب به‌کندی واکنش می‌دهند و رشد مقاومت اولیه را محدود می‌کنند. فراصوت‌دهی راهکاری امیدبخش ارائه می‌دهد: این روش با استفاده از کاویتاسیون آکوستیکی با شدت بالا، کلوخه‌ها را پراکنده می‌کند، ذرات را خرد می‌کند و تعداد جایگاه‌های واکنش‌پذیر جوانه‌زنی را درون ماتریس سیمان افزایش می‌دهد.

چرا فراصوت‌دهی برای هیدراتاسیون سیمان اهمیت دارد

مزیت فراصوت‌دهی در توانایی آن برای اثرگذاری مستقیم بر سامانه ذرات، پیش از هیدراتاسیون اولیه و در حین آن است. در یک سوسپانسیون سیمانی، کاویتاسیون فراصوتی نیروهای برشی موضعی، ریزجت‌ها و نوسانات فشار ایجاد می‌کند. این اثرات به شکستن کلوخه‌ها، پراکندن ذرات ریز و نمایان‌کردن سطوح تازه مواد معدنی کمک می‌کنند.
این موضوع برای تولیدکنندگان سیمان و ملات مهم است، زیرا هیدراتاسیون به‌شدت تحت تأثیر فرایندهای سطحی قرار دارد. پراکنش بهتر و ذرات واکنش‌پذیر کوچک‌تر می‌توانند تماس میان آب، فازهای کلینکر و ذرات سرباره را افزایش دهند. این امر می‌تواند به آزادسازی سریع‌تر گرما، بهبود سخت‌شدن اولیه و ریزساختاری متراکم‌تر منجر شود.
در سامانه‌های آمیخته با سرباره، فراصوت‌دهی اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا GBFS اغلب به فعال‌سازی نیاز دارد. خردشدن فراصوتی ذرات GBFS – موسوم به سونوفراگمنتاسیون – اندازه ذرات را، به‌ویژه در کسر دانه‌بندی 125–250 μm، کاهش می‌دهد.

مزایای کلیدی فراصوت‌دهی در تولید سیمان و ملات

فراصوت پرتوان از چند طریق به تولید صنعتی سیمان و ملات کمک می‌کند:

• بهبود پراکنش ذرات: فراصوت‌دهی به پراکنش یکنواخت‌تر ذرات سیمان، سرباره و ذرات ریز معدنی در مخلوط خمیر یا ملات کمک می‌کند.
• کاهش کلوخه‌شدن: تیمار فراصوتی می‌تواند تجمعات ذرات را بشکند و ممکن است از کلوخه‌شدن مجدد هنگام اختلاط جلوگیری کند.
• ریزترشدن دانه‌ها: ذرات درشت‌تر سرباره می‌توانند به کسرهای دانه‌بندی ریزتر خرد شوند و مساحت سطح در دسترس را افزایش دهند.
• جایگاه‌های بیشتر جوانه‌زنی: ذرات خردشده GBFS می‌توانند به‌عنوان مراکز جوانه‌زنی محصولات هیدراتاسیون در ماتریس سیمان عمل کنند.
• تسریع هیدراتاسیون: پراکنش بهتر و سطوح نمایان‌شده می‌توانند آزادسازی تجمعی گرما و سخت‌شدن اولیه را افزایش دهند.
• مقاومت اولیه بالاتر: خمیرهای سیمان آمیخته با سرباره که فراصوت‌دهی شده‌اند، می‌توانند تنها پس از دو روز افزایش قابل‌توجهی در مقاومت فشاری و خمشی نشان دهند.
• بهبود ریزساختار: فراصوت‌دهی می‌تواند شاخص‌های نانوتخلخل را افزایش دهد و ساختار منافذ را، به‌ویژه در محدوده منافذ 2–10 nm، تغییر دهد.

تأثیر فراصوت‌دهی پرتوان (PUS) بر سرعت پالس فراصوتی در خمیرهای سیمان در حال هیدراتاسیون

گیرش سریع‌تر و مقاومت اولیه در بتن پیش‌ساخته با فراصوت پرتوان

مطالعه «Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes» توسط Ch. Rößler، خمیرهای سیمان پرتلند بر پایه CEM I 42٫5 R، با نسبت آب به سیمان (w/c) برابر با 0٫37 و 0٫1% فوق‌روان‌کننده پلی‌اکریلاتی را بررسی می‌کند. در این مطالعه از سونیکاتور Hielscher UIP1000hd در آرایش جریان عبوری استفاده شد تا بررسی شود آیا فراصوت پرتوان می‌تواند هیدراتاسیون را تسریع کند، روانی را بهبود دهد، زمان گیرش را کوتاه کند و مقاومت اولیه را افزایش دهد.
نتایج نشان می‌دهند که فراصوت پرتوان (PUS) دوره اصلی هیدراتاسیون را تسریع می‌کند. منحنی دما نشان‌دهنده وقوع زودتر اوج هیدراتاسیون است؛ تصاویر ریزساختار پس از پنج ساعت نیز فازهای C-S-H بزرگ‌تری را در خمیر تیمارشده با فراصوت نسبت به نمونه شاهد نشان دادند.
مزایای کلیدی حاصل‌شده:

• روانی بیشتر: اسلامپ از 122 mm در خمیر شاهد به 158 mm پس از تیمار PUS افزایش یافت.
• گیرش سریع‌تر: زمان گیرش اولیه از 5 h 15 min به 3 h 45 min و زمان گیرش نهایی از 6 h 45 min به 4 h 30 min کاهش یافت.
• تسریع صلب‌شدن: سرعت پالس فراصوتی نشان داد که سخت‌شدن تقریباً 2 ساعت زودتر رخ داده است.
• مقاومت اولیه بالاتر: آزمونه‌های منشوری ملات ساخته‌شده از خمیر سیمان تیمارشده با PUS، در 24 ساعت نخست افزایش مقاومت فشاری نشان دادند.
• ظرفیت بهبود اقتصادی فرایند: نویسندگان برآورد کردند که ورود انرژی به میزان تقریبی 10 kWh/m³ خمیر سیمان می‌تواند گیرش و کسب مقاومت اولیه را حدود دو ساعت جلو بیندازد؛ هزینه اعلام‌شده برای این کار ≤ 1 Euro/m³ بتن بود.
• کاهش نیاز به مواد افزودنی: ازآنجاکه PUS روانی را افزایش داد، نویسندگان نتیجه گرفتند که امکان کاهش مقدار مصرف فوق‌روان‌کننده وجود دارد.

این نتایج به‌ویژه برای تولید بتن پیش‌ساخته اهمیت دارند؛ در این کاربرد، گیرش سریع‌تر و کسب زودتر مقاومت اولیه می‌توانند زمان ماندن در قالب، نیاز به گرمایش و زمان چرخه‌های تولید را کاهش دهند.

سختی ویکرز و مدول الاستیسیته خمیرهای C + S تهیه‌شده به روش متداول و با استفاده از فراصوت پرتوان، پس از 28 d.
نمودارها و مطالعه: ©Lisowski et al. 2024.

مقاومت اولیه بالاتر در خمیر سیمان آمیخته با GBFS

یکی از مهم‌ترین یافته‌ها برای کاربردهای صنعتی سیمان و ملات، بهبود مقاومت در سنین اولیه است. طبق Lisowski et al. (2024)، تیمار فراصوتی پالسی خمیرهای سیمان حاوی 20% GBFS انباشته‌شده، پس از دو روز مقاومت بسیار بالاتری ایجاد کرد. افزایش‌های گزارش‌شده در مقاومت فشاری تا 132% و در مقاومت خمشی تا 58% رسیدند.
این موضوع برای بتن پیش‌ساخته، ملات خشک آماده، ملات‌های ترمیمی، چسب‌های کاشی و دیگر محصولات سیمانی که در آن‌ها قالب‌برداری زودهنگام، کسب زودهنگام مقاومت لازم برای جابه‌جایی یا پیشرفت سریع ساخت‌وساز از نظر اقتصادی اهمیت دارد، بسیار مرتبط است.
افزایش مقاومت با افزایش گرمای تجمعی سخت‌شدن همبستگی داشت؛ این امر نشان می‌دهد که فراصوت‌دهی صرفاً پراکنش فیزیکی را بهبود نمی‌دهد، بلکه هیدراتاسیون اولیه را نیز تشدید می‌کند. از نظر عملی، این بدان معناست که فراصوت پرتوان می‌تواند به تولیدکنندگان کمک کند بدون افت عملکرد اولیه، از سرباره مؤثرتر استفاده کنند.

تصاویر SEM از آزمونه خمیر سیمان–GBFS با شناسه C + S، برای مقایسه اثر نبود و وجود فراصوت پرتوان در سن 28d.
تصاویر و مطالعه: ©Lisowski et al. 2024.

خردشدن فراصوتی، کسرهای درشت‌تر سرباره را کاربردی‌تر می‌کند

یکی از نتایج به‌ویژه ارزشمند، فعال‌سازی مؤثر کسرهای نسبتاً درشت GBFS است. این مطالعه نشان داد که کسر سرباره با اندازه 125–250 μm، در ترکیب با جداسازی ذرات سرباره انباشته‌شده و تیمار فراصوت پرتوان، بهترین مقاومت را در سنین اولیه و در سن 28 روز ایجاد کرد.
این موضوع از نظر صنعتی مهم است، زیرا آسیاب‌کردن سرباره تا اندازه‌های بسیار ریز به انرژی زیادی نیاز دارد. اگر فراصوت‌دهی واکنش‌پذیری کسرهای درشت‌تر یا انباشته‌شده GBFS را بهبود دهد، تولیدکنندگان می‌توانند نیاز به آسیاب‌کردن را کاهش دهند، بهره‌وری مواد اولیه را افزایش دهند و از جریان‌های مواد ثانویه بهتر استفاده کنند.
 
بیاموزید که پراکنش فراصوتی چگونه تولید ملات‌های سیمانی تقویت‌شده با نانومواد را تسهیل می‌کند!

اهمیت صنعتی: فراصوت پرتوان برای تولید کارآمد سیمان و ملات

فراصوت‌دهی چندین مزیت راهبردی برای تولیدکنندگان صنعتی سیمان و ملات دارد. این روش را می‌توان به‌عنوان مرحله‌ای برای تشدید فرایند، هنگام آماده‌سازی دوغاب، فعال‌سازی مواد چسباننده، پراکنش مواد افزودنی یا اختلاط ملات با عملکرد بالا به کار گرفت. این فناوری به‌ویژه برای محصولاتی جذاب است که به توزیع ذرات ریز، هیدراتاسیون سریع و استفاده بهینه از مواد سیمانی مکمل وابسته‌اند.

• مقاومت اولیه بالاتر بدون افزایش مقدار کلینکر
• فعال‌سازی بهتر GBFS و دیگر مواد سیمانی مکمل
• استفاده بهتر از کسرهای درشت یا انباشته‌شده سرباره
• کاهش کلوخه‌شدن در سوسپانسیون‌های سیمانی
• رفتار یکنواخت‌تر هیدراتاسیون و سخت‌شدن
• امکان کاهش شدت آسیاب‌کردن برای جریان‌های منتخب سرباره
• بهبود عملکرد فرمولاسیون‌های سیمان کم‌کلینکر و کم‌کربن

این ویژگی‌ها فراصوت‌دهی را برای تولید سیمان پایدار از نظر زیست‌محیطی، سیمان سرباره‌ای، ملات‌های با عملکرد بالا، قطعات پیش‌ساخته، مواد ترمیمی و محصولات تخصصی ساختمانی بسیار مناسب می‌سازند.

فراصوت‌دهی به‌عنوان ابزاری برای فناوری سیمان کم‌کربن

صنعت سیمان برای کاهش انتشار CO₂ تحت فشار است و کاهش ضریب کلینکر یکی از مستقیم‌ترین راه‌هاست. بااین‌حال، افزایش میزان جایگزینی با GBFS، خاکستر بادی، رس کلسینه‌شده یا دیگر مواد سیمانی مکمل می‌تواند رشد مقاومت اولیه را کند کند. فراصوت پرتوان ممکن است با بهبود پراکنش، فعال‌سازی ذرات و تسریع هیدراتاسیون اولیه به رفع این تنگنا کمک کند.
فراصوت‌دهی می‌تواند خمیرهای سیمان آمیخته با سرباره را واکنش‌پذیرتر و از نظر مکانیکی مقاوم‌تر کند، به‌ویژه هنگامی که فرایند از نظر کسر دانه‌بندی ذرات و زمان تیمار بهینه شود. این ترکیب برای مهندسی مواد چسباننده در مقیاس صنعتی اهمیت زیادی دارد.

سونیکاتورهای Hielscher برای بهبود هیدراتاسیون و مقاومت سیمان و واکنش‌پذیری سرباره

سونیکاتورهای درون‌خطی Hielscher ابزاری قدرتمند برای بهبود هیدراتاسیون و مقاومت سیمان، به‌ویژه در سامانه‌های سیمانی آمیخته با سرباره، هستند.
برای کلوخه‌زدایی و پراکنش صنعتی سیمان، سونیکاتورهای با عملکرد بالای Hielscher برش شدید ناشی از کاویتاسیون را فراهم می‌کنند که برای شکستن کلوخه‌های سیمان، سرباره و پرکننده‌های معدنی و تبدیل آن‌ها به ذرات ریزِ پراکنده لازم است؛ در نتیجه، ترشوندگی ذرات، فعال‌سازی سطح و همگنی در دوغاب‌های سیمانی بهبود می‌یابند. سامانه‌های Hielscher از مقیاس رومیزی و پایلوت تا سامانه‌های تولیدی مقاوم با ظرفیت بالا عرضه می‌شوند؛ از جمله سونیکاتورهای درون‌خطی پرتوان برای پردازش پیوسته دوغاب سیمان و سوسپانسیون‌های معدنی. این امر امکان افزایش مستقیم مقیاس فرایند را از تحقیق و توسعه تا ظرفیت کامل تولید صنعتی فراهم می‌کند. کلوخه‌زدایی فراصوتی با حذف یا کاهش نیاز به اجسام آسیاب‌کننده، پردازش را ساده می‌کند، خطر آلودگی را به حداقل می‌رساند و زحمت تمیزکاری را کاهش می‌دهد و درعین‌حال کیفیت پراکنش تکرارپذیری ارائه می‌کند. بنابراین، سونیکاتورهای Hielscher برای تولیدکنندگان سیمان و ملات، راهکاری عملی برای دستیابی به سامانه‌های چسباننده یکنواخت‌تر، بهبود سینتیک هیدراتاسیون، استفاده بهتر از GBFS و دیگر مواد سیمانی مکمل و فرمولاسیون‌های کم‌کلینکر با عملکرد بالاتر فراهم می‌کنند.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سامانه‌های فراصوت پرتوان ما ارائه می‌دهد:

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به برخورداری از بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و سهولت کاربری، ادغام روان دستگاه‌های فراصوتی ما را در تأسیسات صنعتی امکان‌پذیر می‌کنند. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به‌آسانی از عهده شرایط سخت و محیط‌های دشوار برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامه ISO است و بر دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا، مجهز به پیشرفته‌ترین فناوری و با کاربری آسان، تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوتی Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

منابع علمی / مراجع

• 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.