ערבוב אולטרסוני של עיסת צמנט לבטון

ערבוב אולטרסוני של עיסת צמנט מציע יתרונות משמעותיים ליציקה טרומית, ליציקה יבשה ולמפעלי בטון. יתרונות אלה כוללים קיצור זמני ההתקשרות הראשונית והסופית, מינון נמוך יותר של מוסף מפחית מים על־פלסטי, הידרציה מהירה ומלאה יותר, וכן חוזק לחיצה גבוה יותר.

טכנולוגיות מסורתיות לערבוב בטון, כגון "ערבוב במהלך ההובלה" או מערבלים סיבוביים, אינן מספקות פעולת ערבוב מספקת לפיזור צברים של חלקיקי צמנט ושל חומרים צמנטיים אחרים, כגון אפר פחם או סיליקה. בעוד שהחלקיקים החיצוניים בצברים אלה חשופים למים, פני השטח של החלקיקים הפנימיים נותרים יבשים. התוצאה היא הידרציה איטית ולא מלאה.

יתרונות טכנולוגיית הערבוב האולטרסוני לבטון

פיזור אולטרסוני הוא הטכנולוגיה המתקדמת ביותר לפירוק צברים ולפיזור חומרים בגודל מיקרוני וננומטרי בנוזלים. ערבוב אולטרסוני משתמש בכוחות גזירה הנוצרים בקוויטציה, היעילים יותר בערבוב חומרים דקי גרגר בהשוואה למערבלים סיבוביים רגילים ולמערבלי רוטור־סטטור. ביצועיהם של חומרים כגון צמנט, סיליקה, אפר פחם, פיגמנטים או ננו־צינוריות פחמן (CNTs) משתפרים משמעותית באמצעות פיזור אולטרסוני, משום שהוא משפר את פיזור החלקיקים ואת מגעם עם מים.

במהלך ההידרציה – תגובת הצמנט עם מים – פאזות C‑S‑H מצמיחות מבנים דמויי מחטים. התמונות שלהלן מציגות את המיקרו־מבנה בעיסת צמנט לאחר 5 שעות של הידרציה. בעיסת הצמנט שעברה סוניקציה, אורכן של פאזות C‑S‑H הוא כמעט 500nm, ואילו בעיסה שלא עברה סוניקציה, אורכן של פאזות C‑S‑H הוא כ־100nm.

המיקרו־מבנה של עיסת צמנט לאחר זמן הידרציה של 5 שעות

עם עיבוד אולטרסוני	ללא עיבוד אולטרסוני
עיסת צמנט פורטלנד (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – אוניברסיטת באוהאוס ויימאר

 
ערבוב באמצעות קוויטציה המושרית באולטרסאונד מוביל לצמיחה מהירה יותר של פאזות C‑S‑H.

 
טמפרטורת ההידרציה

השפעת סוניקציה בהספק גבוה (PUS) על עקומות זמן–טמפרטורה של עיסות צמנט

 
חוזק לחיצה

השפעת סוניקציה בהספק גבוה (PUS) על חוזק הלחיצה של מנסרות טיט

 
מהירות פולס אולטרסוני

השפעת סוניקציה בהספק גבוה (PUS) על מהירות פולס אולטרסוני בעיסות צמנט העוברות הידרציה

צמיחתן של פאזות C‑S‑H נמצאת במתאם עם הטמפרטורה בעיסת הצמנט במהלך תקופת ההידרציה (לחצו על התרשים מימין). בעיסת הצמנט שעורבבה באולטרסאונד, ההידרציה מתחילה כשעה מוקדם יותר. הידרציה מוקדמת יותר נמצאת במתאם עם עלייה מוקדמת יותר בחוזק הלחיצה. ניתן למדוד את העלייה בקצב ההידרציה גם באמצעות מהירות הפולס האולטרסוני.

בייחוד בבטון טרומי ובבטון ביציקה יבשה, הדבר מוביל לקיצור משמעותי של הזמן עד שניתן להוציא את הבטון היצוק מהתבנית. מחקרים שנערכו באוניברסיטת באוהאוס (גרמניה) הראו את הקיצור הבא בזמני ההתקשרות.

יתרון מעניין נוסף של ערבוב אולטרסוני הוא השפעתו על הנזילות. כפי שמוצג בטבלה לעיל, השקיעה גדלה בכ־30%. הדבר מאפשר להפחית את מינון המוספים מפחיתי המים העל־פלסטיים.

שילוב מערבלים אולטרסוניים בתהליך ייצור הצמנט

Hielscher מציעה מערבלים אולטרסוניים לפיזור יעיל של צמנט, סיליקה, אפר פחם, פיגמנטים או ננו־צינוריות פחמן (CNTs). תחילה יש לערבב מראש כל חומר יבש עם מים ליצירת עיסה בריכוז גבוה, אך עדיין ניתנת לשאיבה. המערבל האולטרסוני של Hielscher מפרק את צברי החלקיקים ומפזר את החלקיקים באמצעות גזירה הנוצרת בקוויטציה. כתוצאה מכך, כל שטח הפנים של כל חלקיק נחשף במלואו למים.

עיבוד אולטרסוני של עיסת צמנט

במקרה של עיסת צמנט, ההידרציה מתחילה לאחר העיבוד האולטרסוני. לכן יש להשתמש במערבל האולטרסוני של Hielscher בקו התהליך, שכן לא ניתן לאחסן את עיסת הצמנט לפרקי זמן ארוכים. השרטוט הסכמטי שלהלן ממחיש את התהליך. בשלב הבא מוסיפים את האגרגט, כגון חול או חצץ, ומערבבים אותו עם עיסת הצמנט. מכיוון שחלקיקי הצמנט כבר מפוזרים היטב בשלב זה, עיסת הצמנט משתלבת היטב עם האגרגט. הבטון מוכן אז למילוי תבניות ליציקה טרומית או להובלה. ניתן להשתמש במכל break-up לצד המערבל האולטרסוני כדי לאפשר עיבוד רציף יותר כאשר הביקוש לבטון אינו יציב.
קראו עוד על פירוק צברים של חלקיקי צמנט באמצעות אולטרסאונד!

פיזור אולטרסוני של סיליקה, אפר פחם וננו־חומרים

פיזור של סיליקה, אפר פחם, פיגמנטים או ננו־חומרים אחרים, כגון ננו־צינוריות פחמן, דורש עוצמות עיבוד ורמות אנרגיה אחרות. מסיבה זו אנו ממליצים על מערבל אולטרסוני נפרד לייצור תרחיף או עיסה שבהם החלקיקים מפוזרים היטב, ולאחר מכן להוסיפם לתערובת הבטון. לחצו על התרשים לעיל לצפייה בשרטוט סכמטי של תהליך זה.

ניתן לקבוע במדויק את ציוד הערבוב האולטרסוני הנדרש להגדלת קנה המידה על סמך ניסויים בקנה מידה פיילוט באמצעות UIP1000hdT, מכשיר סוניקציה רב־עוצמה בקנה מידה פיילוט ובהספק של 1,000 ואט. הטבלה שלהלן מציגה המלצות כלליות למכשירים בהתאם לנפח האצווה או לספיקת הזרימה של עיסת הצמנט המיועדת לעיבוד.

עם הספק ערבוב אולטרסוני של עד 16kW לכל גשוש אולטרסוני יחיד, Hielscher מציעה את הספק העיבוד הנדרש ליישומים בנפחים גדולים. קל לבדוק טכנולוגיה זו, וניתן להגדיל את קנה המידה שלה באופן ליניארי.