שימוש באולטרסאונד משפר את הידרציה וחוזק המלט

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, הידוע גם כ"סוניקציה", זוכה לתשומת לב כטכנולוגיית חיזוק מעשית לייצור מלט ומלט-טיט. מחקרים אחרונים מראים שטיפול באולטרסאונד יכול לשפר את פיזור החלקיקים, להפעיל חומרים צמנטיים משלימים כגון סיגים מגורענים מתנור התכה (GBFS), להאיץ את תהליך ההידרציה, לשפר את מבנה הנקבוביות ולהגביר באופן משמעותי את חוזק המבנה בשלב מוקדם.

מלט ומלטון בעלי ביצועים משופרים, המכילים תערובת סיגים, תוך שימוש באולטרסאונד עוצמתי

בתעשיית ייצור המלט והטיט, אחד האתגרים הטכניים המרכזיים הוא השימוש היעיל בחומרים צמנטיים משלימים. סיגים מגורענים מתנור התכה (GBFS) נמצאים בשימוש נרחב לצמצום תכולת הקלינקר ולשיפור הקיימות. עם זאת, חלקיקי סיגים גסים או מצטברים מגיבים לעתים קרובות באיטיות, מה שמגביל את התפתחות החוזק המוקדם. טיפול קולי מציע פתרון מבטיח: הוא משתמש בקוויטציה אקוסטית בעוצמה גבוהה כדי לפזר אגרגטים, לפרק חלקיקים ולהגדיל את מספר אתרי הגרעון התגובתיים בתוך מטריצת המלט.

מדוע הסוניקציה חשובה לתהליך ההידרציה של המלט

היתרון של הטיפול באולטרסאונד טמון ביכולתו לפעול ישירות על מערכת החלקיקים לפני ההידרציה ובמהלכה. בתמיסה צמנטית, הקוויטציה האולטרסונית יוצרת כוחות גזירה מקומיים, סילוני מיקרו ותנודות בלחץ. השפעות אלו מסייעות בפירוק גושים, בפיזור חלקיקים עדינים ובחשיפת משטחי מינרלים טריים.
עבור יצרני מלט ומלט דבק, הדבר חשוב משום שתהליך ההידרציה מונע במידה רבה על ידי פני השטח. פיזור טוב יותר וחלקיקים תגובתיים קטנים יותר יכולים להגביר את המגע בין המים, שלבי הקלינקר וחלקיקי הסיגים. דבר זה עשוי להוביל לשחרור חום מהיר יותר, להתקשות מוקדמת משופרת ולמיקרו-מבנה צפוף יותר.
במערכות המכילות תערובת סיגים, השימוש באולטרסאונד רלוונטי במיוחד, שכן GBFS מצריך לעתים קרובות הפעלה. פירוק חלקיקים באמצעות אולטרסאונד – מה שמכונה "פירוק באמצעות קול" – של חלקיקי GBFS מפחיתה את גודל החלקיקים, ובפרט את השבר בגודל 125–250 μm.

היתרונות העיקריים של שימוש באולטרסאונד בייצור מלט ומלט רטוב

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה תומך בייצור תעשייתי של מלט ומלטון בכמה דרכים:

• פיזור חלקיקים משופר: השימוש באולטרסאונד מסייע לפיזור מלט, סיגים וחלקיקים מינרליים עדינים באופן אחיד יותר בתערובת הדבק או המלט.
• צמצום התלכדות: טיפול באולטרסאונד יכול לפרק צברים של חלקיקים ועשוי למנוע התלכדות מחודשת במהלך הערבוב.
• עידון תבואה: ניתן לפרק חלקיקי סיגים גסים יותר לחלקיקים עדינים יותר, ובכך להגדיל את שטח הפנים הזמין.
• אתרי גרעיני התגבשות נוספים: חלקיקי GBFS מפורקים יכולים לשמש כמרכזי גרעון לתוצרי הידרציה במטריצת המלט.
• הידרציה מואצת: פיזור טוב יותר ומשטחים חשופים עשויים להגביר את שחרור החום המצטבר ואת ההתקשות המוקדמת.
• חוזק גבוה יותר בשלב מוקדם: משחות מלט המעורבבות בסיגים שעברו טיפול קולי יכולות להפגין שיפור משמעותי בחוזק לדחיסה ולחוזק לכיפוף כבר לאחר יומיים בלבד.
• מיקרו-מבנה משופר: שימוש באולטרסאונד יכול להגביר את מדדי הננו-נקבוביות ולשנות את מבנה הנקבוביות, במיוחד בטווח הנקבוביות של 2–10 ננומטר.

השפעת כוח Ultrasonication (PUS) על פולס קולי מהירות של משחות מלט לחות

התקשות מהירה יותר ועמידות מוקדמת בבטון טרומי באמצעות אולטרסאונד עוצמתי

המחקר “השפעת אולטרסאונד כוח על הנזילות והתפאורה של משחות מלט פורטלנד” מאת Ch. Rößler בוחן משחות מלט פורטלנד המבוססות על CEM I 42.5 R, ביחס מים-מלט של 0.37 ו-0.1% סופר-פלסטייזר מסוג פוליאקרילט. במחקר נעשה שימוש במכשיר אולטרסאונד Hielscher UIP1000hd בתצורת זרימה רציפה, כדי לבחון האם אולטרסאונד עוצמתי יכול להאיץ את תהליך ההידרציה, לשפר את הנזילות, לקצר את זמן ההתקשות ולהגביר את חוזק ההתחלה.
התוצאות מראות כי אולטרסאונד עוצמתי (PUS) מאיץ את תקופת ההידרציה העיקרית. עקומת הטמפרטורה מצביעה על שיא הידרציה מוקדם יותר, בעוד שתמונות המיקרו-מבנה לאחר חמש שעות הראו שלבי C-S-H גדולים יותר בעיסה שטופלה באולטרסאונד בהשוואה לדגימת הביקורת.
היתרונות העיקריים שהושגו:

• נזילות גבוהה יותר: השקיעה גדלה מ-122 מ"מ בתערובת הייחוס ל-158 מ"מ לאחר הטיפול ב-PUS.
• התקנה מהירה יותר: הסט הראשון קוצר מ-5 שעות ו-15 דקות ל-3 שעות ו-45 דקות, והסט האחרון קוצר מ-6 שעות ו-45 דקות ל-4 שעות ו-30 דקות.
• התקשות מואצת: מהירות הדופק האולטראסוני הצביעה על התקשות מהירה יותר בכ-2 שעות.
• חוזק גבוה יותר בשלב מוקדם: פריזמות מלט שיוצרו מתערובת מלט שעברה טיפול ב-PUS הראו עלייה בחוזק הדחיסה במהלך 24 השעות הראשונות.
• פוטנציאל החיסכון בתהליכים: החוקרים העריכו כי צריכת אנרגיה של כ-10 קוט"ש למ"ק של תערובת מלט עשויה להאיץ את תהליך ההתקשות ואת חוזק הבטון המוקדם בכשתי שעות, בעלות משוערת של ≤ 1 אירו למ"ק בטון.
• ירידה בביקוש לתערובות: מכיוון ש-PUS הגביר את הנזילות, החוקרים הסיקו כי ניתן יהיה להפחית את מינון חומר ההפלסטיזציה העל.

תוצאות אלו רלוונטיות במיוחד לייצור בטון טרומי, שבו התקשות מהירה יותר ועמידות מוקדמת יכולות לקצר את משך השימוש בתבניות, להפחית את הביקוש לחימום ולצמצם את משך מחזור הייצור.

קשיות לפי סולם ויקר ומודול האלסטיות של משחות C + S שהוכנו בשיטה המסורתית ובאמצעות אולטרסאונד עוצמתי לאחר 28 ימים.
גרפים ומחקר: ©Lisowski et al. 2024.

חוזק ראשוני גבוה יותר בעיסת מלט מעורבת ב-GBFS

אחת הממצאים החשובים ביותר עבור יישומים תעשייתיים של מלט ומלטון היא השיפור בחוזק בשלב מוקדם. על פי Lisowski et al. (2024), טיפול באולטרסאונד פועם בתערובות מלט המכילות 20% GBFS שהופקד הניב חוזק גבוה משמעותית לאחר יומיים. העליות שדווחו הגיעו עד 132% בחוזק הדחיסה ו-58% בחוזק הכיפוף.
לכך יש חשיבות רבה עבור בטון טרומי, מלט יבש, מלט לתיקונים, דבקי אריחים ומוצרים צמנטיים אחרים, שבהם הסרת התבנית המוקדמת, חוזק הטיפול המוקדם או קצב התקדמות הבנייה המהיר הם גורמים בעלי חשיבות כלכלית.
העלייה בחוזק הייתה קשורה לעלייה בחום ההתקשות המצטבר, דבר המרמז כי השימוש באולטרסאונד אינו משפר רק את הפיזור הפיזי, אלא גם מעצים את ההידרציה המוקדמת. מבחינה מעשית, משמעות הדבר היא שאולטרסאונד עוצמתי עשוי לסייע ליצרנים להשתמש בסיגים בצורה יעילה יותר, מבלי לפגוע בביצועים המוקדמים.

תמונות SEM של דגימת משחת מלט-GBFS C + S, המשוות את ההשפעה ללא אולטרסאונד עוצמתי לעומת השפעתו לאחר 28 ימים.
תמונות ומחקר: ©Lisowski et al. 2024.

פירוק באמצעות אולטרסאונד הופך את חלקיקי הסיגים הגסים ליותר שימושיים

תוצאה בעלת ערך רב במיוחד היא ההפעלה היעילה של חלקיקי GBFS גסים יחסית. המחקר מצא כי חלקיקי הסיגים בגודל 125–250 μm סיפקו את חוזק ההתחלה הטוב ביותר ואת חוזק ה-28 יום הטוב ביותר, בשילוב עם הפרדת חלקיקי הסיגים שהצטברו וטיפול באולטרסאונד בעוצמה גבוהה.
לכך יש חשיבות תעשייתית, שכן טחינת סיגים לגדלים עדינים מאוד כרוכה בצריכת אנרגיה רבה. אם הטיפול באולטרסאונד ישפר את התגובתיות של חלקיקי GBFS גסים יותר או שהצטברו, היצרנים יוכלו לצמצם את הצורך בטחינה, לשפר את היעילות של חומרי הגלם ולנצל טוב יותר את זרמי החומרים המשניים.
 
גלו כיצד פיזור קולי מסייע בייצור מרגמות מלט מחוזקות בננו-חומרים!

הרלוונטיות התעשייתית: אולטרסאונד עוצמתי לייצור יעיל של מלט ומרגמה

עבור יצרני מלט ומרגמה תעשייתיים, השימוש באולטרסאונד מציע מספר יתרונות אסטרטגיים. ניתן לשלב אותו כשלב להגברת יעילות התהליך במהלך הכנת התרחיף, הפעלת חומר המליטה, פיזור תוספים או ערבוב מרגמה בעלת ביצועים גבוהים. הטכנולוגיה אטרקטיבית במיוחד עבור מוצרים התלויים בפיזור חלקיקים עדין, הידרציה מהירה ושימוש מיטבי בחומרים צמנטיים משלימים.

• חוזק מוקדם גבוה יותר ללא הגדלת תכולת הקלינקר
• הפעלה יעילה יותר של GBFS וחומרים צמנטיים משלימים אחרים
• שימוש משופר בשברי סיגים גסים או משוקעים
• הפחתת התלכדות בתמיסות צמנטיות
• התנהגות עקבית יותר בהידרציה ובהתקשות
• הפחתה אפשרית בעוצמת הטחינה עבור זרמי סיגים נבחרים
• שיפור הביצועים של תערובות מלט בעלות תכולת קלינקר נמוכה ופחמן נמוך

לכן, השימוש באולטרסאונד רלוונטי ביותר לייצור מלט בר-קיימא, מלט סיגים, טיט בעל ביצועים גבוהים, אלמנטים טרומיים, חומרי תיקון ומוצרי בנייה מיוחדים.

שימוש באולטרסאונד ככלי לטכנולוגיית מלט דלת פחמן

תעשיית המלט נמצאת תחת לחץ להפחית את פליטות ה-CO₂, והפחתת "מקדם הקלינקר" היא אחת הדרכים הישירות ביותר לכך. עם זאת, רמות תחליף גבוהות יותר של GBFS, אפר מרחף, חימר שרוף או חומרים צמנטיים משלימים אחרים עלולות להאט את התפתחות החוזק המוקדם. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה עשוי לסייע בהתגברות על מכשול זה באמצעות שיפור הפיזור, הפעלת החלקיקים והאצת ההידרציה המוקדמת.
שימוש באולטרסאונד יכול להפוך את תערובות המלט המעורבות בסיגים לתגובתיות יותר וחזקות יותר מבחינה מכנית, במיוחד כאשר התהליך מותאם באופן מיטבי לפי חלוקת גודל החלקיקים ומשך הטיפול. שילוב זה רלוונטי ביותר להנדסת חומרי מליטה בקנה מידה תעשייתי.

מכשירים סוניקטוריים של Hielscher לשיפור הידרציה של מלט, חוזק ותגובתיות של סיגים

מכשירים קוליים מובנים של Hielscher מהווים כלי רב-עוצמה לשיפור הידרציה וחוזק המלט, במיוחד במערכות מלטיות המכילות סיגים.
לצורך פירוק גושים ופיזור מלט תעשייתי, מכשירי הסוניקציה בעלי הביצועים הגבוהים של Hielscher מספקים את כוח הגזירה הקוויטציוני העוצמתי הנדרש לפירוק גושים של מלט, סיגים וחומרי מילוי מינרליים לחלקיקים מפוזרים דק, ובכך משפרים את הרטבת החלקיקים, הפעלת פני השטח וההומוגניות בתערובות מלטיות. מערכות Hielscher זמינות החל ממערכות שולחניות ובקנה מידה ניסיוני ועד למערכות ייצור חזקות בעלות תפוקה גבוהה, כולל מכשירי סוניקציה מובנים בעלי הספק גבוה לעיבוד רציף של טיט מלט ותמיסות מינרליות. דבר זה מאפשר התאמה ישירה של פיתוח התהליך משלב המחקר והפיתוח (R&D)&מ-D ועד לתפוקה תעשייתית מלאה. באמצעות ביטול או צמצום הצורך במדיית טחינה, פירוק האגרגטים באמצעות אולטרסאונד מפשט את תהליך העיבוד, ממזער את סיכוני הזיהום ומפחית את מאמץ הניקוי, תוך שמירה על איכות פיזור ניתנת לשחזור. עבור יצרני מלט ומרגמה, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מציעים אפוא דרך מעשית להשגת מערכות מליטה אחידות יותר, קינטיקה משופרת של הידרציה, שימוש טוב יותר ב-GBFS ובחומרים צמנטיים משלימים אחרים, וכן פורמולות בעלות ביצועים גבוהים יותר עם תכולת קלינקר נמוכה.

הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לגבי קיבולת העיבוד המשוערת של מערכות האולטרסאונד בעוצמה גבוהה שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

ספרות / מקורות