ულტრაბგერითი დამუშავება აუმჯობესებს ცემენტის ჰიდრატაციას და სიმტკიცეს

მძლავრი ულტრაბგერა, რომელიც ასევე ცნობილია როგორც ულტრაბგერითი დამუშავება, ყურადღებას იპყრობს, როგორც ცემენტისა და ხსნარის წარმოების ინტენსიფიკაციის პრაქტიკული ტექნოლოგია. ბოლოდროინდელი კვლევები აჩვენებს, რომ ულტრაბგერით დამუშავებას შეუძლია გააუმჯობესოს ნაწილაკების დისპერსია, გაააქტიუროს დამატებითი ცემენტური მასალები, როგორიცაა გრანულირებული ბრძმედის წიდა (GBFS), დააჩქაროს ჰიდრატაცია, გააუმჯობესოს ფოროვანი სტრუქტურა და მნიშვნელოვნად გაზარდოს ადრეული სიმტკიცე.

უფრო მაღალი საექსპლუატაციო მახასიათებლების მქონე წიდაშერეული ცემენტი და ხსნარი მძლავრი ულტრაბგერის გამოყენებით

ცემენტის წარმოებასა და ხსნარის დამზადებაში ერთ-ერთი მთავარი ტექნიკური გამოწვევა დამატებითი ცემენტური მასალების ეფექტური გამოყენებაა. გრანულირებული ბრძმედის წიდა, ანუ GBFS, ფართოდ გამოიყენება კლინკერის შემცველობის შესამცირებლად და მდგრადობის გასაუმჯობესებლად. თუმცა, წიდის მსხვილი ან აგლომერირებული ნაწილაკები ხშირად ნელა რეაგირებენ, რაც ზღუდავს ადრეული სიმტკიცის განვითარებას. ულტრაბგერითი დამუშავება პერსპექტიული გამოსავალია: ის იყენებს მაღალი ინტენსივობის აკუსტიკურ კავიტაციას აგლომერატების დასაშლელად, ნაწილაკების დასაქუცმაცებლად და ცემენტის მატრიცაში რეაქციისუნარიანი კრისტალიზაციის ჩანასახების წარმოქმნის ადგილების რაოდენობის გასაზრდელად.

რატომ არის მნიშვნელოვანი ულტრაბგერითი დამუშავება ცემენტის ჰიდრატაციისთვის

ულტრაბგერითი დამუშავების უპირატესობა მდგომარეობს მის უნარში, პირდაპირ იმოქმედოს ნაწილაკთა სისტემაზე ადრეული ჰიდრატაციის წინ და მის დროს. ცემენტის სუსპენზიაში ულტრაბგერითი კავიტაცია ქმნის ლოკალიზებულ ძვრის ძალებს, მიკროჯეტებს და წნევის რხევებს. ეს ეფექტები ხელს უწყობს აგლომერატების დაშლას, მცირე ნაწილაკების გაფანტვას და ახალი მინერალური ზედაპირების გამოვლენას.
ცემენტისა და ხსნარის მწარმოებლებისთვის ეს მნიშვნელოვანია, რადგან ჰიდრატაცია დიდწილად ზედაპირზე მიმდინარე პროცესებზეა დამოკიდებული. უკეთეს დისპერსიასა და უფრო მცირე რეაქციისუნარიან ნაწილაკებს შეუძლია გაზარდოს კონტაქტი წყალს, კლინკერის ფაზებსა და წიდის ნაწილაკებს შორის. ამან შეიძლება გამოიწვიოს სითბოს უფრო სწრაფი გამოყოფა, ადრეული გამაგრების გაუმჯობესება და უფრო მკვრივი მიკროსტრუქტურა.
წიდაშერეულ სისტემებში ულტრაბგერითი დამუშავება განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია, რადგან GBFS ხშირად საჭიროებს აქტივაციას. GBFS ნაწილაკების ულტრაბგერითი ფრაგმენტაცია – ე.წ. სონოფრაგმენტაცია – ამცირებს ნაწილაკების ზომას, განსაკუთრებით 125–250 μm ფრაქციაში.

ულტრაბგერითი დამუშავების მთავარი უპირატესობები ცემენტისა და ხსნარის წარმოებაში

მძლავრი ულტრაბგერა რამდენიმე გზით უწყობს ხელს სამრეწველო ცემენტისა და ხსნარის წარმოებას:

• ნაწილაკების დისპერსიის გაუმჯობესება: ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს ცემენტის, წიდისა და წვრილი მინერალური ნაწილაკების უფრო თანაბრად განაწილებას პასტაში ან ხსნარის ნარევში.
• აგლომერაციის შემცირება: ულტრაბგერით დამუშავებას შეუძლია დაშალოს ნაწილაკების კლასტერები და შეაფერხოს ხელახალი აგლომერაცია შერევის დროს.
• მარცვლების დაწვრილება: წიდის უფრო მსხვილი ნაწილაკები შეიძლება დაიქუცმაცოს უფრო წვრილ ფრაქციებად, რაც ზრდის ხელმისაწვდომი ზედაპირის ფართობს.
• კრისტალიზაციის ჩანასახების წარმოქმნის მეტი ადგილი: დაქუცმაცებული GBFS ნაწილაკები შეიძლება მოქმედებდეს როგორც ჰიდრატაციის პროდუქტების კრისტალიზაციის ჩანასახების წარმოქმნის ცენტრები ცემენტის მატრიცაში.
• ჰიდრატაციის დაჩქარება: უკეთესმა დისპერსიამ და გახსნილმა ზედაპირებმა შეიძლება გაზარდოს ჯამური სითბოს გამოყოფა და დააჩქაროს ადრეული გამაგრება.
• უფრო მაღალი ადრეული სიმტკიცე: ულტრაბგერით დამუშავებულმა წიდაშერეულმა ცემენტის პასტებმა შეიძლება აჩვენოს კუმშვისა და ღუნვის სიმტკიცის მნიშვნელოვანი ზრდა უკვე ორი დღის შემდეგ.
• მიკროსტრუქტურის გაუმჯობესება: ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება გაზარდოს ნანოფორიანობის მაჩვენებლები და შეცვალოს ფოროვანი სტრუქტურა, განსაკუთრებით 2–10 nm ზომის ფორების დიაპაზონში.

მძლავრი ულტრაბგერითი დამუშავების (PUS) გავლენა ჰიდრატაციის პროცესში მყოფი ცემენტის პასტების ულტრაბგერითი იმპულსის სიჩქარეზე

უფრო სწრაფი შეკვრა და ადრეული სიმტკიცე ასაწყობ ბეტონში მძლავრი ულტრაბგერის გამოყენებით

Ch. Rößler-ის ნაშრომი “Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes” იკვლევს პორტლანდცემენტის პასტებს, რომლებიც დამზადებულია CEM I 42,5 R-ის საფუძველზე, w/c შეფარდებით 0,37 და 0,1% პოლიაკრილატის სუპერპლასტიფიკატორით. კვლევაში გამოიყენებოდა Hielscher UIP1000hd სონიკატორი გამდინარე სისტემაში, რათა შეფასებულიყო, შეძლებდა თუ არა მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა ჰიდრატაციის აჩქარებას, დენადობის გაუმჯობესებას, შეკვრის დროის შემცირებას და ადრეული სიმტკიცის ზრდას.
შედეგები აჩვენებს, რომ მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა (PUS) აჩქარებს ჰიდრატაციის ძირითად პერიოდს. ტემპერატურული მრუდი აჩვენებს ჰიდრატაციის უფრო ადრეულ პიკს, ხოლო ხუთი საათის შემდეგ მიღებულ მიკროსტრუქტურულ გამოსახულებებზე ულტრაბგერით დამუშავებულ პასტაში უფრო დიდი C-S-H ფაზები ჩანს, ვიდრე საკონტროლო ნიმუშში.
მიღებული ძირითადი უპირატესობები:

• უფრო მაღალი დენადობა: პასტის კონუსის ჯდენა საკონტროლო პასტის 122 mm-დან PUS-ით დამუშავების შემდეგ 158 mm-მდე გაიზარდა.
• უფრო სწრაფი შეკვრა: შეკვრის დაწყების დრო შემცირდა 5 h 15 min-დან 3 h 45 min-მდე, ხოლო შეკვრის დასრულების დრო – 6 h 45 min-დან 4 h 30 min-მდე.
• აჩქარებული გამაგრება: ულტრაბგერითი იმპულსის სიჩქარემ აჩვენა დაახლოებით 2 საათით უფრო სწრაფი გამაგრება.
• უფრო მაღალი ადრეული სიმტკიცე: PUS-ით დამუშავებული ცემენტის პასტისგან დამზადებულმა ხსნარის პრიზმებმა აჩვენა გაზრდილი კუმშვის სიმტკიცე პირველი 24 საათის განმავლობაში.
• ტექნოლოგიურ-ეკონომიკური პოტენციალი: ავტორების შეფასებით, ცემენტის პასტაზე დაახლოებით 10 kWh/m³ ენერგიის მიწოდებას შეეძლო შეკვრისა და ადრეული სიმტკიცის მიღწევის დაახლოებით ორი საათით დაჩქარება, ბეტონზე მითითებული ღირებულებით ≤ 1 Euro/m³.
• შემცირებული დანამატების მოთხოვნა: რადგან PUS-მა გაზარდა დენადობა, ავტორებმა დაასკვნეს, რომ სუპერპლასტიფიკატორის დოზა პოტენციურად შეიძლებოდა შემცირებულიყო.

ეს შედეგები განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ასაწყობი ბეტონის წარმოებისთვის, სადაც უფრო სწრაფმა შეკვრამ და ადრეულმა სიმტკიცემ შეიძლება შეამციროს ყალიბში დაყოვნების დრო, გათბობის საჭიროება და წარმოების ციკლის ხანგრძლივობა.

ჩვეულებრივი მეთოდით და მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენებით მომზადებული C + S პასტების ვიკერსის სისალე და დრეკადობის მოდული 28 d-ის შემდეგ.
გრაფიკები და ნაშრომი: ©Lisowski et al. 2024.

უფრო მაღალი ადრეული სიმტკიცე GBFS-შერეულ ცემენტის პასტაში

ცემენტისა და ხსნარის სამრეწველო გამოყენებისთვის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი შედეგი ადრეული სიმტკიცის გაუმჯობესებაა. Lisowski et al. (2024)-ის თანახმად, 20% დალექილი GBFS-ის შემცველი ცემენტის პასტების იმპულსურმა ულტრაბგერითმა დამუშავებამ ორი დღის შემდეგ მნიშვნელოვნად უფრო მაღალი სიმტკიცე უზრუნველყო. დაფიქსირებულმა ზრდამ კუმშვის სიმტკიცეში 132%-მდე, ხოლო ღუნვის სიმტკიცეში 58%-მდე მიაღწია.
ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ასაწყობი ბეტონისთვის, მშრალი სამშენებლო ხსნარებისთვის, სარემონტო ხსნარებისთვის, ფილების წებოებისა და სხვა ცემენტური პროდუქტებისთვის, სადაც ყალიბიდან ადრეული ამოღება, ადრეულ ეტაპზე გადაადგილებისთვის საკმარისი სიმტკიცე ან მშენებლობის სწრაფი წინსვლა ეკონომიკურად მნიშვნელოვანია.
სიმტკიცის ზრდა კორელირებდა გამაგრების ჯამური სითბოს ზრდასთან, რაც მიუთითებს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება არა მხოლოდ ფიზიკურ დისპერსიას აუმჯობესებს, არამედ აძლიერებს ადრეულ ჰიდრატაციასაც. პრაქტიკული თვალსაზრისით, ეს ნიშნავს, რომ მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა შეიძლება დაეხმაროს მწარმოებლებს, უფრო ეფექტურად გამოიყენონ წიდა ადრეულ ეტაპზე საექსპლუატაციო მახასიათებლების გაუარესების გარეშე.

ცემენტ-GBFS პასტის C + S ნიმუშის SEM გამოსახულებები, რომლებიც ადარებს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენებისა და მის გარეშე მიღებულ შედეგებს 28d-ის შემდეგ.
გამოსახულებები და ნაშრომი: ©Lisowski et al. 2024.

სონოფრაგმენტაცია უფრო სასარგებლო ხდის წიდის მსხვილ ფრაქციებს

განსაკუთრებით ღირებული შედეგია GBFS-ის შედარებით მსხვილი ფრაქციების ეფექტური აქტივაცია. კვლევამ აჩვენა, რომ წიდის 125–250 μm ფრაქციამ უზრუნველყო საუკეთესო ადრეული და 28-დღიანი სიმტკიცე დალექილი წიდის ნაწილაკების გამოყოფასა და მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით დამუშავებასთან კომბინაციაში.
ეს სამრეწველო თვალსაზრისით მნიშვნელოვანია, რადგან წიდის ძალიან წვრილად დაფქვა ენერგოტევადია. თუ ულტრაბგერითი დამუშავება გააუმჯობესებს GBFS-ის უფრო მსხვილი ან დალექილი ფრაქციების რეაქციისუნარიანობას, მწარმოებლებს შეეძლებათ შეამცირონ დაფქვის საჭიროება, გაზარდონ ნედლეულის გამოყენების ეფექტურობა და უკეთ გამოიყენონ მეორადი მასალის ნაკადები.

გაიგეთ, როგორ უწყობს ხელს ულტრაბგერითი დისპერსია ნანოარმირებული ცემენტის ხსნარების წარმოებას!

სამრეწველო მნიშვნელობა: მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა ცემენტისა და ხსნარის ეფექტური წარმოებისთვის

ცემენტისა და ხსნარის სამრეწველო მწარმოებლებისთვის ულტრაბგერითი დამუშავება რამდენიმე სტრატეგიულ უპირატესობას იძლევა. ის შეიძლება ინტეგრირებული იყოს, როგორც პროცესის ინტენსიფიკაციის ეტაპი სუსპენზიის მომზადების, შემკვრელი მასალის აქტივაციის, დანამატების დისპერსიის ან მაღალი საექსპლუატაციო მახასიათებლების მქონე ხსნარის შერევის დროს. ეს ტექნოლოგია განსაკუთრებით მიმზიდველია პროდუქტებისთვის, რომლებიც დამოკიდებულია წვრილი ნაწილაკების განაწილებაზე, სწრაფ ჰიდრატაციასა და დამატებითი ცემენტური მასალების ოპტიმალურ გამოყენებაზე.

• უფრო მაღალი ადრეული სიმტკიცე კლინკერის შემცველობის გაზრდის გარეშე
• GBFS-ისა და სხვა ცემენტის დამატებითი მასალების უკეთესი აქტივაცია
• მსხვილი ან დალექილი შლაკის ფრაქციების უკეთესი გამოყენება
• აგლომერაციის შემცირება ცემენტის სუსპენზიებში
• ჰიდრატაციისა და გამაგრების უფრო თანაბარი ქცევა
• შლაკის ზოგიერთი ნაკადისთვის დაფქვის ინტენსივობის პოტენციური შემცირება
• დაბალკლინკერიანი და დაბალნახშირბადოვანი ცემენტის ფორმულირების უკეთესი ეფექტურობა

ეს ულტრაბგერით დამუშავებას განსაკუთრებით მნიშვნელოვანს ხდის მდგრადი ცემენტის, შლაკიანი ცემენტის, მაღალეფექტური სამშენებლო ხსნარების, ასაწყობი ელემენტების, სარემონტო მასალებისა და სპეციალური სამშენებლო პროდუქტების წარმოებისთვის.

ულტრაბგერითი დამუშავება, როგორც ინსტრუმენტი დაბალნახშირბადოვანი ცემენტის ტექნოლოგიისთვის

ცემენტის მრეწველობა CO₂-ის ემისიების შემცირების მოთხოვნის წინაშე დგას და კლინკერის წილის შემცირება ამის ერთ-ერთი ყველაზე პირდაპირი გზაა. თუმცა, კლინკერის უფრო დიდი წილის GBFS-ით, ნაცარი-მტვრით, კალცინირებული თიხით ან სხვა დამატებითი ცემენტური მასალებით ჩანაცვლებამ შეიძლება შეანელოს ადრეული სიმტკიცის განვითარება. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერას შეუძლია ხელი შეუწყოს ამ შეზღუდვის გადალახვას დისპერსიის გაუმჯობესებით, ნაწილაკების აქტივაციითა და ადრეული ჰიდრატაციის დაჩქარებით.
ულტრაბგერით დამუშავებას შეუძლია შლაკიანი ცემენტის პასტები უფრო რეაქტიული და მექანიკურად უფრო მტკიცე გახადოს, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც პროცესი ოპტიმიზირებულია ნაწილაკების ზომითი ფრაქციისა და დამუშავების დროის მიხედვით. ეს კომბინაცია განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია სამრეწველო მასშტაბით შემკვრელი მასალების შემუშავებისთვის.

Hielscher სონიკატორები ცემენტის ჰიდრატაციის, სიმტკიცისა და შლაკის რეაქტიულობის გასაუმჯობესებლად

Hielscher-ის ინლაინ სონიკატორები არის მძლავრი ინსტრუმენტი ცემენტის ჰიდრატაციისა და სიმტკიცის გასაუმჯობესებლად, განსაკუთრებით შლაკის შემცველ ცემენტურ სისტემებში.
ცემენტის სამრეწველო დეაგლომერაციისა და დისპერგირებისთვის Hielscher-ის მაღალეფექტური სონიკატორები უზრუნველყოფენ ინტენსიურ კავიტაციურ ძვრას, რომელიც საჭიროა ცემენტის, შლაკისა და მინერალური შემავსებლის აგლომერატების წვრილად დისპერსირებულ ნაწილაკებად დასაშლელად. ეს აუმჯობესებს ნაწილაკების დასველებას, ზედაპირის აქტივაციასა და ცემენტის სუსპენზიების ერთგვაროვნებას. Hielscher-ის სისტემები ხელმისაწვდომია ლაბორატორიულ მაგიდაზე დასადგმელი და საპილოტე დანადგარებიდან გამძლე, მაღალი წარმადობის საწარმოო სისტემებამდე, მათ შორის მაღალი სიმძლავრის ინლაინ სონიკატორები ცემენტის საინექციო ხსნარისა და მინერალური სუსპენზიების უწყვეტი დამუშავებისთვის. ეს საშუალებას იძლევა, პროცესი კვლევისა და განვითარების ეტაპიდან პირდაპირ სრულ სამრეწველო წარმადობამდე მასშტაბირდეს. საფქვავი სხეულების საჭიროების აღმოფხვრით ან შემცირებით ულტრაბგერითი დეაგლომერაცია ამარტივებს დამუშავებას, მინიმუმამდე ამცირებს დაბინძურების რისკებს და ამცირებს გაწმენდისთვის საჭირო ძალისხმევას, ამავდროულად კი უზრუნველყოფს დისპერსიის განმეორებად ხარისხს. ამგვარად, ცემენტისა და სამშენებლო ხსნარების მწარმოებლებს Hielscher-ის სონიკატორები სთავაზობს პრაქტიკულ გზას უფრო ერთგვაროვანი შემკვრელი სისტემების მისაღებად, ჰიდრატაციის კინეტიკის გასაუმჯობესებლად, GBFS-ისა და სხვა დამატებითი ცემენტური მასალების უკეთ გამოსაყენებლად და უფრო მაღალეფექტური დაბალკლინკერიანი შედგენილობების შესაქმნელად.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გიჩვენებთ ჩვენი მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი სისტემების დამუშავების მიახლოებით წარმადობას:

დიზაინი, წარმოება და კონსულტირება – გერმანიაში შექმნილი ხარისხი

Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ცნობილია თავისი უმაღლესი ხარისხისა და დიზაინის სტანდარტებით. მდგრადობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას გვაძლევს, ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები მარტივად ინტეგრირდეს სამრეწველო ობიექტებში. Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები მარტივად უმკლავდებიან მკაცრ პირობებსა და რთულ გარემოს.

Hielscher Ultrasonics არის ISO-ს სერტიფიცირებული კომპანია, რომელიც განსაკუთრებულ ყურადღებას უთმობს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს უახლესი ტექნოლოგიებითა და გამოყენების სიმარტივით. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები შეესაბამება CE მოთხოვნებს და აკმაყოფილებს UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.

ლიტერატურა / რეფერენციები

• 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.