۱. مقدمه

رشد شتاب‌گرفته ساخت‌وساز، مصرف بتن‌های باکیفیت را در پروژه‌های عمرانی، صنعتی و زیربنایی چند برابر کرده است. کارفرماها و پیمانکاران دیگر فقط به «بتن ۳۵» یا «۴۰» به‌صورت عددی راضی نیستند؛ ملاک، کارایی، دوام و پایداری واقعی در بهره‌برداری است. این سطح از کیفیت، بدون تجهیزات مدرن اختلاط و خطوط بچینگ مکانیزه عملاً دست‌یافتنی نیست.

بررسی انواع همزن‌های بتنی موجود نشان می‌دهد که طراحی میکسرهای قابل‌اعتماد با حالت‌های اختلاط شدید (Intensive Mixing) همچنان یک مسئله باز در مهندسی ماشین‌آلات ساختمانی است. افزایش دوام اجزای کارگر همزن، خودکارسازی حالت‌های اختلاط و بالا بردن دقت توزین اجزاء، سه محور اصلی برای بهبود کیفیت مخلوط‌های بتنی به‌شمار می‌روند.

در این میان، تیغه‌های همزن بیشترین سایش را تجربه می‌کنند. هر تیغه یک المان چندضلعی است که کیفیت ساخت، نوع آلیاژ و فرآیند سطح‌پردازی آن تعیین می‌کند تا چه‌قدر در برابر سایش مقاوم باشد و چقدر راحت و اقتصادی تعویض شود. در پژوهش حاضر، از فناوری لایه‌نشانی جوشی آلیاژهای ضدسایش روی سطح تیغه استفاده شده و عمر تیغه‌های همزن ثقلی حدود ۱٫۲۷ برابر افزایش یافته است.

۲. مواد و روش‌ها؛ از تیغه‌های ضدسایش تا کنترل خودکار رطوبت

تولید بتن در رده‌های مقاومتی مختلف زمانی پایدار و تکرارپذیر است که «یکنواختی مخلوط» بتواند به‌طور خودکار پایش و تنظیم شود. تجهیزات بچینگ مدرن، در سطح هندسی توزین و دوزینگ، دقت قابل قبولی را در محدوده استانداردها فراهم می‌کنند؛ اما تجربه نشان داده است که حتی با رعایت تمام تلرانس‌ها، کیفیت بتن می‌تواند به‌دلیل خطای آب‌دهی یا تغییر رطوبت مصالح سنگی، دچار افت شود.

مهم‌ترین منبع نوسان، رطوبت مصالح به‌ویژه ماسه است. تغییرات رطوبت تا حدود ۱۰٪ می‌تواند کارایی و مقاومت بتن را به‌شدت تحت‌تأثیر قرار دهد؛ آب اضافه، چسب معدنی سیمان-آب را رقیق و مقاومت نهایی را کاهش می‌دهد. در حال حاضر، کنترل یکنواختی بتن معمولاً با نمونه‌گیری آزمایشگاهی انجام می‌شود؛ این روش هم زمان‌بر است و هم در دوره انتظار می‌تواند کیفیت واقعی مخلوط را پایین بیاورد.

برای حل این مشکل، در مقاله، یک زنجیره منطقی از عملیات مکانیزه و خودکار پیشنهاد شده که شامل:

• توزین خودکار اجزای جامد (شن، ماسه، سیمان) با دقت بالا،
• کنترل و تنظیم خودکار دبی و حجم آب ورودی،
• پایش پیوسته رطوبت مصالح سنگی و اصلاح لحظه‌ای طرح اختلاط،
• هماهنگی زمانی بین بارگیری، اختلاط، و تخلیه برای جلوگیری از overmixing یا undermixing.

برخی تولیدکنندگان اروپایی، مثل Stetter در آلمان و Donner در اتریش، سامانه‌های تنظیم آب را در تابلوهای کنترل مبتنی بر ریزپردازنده بچینگ پلانت‌های بتن آماده ادغام کرده‌اند تا این چرخه به‌شکل یک حلقه بسته کنترل، پیاده‌سازی شود.

۳. نتایج؛ رفتار مخلوط و سیگنال‌های ارتعاشی

مخلوط بتن، یک سیستم چندجزئی پیچیده است؛ ذرات سیمان، سنگدانه‌های درشت، آب و حباب‌های هوا، همگی در حین اختلاط در دیگ میکسر با یکدیگر درگیر می‌شوند. از لحظه‌ای که مواد اولیه وارد میکسر می‌شوند، حرکت تیغه‌ها باعث جابه‌جایی و برخورد مداوم ذرات می‌شود و بسته به شکل هندسی دیگ و آرایش تیغه‌ها، الگوی جریان متفاوتی شکل می‌گیرد.

در این جریان آشفته، نیروهای اصطکاکی و ضربه‌ای بین ذرات و همچنین بین ذرات و بدنه و تیغه‌ها ایجاد می‌شود. این نیروها ارتعاشات الاستیک تولید و به بدنه میکسر منتقل می‌کنند؛ ارتعاشاتی که همراه با نویز صوتی قابل اندازه‌گیری‌اند. ویژگی این سیگنال‌های ویبرواکوستیک، وابسته به خواص فیزیکی مخلوط است؛ به‌محض افزودن آب و تشکیل دوغاب سیمان، محیط از حالت «الاستیک خشک» به «ویسکوالاستیک» تبدیل می‌شود و امضای ارتعاشی سیستم تغییر می‌کند.

برای بهره‌برداری از این پدیده، سامانه‌ای خودتنظیم پیشنهاد شده که با نصب حسگرهای ویبرواکوستیک روی بدنه همزن اجباری، تغییرات سیگنال ارتعاشی را در طول زمان ثبت می‌کند. در این سیستم، زمان اختلاط یک متغیر ناشناخته است که به «درجه آمادگی» مخلوط بستگی دارد و عواملی مثل رطوبت ماسه، رده مقاومتی بتن و میزان سایش تیغه‌ها روی آن اثر می‌گذارند.

۴. بحث و بررسی؛ نمودار U = f(T) و نقش رطوبت

قلب این سیستم، رابطه‌ای است که بین میانگین مربعی سیگنال خروجی حسگرها (U) و زمان اختلاط (T) برقرار می‌شود. نمودار U = f(T)، که در شکل ۱ مقاله اصلی نشان داده شده، کل چرخه آماده‌سازی مخلوط را از لحظه بارگیری تا تخلیه بتن آماده نمایش می‌دهد.

در بخش‌های آغازین نمودار (۱ تا ۲)، همزن در حالت بی‌بار یا در حال اختلاط اولیه ماسه است و مقدار U در حداقل خود قرار دارد. با شروع اختلاط ماسه و سنگدانه درشت (بخش ۳ تا ۴)، برخوردهای شدیدتر باعث جهش مقدار U می‌شود. پس از افزودن سیمان و ترکیب آن با مصالح سنگی (بخش ۴ تا ۵)، دوغاب سیمان نقش میراکننده دارد و U کاهش پیدا می‌کند.

با افزودن آب، رفتار سیگنال پیچیده‌تر می‌شود؛ ابتدا یک افزایش کوتاه و سپس افت قابل‌توجه مشاهده می‌شود که معادل تشکیل خمیر سیمان و گذار محیط از حالت خشک به ویسکوالاستیک است. حدود ۴۵ ثانیه بعد از بارگیری کامل مواد، کاهش U متوقف و نمودار وارد ناحیه ارتعاشات پایدار می‌شود؛ این نقطه، لحظه رسیدن مخلوط به یکنواختی مطلوب و پایان اختلاط است.

یکی از نتایج مهم این پژوهش، ارتباط مستقیم رطوبت ماسه با زمان موردنیاز برای اختلاط است. با افزایش رطوبت ماسه، زمان اختلاط از حدود ۴۵ ثانیه به نزدیک ۳۱ ثانیه کاهش می‌یابد؛ یعنی در رطوبت بالاتر، سیستم زودتر به یکنواختی می‌رسد و ظرفیت مؤثر همزن افزایش می‌یابد. این رابطه امکان می‌دهد که کنترل‌کننده خودکار، نه‌تنها یکنواختی مخلوط، بلکه بهره‌وری خط تولید را هم بهینه کند.

۵. نتیجه‌گیری و کاربرد در صنعت

برآیند نتایج پژوهش را می‌توان در چند محور خلاصه کرد:

1. به‌کارگیری فناوری پوشش ضدسایش روی تیغه‌ها، عمر مفید تیغه همزن‌های ثقلی را حدود ۱٫۲۷ برابر افزایش می‌دهد و در نتیجه، توقفات ناشی از تعویض و هزینه نگه‌داری کاهش می‌یابد.
2. اتصال منطقی عملیات مکانیزه (توزین، بارگیری، اختلاط) و عملیات خودکار (کنترل آب و رطوبت، پایش ارتعاش) امکان تنظیم پیوسته طرح اختلاط و دستیابی به یکنواختی پایدار در بتن را فراهم می‌کند.
3. تحلیل میدان ارتعاشی و استفاده از حسگرهای ویبرواکوستیک راهی عملی برای تعیین زمان بهینه اختلاط است؛ بدون نیاز به توقف خط و انجام آزمایش‌های مکرر آزمایشگاهی.
4. این رویکرد ترکیبی، علاوه بر افزایش کیفیت مخلوط و ظرفیت مؤثر میکسر، به کاهش محسوس هزینه‌های عملیاتی کمک می‌کند؛ زیرا هم مصرف سیمان و آب هدفمندتر می‌شود و هم استهلاک تجهیزات پایین می‌آید.

برای واحدهایی مانند «آزما بتن»، پیاده‌سازی چنین سیستم‌هایی می‌تواند به معنای جهش واقعی در کیفیت بتن آماده، کاهش برگشتی‌ها و ایجاد تمایز ملموس نسبت به رقبایی باشد که هنوز با روش‌های نیمه‌دستی یا کنترل تجربی کار می‌کنند.

منابع

این مقاله با تکیه بر متن کامل مقاله «Mechanization and automation of the process of making concrete mixes» و نسخه‌های ترجمه‌شده آن تهیه شده است. برای استناد علمی دقیق، می‌توانید به منبع زیر مراجعه کنید: Kaitukov B.A. Mechanization and automation of the process of making concrete mixes, E3S Web of Conferences, Vol. 457, 01008, 2023.