Contactati-ne pentru a ocupa unul dintre spatiile de mai sus
Tehnologiile secolului XXI

Măsurarea umiditătii cu ajutorul microundelor, controlul consistentei în tehnologia betoanelor

16.03.2010
Măsurarea umiditătii  cu ajutorul microundelor, controlul consistentei  în tehnologia  betoanelor
Una dintre cerintele de bază în productia modernă de betoane este consistenta uniformă a betonului, fie că este vorba de beton de transport, betoane semiuscate pentru productia de dale, pavele, betoane autocompactante sau de rezistentă ridicată pentru prefabricate; aceasta putând fi controlată prin intermediul măsurării umiditătii betonului.

Fejes István, dpl. Inginer mecanic,
Director General, MaHill ITD Ipari Fejlesztő Kft. n
Álovits László, dpl. Inginer electronist,
Director General, DIANTE Kft. n.
Măsurarea umiditătii si a consistetei betonului nu sunt importante doar din punct de vedere al calitătii betonului ci si din punct de vedere al costurilor de productie si prin aceasta au o influentă directă asupra competitivitătii companiei si sanselor acesteia de supravietuire.

Nivelul de umiditate din beton
Consistenta uniformă a betonului este una dintre cerintele de bază în tehnologiile moderne de producere si punere în operă a betoanelor. Această afirmatie este îndeosebi de hotărâtoare în cazul betoanelor autocompactante, a celor de rezistentă înaltă, a celor produse cu aditivi de generatia a patra, a celor semiumede si a celor colorate pentru productia de blocuri si dale, precum si a celor necesare pentru alimentarea tehnologiilor cu extrudare, si în cazul betoanelor folosite la pardoselile din beton executate cu utilaje de nivelare comandate cu laser.
Variatia consistentei betonului este cauzată îndeosebi de schimbarea nivelului de umiditate din agregate (în special în nisip) între două malaxări. Acest nivel de umiditate nu este constant nici măcar în cazul cel mai apropiat de cel ideal, adică în cazul statiilor turn, din cauza alimentării cu material proaspăt. Cantitatea de apă introdusă în beton prin intermediul agregatelor influentează hotărâtor raportul de apă-ciment, rezistenta finală a betonului si nuanta betoanelor colorate. În timp ce precizia de dozare teoretică la sistemele de alimentare cu agregate moderne este de ±0,5%, din cauza fluctuatiilor de umiditate, această valoare creste în practică până la ±2,0%. Solutia la aceste probleme este măsurarea continuă si precisă a continutului de umiditate în agregate.

De ce este importantă măsurarea umiditătii?
În acele statii de betoane unde există posibilitate de măsurare a umiditătii, consistenta betonului este determinată doar de operator. În realitate acesta, în urma observatiilor efectuate (vizual sau prin probe luate manual din beton) corectează doar cantitatea de apă din retetă, dar nu modifică si cantitatea de agregate. Adică, operatorul modifică cantitatea de apă până când se obtine consistenta dorită. Este de la sine înteles că în acest caz fractiunea 0-4 (nisipul), care retine cea mai mare cantitate de apă, nu este compensată în concordantă cu continutul de umiditate. Este important de mentionat si faptul că de obicei este luată în considerare doar umiditatea din nisip, cu toate că si fractiunile mai mari pot avea un nivel de umiditate destul de ridicat, în special agregatele spălate - din măsurătorile efectuate în laborator nivelul de umiditate din acestea poate atinge chiar si 10-30% din umiditatea nisipului.

În concluzie dacă nu se măsoară umiditatea, sau dacă este corectată doar cantitatea de apă, eroarea va fi multiplă - vom modifica proportia materialelor solide (ciment si agregate) si a aditivilor din compozitia granulometrică stabilită în retetă si vom produce în realitate o cantitate mai mică de beton, deoarece cantitatea de nisip introdusă este mai mică. De exemplu în cazul unei umidităti de 8% din nisip (800kg/mc), la o productie de 6 mc de beton cantitatea reală va fi cu 400 kg mai putin, ceea ce este egal cantitatea de nisip din 1/2 mc beton.

Corectarea umidităti
În cazul în care statia de betoane nu este echipată cu sisteme de măsurare a umiditătii, atunci solutia ar fi folosirea "corectării umiditătii" si nu "corectarea cantitătii de apă".  Acesta se poate realiza la statiile automatizate din programul de productie, de obicei prin două modalităti.
Prima variantă este ca operatorul să stabilească valoarea umiditătii din agregate la începutul zilei (bazându-se pe experienta proprie) si să introducă cifrele în programul de productie în forma procentuală, urmând ca pe parcurs, dacă este necesar, să modifice această valoare.
A doua variantă este ca operatorul să modifice valoarea umiditătii, până când cantitatea de apă corectată de către program va fi egală cu cantitatea de apă care ar fi fost introdusă de el. În acest mod cantitatea de apă este modificată în acelasi fel ca si în cazul obisnuit, dar în acelasi timp programul va realiza si corectarea cantitătii nisipului.

Corectarea umiditătii aduce cu sine o multime de avantaje, printre care:
  • Corectarea în timp real a greutătii materialului pentru compensarea cantitătii de apă introdusă în amestec împreună cu agregatele, obtinând astfel mentinerea la o valoare constantă a masei materialului uscat, si mentinerea procentului agregate/ciment.
  • Controlul cantitătii de apă introdusă în amestec, mentinând astfel procentul de apă/ciment si în acelasi timp asigurând o punere în operă uniformă a betonului proaspăt.
  • În cazul betoanelor colorate se poate asigura aceeasi nuantă de culoare la fiecare malaxare.

Procedee de măsurare
Modalitatea cea mai sigură de stabilire a nivelului de umiditate în nisip este măsurarea prin uscare în conditii de laborator, aceasta necesitând o perioadă mai lungă de timp dar furnizează cele mai precise rezultate.
Pentru măsurarea continuă a nivelului umiditătii însă este nevoie de instrumente de măsurare.
Vom descrie pe scurt principiul de functionare al metodelor de măsurare, care se bazează pe capacitatea electrică a unei celule-condensator (în cazul nostru o cantitate de nisip compactată prin vibrare într-un recipient închis cu volum cunoscut) care depinde de constanta dielectrică relativă a materialului continut. Măsurarea umiditătii este posibilă deoarece constanta dielectrică absolută a apei este 80, iar pentru restul componentelor este sub 5. Capacitatea electrică, prin intermediul constantei dielectrice este în strânsă legătură cu nivelul de umiditate din material. Măsurarea umiditătii folosind acest principiu este influentată însă de mai multi factori externi. Valoarea măsurată depinde de temperatură, compactarea nisipului, precum si în mică parte de restul parametrilor nisipului (de ex. magnetism). Din acest motiv aceste instrumente, pornind de la o operatiune de calibrare, arată concordanta dintre condensatorul test si umiditate. Adică, în practică, este necesară măsurarea în mai multe puncte a curbei capacitate electrică-umiditate, pentru ca valorile rezultate să fie relevante. Instrumentele mai ieftine din această categorie folosesc o curbă non-lineară, dar variantele mai scumpe deja contin un microprocesor capabil de linearizarea măsurătorilor.

Măsurarea umiditătii cu microunde, considerată cea mai modernă solutie, se bazează pe proprietatea moleculelor de apă de a rezona la anumite frecvente sub influenta câmpului electromagnetic. (Acest efect este folosit si în cuptoarele cu microunde prin folosirea energiei absorbite de moleculele de apă). Amplitudinea si frecventa microundelor variază în functie de umiditatea materialului, acestea fiind înregistrate de instrumentul de măsurare cu o precizie de 0,1%, datorită evolutiei rapide în dezvoltarea componentelor electronice care procesează semnalul.

De ce să alegem măsurarea cu microunde?
 Când dorim să măsurăm nivelul de umiditate cu ajutorul microundelor, de fapt încercăm să determinăm numărul de molecule de apă din material. Molecula de apă, cu cei doi atomi de hidrogen cu sarcină pozitivă poate fi considerat ca un dipol electric. În cazul în care este introdus într-un câmp electromagnetic variabil atunci se va pozitiona în concordantă cu acest câmp asemănător unui magnet. Însă în cazul în care asupra sa actionează un câmp electromagnetic variabil atunci reactia va fi în functie de viteza de schimbare a acestui câmp. Într-un câmp care variază lent (radiatii de frecventă joasă) molecula de apă se va va putea pozitiona conform câmpului electromagnetic. La frecvente foarte înalte, schimbările sunt atât de rapide încât molecula de apă nu va reusi să reactioneze, în cazul frecventelor intermediare (ca de exemplu în cuptoarele cu microunde) încă reuseste să urmeze variatiile câmpului, dar în cazul schimbării rapide va intra în rezonantă si va emite energie (în cazul cuptorului va încălzi alimentele). Acest fenomen este în strânsă legătură cu constanta dielectrică a apei (constanta dielectrică este proprietatea materialelor de a stoca sau de a elibera energie electrică în cazul în care asupra sa actionează un câmp electromagnetic variabil).

Măsurarea constantei dielectrice la o anumită frecventă poate fi utilizată deci pentru stabilirea nivelului de umiditate (deoarece constanta dielectrică a apei este cu o ordine de mărime mai mare decât cea a nisipului sau betonului). Teoretic se trece prin material un fascicul de microunde de frecventă înaltă (10GHz) si cu ajutorul unui receptor se măsoară cantitatea de energie pierdută. În practică însă au fost introduse cu succes unitătile cu un singur cap de măsurare dezvoltate de Hydronix, în cazul cărora emitătorul generează microunde de frecventă mult mai joasă (800 MHz) si antena aflată în acelasi cap măsoară semnalul reflectat. Sistemul Hydronix, spre deosebire de alte sisteme, lucrează cu frecvente variabile si putere joasă, si măsoară atât diferentele de amplitudine cât si deplasările frecventei. Folosirea puterii joase este permisă de faptul că sistemul lucrează la frecventa de rezonantă. În cazul în care nivelul de umiditate creste, vor creste atât frecventa cât si amplitudinea (cresterea frecventei de rezonantă înseamnă scăderea amplitudinii). Avantajul acestei metode este că măsurătorile nu depind de grosimea stratului de material aflat pe senzor, astfel că poate fi folosit în silozuri, malaxoare si benzi transportoare. Pentru a proteja mecanic unitatea, senzorul este situat sub o placă ceramică -  placa de ceramică este materialul ideal pentru acest caz, deoarece din punct de vedere al microundelor este "transparent", dar în acelasi timp este foarte rezistent la coroziune. Semnalul analog obtinut prin acest procedeu este conditionat si linearizat de către un microprocesor încorporat în sonda de măsurare, astfel că semnalul de iesire este proportional cu nivelul de umiditate.
Tehnologia măsurării cu microunde este dezvoltată în continuu si în prezent, în acest proces Hydronix ocupând pozitia de lider. Între timp au aparut sondele de măsurare digitale, care fac posibilă o măsurare mai precisă într-un interval mai larg si usurează prelucrarea semnalelor de iesire si a procedeelor de calibrare.

Măsurarea umiditătii în practică
În cazul statiilor de betoane măsurarea umiditătii se poate face si cu ajutorul unor instrumente manuale, care pot afisa nivelul de umiditate după introducerea unei sonde în material. Această operatiune trebuie însă repetată în mai multe puncte, deoarece umiditatea materialului de obicei nu este uniformă. Trebuie stiut faptul că nisipul poate retine cca. 10% apă, cantitatea de apă care depăseste această valoare se va scurge din buncărele de stocare. Această informatie  este importantă, deoarece nici un sistem de măsurare a umiditătii nu poate determina cantitatea totală de apă! Astfel apa ajunge în cântarul de agregate si apoi în malaxor. În acest moment devine foarte importantă măsurarea umiditătii, aceasta realizându-se cu ajutorul unor sonde încorporate.

În alegerea sondelor (senzorilor) de măsurare a umiditătii trebuie avute în vedere următoarele criterii:
  • Senzorul trebuie să fie suficient de robust pentru a rezista actiunii corozive a nisipului, dar în acelasi timp trebuie să asigure un montaj simplu si fiabil.
  • Conexiunea dintre sondă si sistemul de operare să fie usor de realizat, sonda să detină protocoale de comunicare uzuale
  • Posibilitate de calibrare usoară si sigură (chiar si cea mai precisă sondă de măsurare este inutilă fără calibrare)
  • Să fie asigurat service si consultantă continuă, pentru a fi posibilă o productie  neîntreruptă

    Măsurarea automatizată a umiditătii ridică două întrebări importante: 
  • Pozitionarea corectă a sondelor de măsurare 
  • Alegerea corespunzătoare a algoritmului sistemului de control pentru obtinerea de date de măsurare corecte.
Pozitionarea sondelor de măsurare este foarte importantă. Pentru aceasta producătorii oferă mai multe variante, dar pozitia corectă trebuie adaptată la specificul fiecărei statii de betoane în parte.

Un exemplu concret din practică pentru exemplificare:
În statiile de betoane destinate productiei de beton de transport buncărele de agregate sunt echipate cu câte două guri de golire (pentru dozare grosieră si fină). Întrebarea este unde trebuie pozitionată sonda de măsurare. Dozarea grosieră respectiv cea fină, vor doza cantităti diferite de nisip, deci pe banda transportoare se vor forma două grămezi de material de înăltime diferită. Din punct de vedere al măsurării umiditătii problema poate fi formulată în felul următor: în care dintre grămezi să se facă măsurătoarea si în ce moment. Noi am ales varianta de măsurare în grămada de material de sub gura de dozare grosieră, pentru că astfel în oricare dintre cazuri senzorul va fi în contact cu materialul. Probele de măsurare se vor lua în continuu si după calcularea valorilor medii si filtrarea digitală a rezultatelor, datele obtinute se folosesc în momentul trecerii de la dozarea grosieră la cea fină. Programul stabileste imediat corectiile de cantitate necesare si în momentul dozării fine a agregatelor deja se folosesc valorile corectate. Corectia se aplică bineînteles si în cazul dozării apei de malaxare.

Programul poate efectua calculul corectiilor în timp foarte scurt, astfel este posibilă repetarea acestui algoritm chiar si în cazul dozării cantitătii de corectie, pentru că, să nu uitam, că si acesta contine apă.

Controlul consistentei

Instrumentele mai avansate (asa numitele computere de dozare apă, sau sisteme de măsurare a consistentei) nu măsoară umiditatea doar în buncărele de dozare agregate ci si în malaxor, si pot realiza în mod automat dozarea de apă în functie de valorile obtinute.
Aceste sisteme măsoară umiditatea cu ajutorul unor sonde situate în partea laterală sau fundul malaxorului, sau în cazul sistemelor Hydronix există posibilitatea montării unui senzor care se învârte în malaxor deodată cu lopetile de malaxare (sonda "orbiter").

Aceste "computere de dozat apa" comunică printr-un port serial cu calculatorul de comandă al statiei de betoane. Fluxul de informatii dintre acestea este stabilit într-un procol, adică comunicatia se desfăsoară conform unui dialog bine definit.
Ne putem însă întreba: ce parametri sunt ceruti de către computerul de dozat apa de la calculatorul statiei?
  • Codul retetei: este folosit la identificarea curbei de calibrare introduse anterior
  • Cantitatea de produs: de obicei se exprimă prin procent din volumul malaxorului 
  • Cantitatea de ciment cântărită: exprimă în kilograme cantitatea de ciment dozat în malaxor 
  • Procentul apă/ciment 
  • Cantitatea de apă initială (dacă există): este cantitatea de apă care este dozată de către calculatorul statiei. Cu stabilirea acestui parametru se poate mări viteza de productie, deoarece această cantitate de apă nu trebuie dozată printr-un contor de apă de către calculatorul de dozare.

Algoritmul folosit contine si comanda de începere a măsurării umiditătii în materialul uscat, deoarece această informatie este "stiută" doar de calculatorul de comandă al statiei.
Comunicatia sigură este ajutată si de unele mesaje de eroare transmise către operator (ca de exemplu: prea multă apă, apă insufientă, etc)
Aceste sisteme de măsurare a consistentei pornesc procesul prin stabilirea umiditătii materialului uscat din malaxor (malaxare uscată), apoi luând în considerare procentul de apă/ciment încep dozarea apei prin contorul de apă de precizie ridicată. În acest moment începe malaxarea umedă, al cărei scop este realizarea de beton de consistentă omogenă, conform retetei date. Acest ciclu necesită însă o perioadă de timp destul de lungă, deoarece instrumentul va astepta pentru atingerea unei valori de umiditate constante situate în intervalul de tolerantă, urmând să dea semnalul de golire al malaxorului către calculatorul statiei.

Ca urmare aceste calculatoare sunt capabile, după efectuarea calibrărilor, de obtinerea constantă a unei consistente prestabilite. Pentru aceasta însă au nevoie de un interval de timp destul de lung (chiar si 70-100 secunde). Din aceasta cauză ele pot fi folosite cu succes îndeosebi în uzinele de prefabricate din beton, unde timpul de malaxare este mai lung (în multe cazuri chiar si peste 60 de secunde). În statiile de betoane destinate producerii de betoane de transport însă sunt necesare procedee mai simple, dar mai rapide.

Costuri

Teoretic prin folosirea de agregate uscate, calitatea betonului poate fi controlată foarte usor.
Este usor de realizat însă că este mai eficient din punct de vedere financiar investitia într-un sistem de măsurare a umiditătii decât mentinerea în stare uscată a agregatelor.
În practică dacă introducem în beton cu 10 l/mc mai multă apă (sau umiditate din agregate) decât cea prestabilită se va ajunge la o tasare mai mare cu 25 mm, o scădere a rezistentei la compresiune cu 2N/mmc, pierderea capacitătii de liere a 15 kg de ciment, mărirea porozitătii cu 50%, mărirea cu 10% a tendintei de contractie si scăderea cu 20% a rezistentei la înghet. Fără folosirea de sisteme de control al umiditătii, compensarea acestei cantităti este posibilă doar prin dozarea suplimentară a componentelor. Metode de stabilire a consistentei prin probe, conduce la malaxarea unei cantităti mai mari de material, implicit la consum mai mare de energie.

Prin controlul consistentei însă se poate mări precizia de dozare de la ±2.0% la ±0.5%, folosind astfel, pentru obtinerea clasei de betoane dorite, cantităti mai reduse de materiale componente. În concluzie, folosirea sistemelor de măsurare a consistentei conduc la o reducere spectaculoasă si imediată a cheltuielilor. Economiile făcute vor fi vizibile deja după câteva luni de utilizare prin scăderea cantitătii de ciment si aditivi (în unele cazuri coloranti) folosit si scăderea cantitătii de betoane de calitate scăzută, fără a mentiona avantajele obtinute în urma recunoasterii pe piată a calitătii produselor fabricate.

Concluzie

În prezent productia modernă de betoane necesită măsurarea si corectarea continuă a umiditătii în cazul betoanelor de transport, adică controlul consistentei betonului în uzinele de prefabricate armate. Modalitatea considerată cea mai modernă pentru stabilirea continutului de umiditate este măsurarea cu microunde, a cărui dezvoltator si lider în domeniu este firma engleză Hydronix.
Prin corectarea umiditătii nu se obtin doar parametrii doriti ai betonului (clasa, lucrabilitate, nuanta de culoare) în mod constant, dar este posibilă si realizarea de economii substantiale în productie, mărind astfel competitivitatea companiei pe piată.
Anul XII, nr. 140, oct 2017
 
 
 
Citeste-ne on-line!
 

Truck Power, Octombrie 2017
 
Truck Power, Octombrie 2017

Trenchless Romania, Mai 2017
 
Trenchless mai 2017

Supliment Carburanti & Lubrifianti, Martie 2017
 
Revista M&U - Supliment Carburanti si Lubrifianti Martie 2017
 
 
 
 

PARTENERI