رئولوژی بـتن

رئولـوژی، علم جریان‌شناسی و تغییر شکل جریان‌هاست، که برهم‌کنش بین نیروها، تغییر شکل و زمان را توصیف می‌کند. رئولوژی از واژه رئوس ( Rheos ) که واژه‌ای یونانی به معنای جریان است، اقتباس شده است. رئولوژی برای تمام مواد از گازها تا مایعات کاربردی است. علم رئولوژی حدود یک قرن سابقه دارد که برای اولین بار به علت نیاز به توصیف خواص سیالات ( fluides ) مطرح شد. اگر چسبندگی یا ویسکوزیته ( viscosité ) مقاومت در برابر جریان و الاستیسیته ( élasticité ) ساختار و پایداری ابعادی ماده را معرفی کند، می‌توان گفت که رئولوژی در واقع رفتار ویسکوز و الاستیک سیستم‌ها را به صورت مجزا و در ارتباط با یکدیگر بررسی می‌کند. سیالات را به طور کلی می‌توان به موارد طبقه بندی کرد که جریان شناسی سیالات غیرنیوتونی و ویسکوالاستیک وظیفه خطیر دانش رئولوژی است.

• سیال نیوتنی
• سیال غیر نیوتونی مستقل از زمان
• سیال غیرنیوتونی وابسته به زمان
• ویسکوالاستیک

به بـیان دیگر رئولوژی در حقیقت بررسی جریان یک ماده، عموماً در حالت سیال و یا به صورت جامد نرم و یا جامدی که رفتاری همانند یک سیال پلاستیک دارد ( یعنی سیال غیرنیوتنی )، در مقابل نیروی وارده است.
موضوع بحث دانش رئولوژی عموماً درمورد موادی است که ساختار مولکولی نسبتاً پیچیده‌ای دارند، نظیر مخلوط‌های معلق جامد در مایع (سوسپانسیون)، پلیمرها، بتن و … مکانیک جامدات وقتی یک ماده جامد تحت نیروی برشی قرار می گیرد، رفتار آن از قانون هوک تبعیت می کند:

τ = F / A

( τ تنش برشی، F نیروی اعمال شده و A سطح مقطع نمونه به موازات نیروی اعمالی است.)

مکانیک جامدات

در مکانیک جامدات، تغییر شکل نمونه از رابطه زیر تعیین می شود:

τ = G ɣ

که G مدول برشی یا مدول سختی و ɣ کرنش برشی نمونه است.

این موضوع تقریبا پذیرفته شده است که مخلوط‌های معلق جامد در مایع نسبتاً غلیظ رفتاری شبیه سیالیت غیر نیوتنی دارند و از همین موضوع می‌توان فهمید که بتن یک سیال غیر نیوتنی است و گرانروی آن با نرخ کرنش وارد بر آن تغییر می‌کند؛ در نتیجه سیالاتی همچون بتن، فاقد گرانروی معین هستند.

بنابراین روانی و جریان بتن با حداقل دو مشخصه تعیین می شود:

• تنش تسلیم: بتن در برابر جاری شدن مقاومت اولیه نشان می دهد که معقوله‌ای بسیار مهم است.
• لزجت پلاستیک: که تعیین کننده رفتار بتن بعد از روانی و جاری شدن است.

تنش جاری به عنوان یکی از معیارهای اصلی رئولوژی معرفی شده است. تنش جاری مصالح بر پایه سیمان با گذشت زمان افزایش می‌یابد. علت این امر را می‌توان ناشی از تشکیل ژل  C-S-Hدر سطح تماس ذرات سیمان با یکدیگر و در نتیجه لخته شدن آنها در طول بازه استراحت و قبل از زمان گیرش دانست. این افزایش تنش جاری معمولاً با استفاده از یک رابطه خطی تابع زمان، حدوداً در مدت یک ساعت اول استراحت مدل می‌گردد. اخیراً یک رابطه غیرخطی معرفی شده است که رشد تنش جاری را تا زمان گیرش تشریح می‌سازد . این تابع، تغییرات آهسته و آرام از حالت خطی اولیه افزایش رشد تنش جاری به حالت غیر خطی رشد آن را نشان می‌دهد.
این روند غیر خطی که در مطالعات مختلف مشاهده شده است؛ با افزایش محتوای جامد ماده در خمیر سیمان به دلیل تولید ژل C-S-H تشریح گریده است تا زمانی که حالت جریان ماده پایدار و ثابت است، رفتار بتن تازه را می‌توان توسط مدل‌های تنش جاری همچون مدل بینگام و یا مدل H-B تشریح کرد، با این حال بین این دو حالت پایدار (سکون و جریان ثابت) یک حالت انتقالی وجود دارد که مدل‌های تنش جاری قادر به توصیف آن نمی‌باشند و به آن ماهیت تغلیظ پذیری ماده می‌گویند؛ تعاریف مختلفی برای تغلیظ پذیری وجود دارد اما وجه مشترک همه آن‌ها عبارت است از تغییرات بازگشت پذیر و وابسته به زمان در ویسکوزیته، زمانی که سیال تحت تنش یا نرخ برشی در حال افزایش یا کاهش قرار می‌گیرد. روش‌های مختلفی برای تعیین تغلیظ پذیری وجود دارد که اغلب آنها نیازمند استفاده از دستگاه رئومتر می‌باشد.
زمان گیرش به عنوان مرز بین حالت‌های بتن تازه و بتن سخت شده درنظر گرفته می‌شود. دانش رفتار گیرش بتن تعیین‌کننده‌ی برنامه زمانی روند کار بتن از مرحله تولید تا ریختن در محل پروژه و پرداخت آن می‌باشد. در زمان هیدراتاسیون اولیه ذرات سیمان، دانه‌های جامد، تمایل به رشد و تشکیل پیوند دارند؛ این امر موجب تغییرات در خواص فیزیکی و شیمیایی می‌گردد. مقاومت و دوام بتن می‌تواند تا حد زیادی تحت اثر واکنش های شیمیایی و ریزساختار تشکیل شده در زمان گیرش باشند. بنابراین رفتار گیرش بتن و مصالح سیمانی در عملکرد بتن در فاز‌های تازه و سخت شده بسیار مهم است.

پس تا کنون متوجه شدیم که جریان بتن، حداقل با دو پارامتر یعنی تنش تسلیم و ویسکوزیته پلاستیک تعریف می‌شود. درک و کنترل این دو خاصیت بتن تازه باعث می‌شود مخلوط بتن اقتصادی‌تر و با عملکرد و کارایی مناسبی داشته باشیم. این مقاله اهمیت رئولوژی را نشان می‌دهد. رئولوژی بتن بر اختلاط، حمل و نقل، پمپاژ، تثبیت و پرداخت سطح پس از سخت شدن تأثیر می‌گذارد.

آشنایی با دستگاه رئومتر

رئومتر ابزاری است که تنش برشی و نرخ برشی نمونه را از روی خواص اساسی آن اندازه گیری می‌کند. رئومتر به دو نوع رئومتر کششی و برشی طبقه بندی می‌شود. در حالی که رئومترهای کششی تنش نرمال اعمال شده بر سیال را اندازه گیری می‌کنند و رئومتر برشی تنش برشی اعمال شده بر سیال را اندازه‌گیری می‌کند. از آنجایی که بتن تازه شامل اختلاط، حمل، پمپاژ و پرداخت تحت تنش های برشی است، رئومتر برشی در مقایسه با رئومتر کششی نتایج بهتری ارائه می‌دهد. رئومترهای برشی به دو نوع رئومتر مویرگی و رئومتر چرخشی (دورانی) تقسیم می‌شوند. برای بتن، از روش‌های رئومتر دورانی برای اندازه‌گیری واکنش بتن نسبت به خواص جریان‌پذیری استفاده می‌شود.
در روش رئومتر مویرگی، نمونه بتن تحت نیروی وارده از طریق یک لوله باریک جریان پیدا می‌کند و در روش چرخشی، نمونه بتن بین دو سطح با چرخش مداوم پره‌ها برش داده می‌شود. روش‌های چرخشی عموماً بهتر هستند و مخصوصاً برای سوسپانسیون‌های غلیظ مانند انواع ژل، خمیر سیمان و بتن کاربرد دارند.

رئومترهای چرخشی در سه دسته مختلف قرار می گیرند؛ سیلندرهای کواکسیال، صفحه موازی و صغحه مخروطی.

 : Different configuration of rotational rheometers

 Coaxial Cylinders .
 Parallel Plate .
Cone and Plate .

چندین رئومتر بتنی در صنعت موجود است و تنها تعداد کمی برای بررسی انتخاب شده‌اند. اصول کار، مزایا و محدودیت‌های برخی از رئومترها به طور خلاصه در بخش‌های بعدی مورد بحث قرار می‌گیرند.

رئومتر دو نقطه‌ای

این نوع رئومتر یکی از قدیمی‌ترین رئومترها است که توسط Tattersall در سال 1976 معرفی شد و به همین ترتیب به نام رئومتر دو نقطه ای Tattersall معروف شد؛ اصل رئومتر دو نقطه ای ساده است. پروانه در نمونه بتن تازه وارد می‌شود و با سرعت‌های مختلف در مسیرهای حرکتی گوناگون (تک‌محوری و سه بعدی) و  می‌چرخد. گشتاور در سرعت‌های مختلف با استفاده از سرعت سنج و همراه با مقدار چرخش نسبت به گشتاور با استفاده از مبدل فشار اندازه‌گیری می‌شود.

ویسکوزیته متر BML

ویسکومتر BML در سال 1987 توسط Wallevik و Gjorv در نروژ ساخته شد؛ این یک نوع رئومتر استوانه‌ای کواکسیال است و اصل مکانیزم ترکیبی از پلاستومتر و رئومتر دو نقطه‌ای است. رئومتر از استوانه داخلی ثابت و سیلندر متغیر بیرونی تشکیل شده است. بتن با سرعت برش متفاوت در بین سیلندرها برش می‌یابد. گشتاور در سیلندر داخلی اندازه گیری می‌شود زیرا سیلندر بیرونی با سرعت زاویه ای متغیر می‌چرخد.

رئومتر Btrheom

این یک مدل رئومتر از نوع صفحه موازی بوده و توسط لارارد و دیگر همکاران توسعه یافته است. شکل زیر یک طرح معمولی را نشان می‌دهد که در آن رئومتر از یک استوانه توخالی با تیغه هایی در بخش‌های مختلف تشکیل شده است و بتن در بین صفحات بریده می‌شود. یک تیغه در پایین سیلندر ثابت است و تیغه دیگر در بالای سیلندر می‌چرخد. گشتاور ناشی از مقاومت بتن بریده شده از طریق تیغه های بالایی با یک سری از سرعت‌های دوران مختلف اندازه‌گیری می‌شود.

رئومتر IBB

این رئومتر در ادامه نسل‌ رئومترهای دو نقطه‌ای است. اصل اساسی و مکانیزم، همان رئومتر دو نقطه‌ای است، اما شکل پروانه تغییر کرده است و توسط Beaupre از کانادا ساخته شده است. این یک نوع رئومتر پره‌ای است. این برای مطالعه رفتار شاتکریت با فرآیند مرطوب با کارایی بالا اختراع شده است، بعداً به مطالعه روی بتن تازه تعمیم داده شد. عملکرد اصلی رئومتر اعمال نرخ برش از طریق پره یا پروانه است که در حرکات سه بعدی در محورهای مختلف یا در یک چرخش محوری حرکت می‌کند و بتن را برش می‌دهد.

رئومتر EBT-2

این یک نوع فشرده از رئومتر است که توسط Schleibinger Testing Systems آلمان ساخته شده است. رئومتر از سیلندر قطری 260 میلی‌متر در 500 میلی‌متر تشکیل شده است. تقریباً به 20 کیلوگرم نمونه بتن نیاز دارد. سیستم اندازه‌گیری دارای دو میله است که به صورت عمودی روی دایره‌ای که از بتن عبور می‌کند نصب شده و نیرو را اندازه‌گیری می‌کند. میله‌ها در فواصل مختلف از مرکز چرخش چیده شده اند، گشتاور (0-3 نیوتن متر) و سرعت زاویه ای (0-4 متر بر ثانیه) را اندازه‌گیری می‌کند و به طور خودکار این مقادیر را بر حسب تنش تسلیم و ویسکوزیته پلاستیک تبدیل می‌کند.

رئومتر ICAR

به دلیل برخی از نقاط ضعف رئومترهای بتنی موجود، عمدتاً هزینه اولیه بالا، اندازه بزرگ و سختی در حمل‌و‌نقـل و محدودیت در دسترس بودن، کوهلر و فاولر، رئومتر ICAR را توسعه دادند. این یک رئومتر پروانه یا پره‌ای چرخان است؛ شکل زیر رئومتر ICAR را نشان می‌دهد، از ظرفی برای نگهداری نمونه، موتور الکتریکی، گشتاورسنج، درایور و تیغه تشکیل شده است. اصل کار رئومتر ICAR مانند رئومتر IBB است. تفاوت اصلی این بود که ICAR نوع قابل شرب رئومتر است و برای استفاده در این زمینه مناسب است. هم مقادیر تنش تسلیم استاتیک و هم دینامیکی و ویسکوزیته پلاستیک نمونه را در واحدهای اساسی محاسبه می‌کند؛ همچنین این نوع دستگاه قابلیت اندازه‌گیری بتن‌های دارای اسلامپ متوسط (50 تا 75 میلی متر) را دارد.

تراک میکسر به عنوان رئومتر!

برخی از پژوهشگران از میکسر بتن به عنوان رئومتر استفاده کردند؛ بسته به شرایط و فراهم نمودن تجهیزات می‌توان با محاسباتی ساده جریان‌پذیری بتن را اندازه گرفت؛ در کامیون سرعت چرخش درام مرتبط با نرخ برش در بتن است و مصرف برق یا فشار روغن مربوط به گشتاور است. نمودار فشار روغن در مقابل سرعت درام؛ پارامترهای بینگهام را فراهم می‌کند. شایان ذکر است در بچینگ‌های ساخت نیز بسته به میزان آمپر دستگاه نیز می‌توان تخمینی از نرخ برش و جریان‌پذیری بتن داشت.

نگاهی به علم رئولوژی در بتن‌های خـاص

با توجه به خواص بتن خودمتراکم، مخلوط SCC سیال‌تر از مخلوط بتن معمولی است. بنابراین روشی که توسط آن شناسایی می‌شود نیازمند یک دیدگاه متفاوت و تکنیک اندازه‌گیری جدید می‌باشد؛ با توجه به شناختی که در این مقاله از رئولوژی بتن ایجاد شده می‌توان به بررسی این موضوع پرداخت.

پارامترهای اثرگذار در رئولوژی بتن خودتراکـم