امکانسنجی استفاده از تراکمیکسر بتن به عنوان رئومتر
نویسندگان: سفیان امزیان، کیارا اف. فراریس، اریک کوهلر
سال انتشار: ۲۰۰۶
مؤسسه: مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) لینک مقاله اصلی
چرا اندازهگیری روانی بتن اهمیت دارد؟
ویژگیهای بتن تازه، نقش تعیینکنندهای در عملکرد نهایی بتن سختشده ایفا میکند. برای دههها، مهندسان و کارشناسان ساختمان از آزمون ساده «اسلامپ» (ریلشدن) برای سنجش کارایی بتن استفاده کردهاند. این روش باوجود قدمت نزدیک به صد سال، تصویر کاملی از رفتار جریان بتن ارائه نمیدهد. به همین دلیل، محققان همواره به دنبال روشهای دقیقتری بودهاند.
بهترین روشهای موجود، آزمونهای رئولوژیکی هستند که دو پارامتر بنیادین «تنش تسلیم» و «ویسکوزیته پلاستیک» را اندازه میگیرند. با این حال، دستگاههای رئومتر موجود گران، پیچیده و بیشتر در آزمایشگاههای تحقیقاتی کاربرد دارند. این پژوهش پرسشی بنیادین را مطرح میکند: آیا میتوان از خود کامیون حمل بتن به عنوان یک رئومتر استفاده کرد؟
هدف پژوهش: تبدیل تراکمیکسر به ابزار سنجش روانی
هدف اصلی این مطالعه، ارزیابی امکان استفاده از یک کامیون میکسر بتن به عنوان رئومتر چرخشی بود. برای موفقیت در این کار، روش اندازهگیری باید قادر به تعیین پارامترهای بنیادین رئولوژیکی (ویسکوزیته پلاستیک و تنش تسلیم) در حین فرآیند اختلاط باشد.
پژوهشگران از یک کامیون میکسر واقعی و یک رئومتر قابل حمل به نام ICAR استفاده کردند تا ۹ طرح اختلاط مختلف بتن را بررسی نمایند. روش کار بدین صورت بود که با تغییر سرعت چرخش دیگ کامیون و اندازهگیری گشتاور ایجادشده توسط بتن، منحنی جریان به دست آید. این روش دقیقاً مشابه عملکرد یک رئومتر سنتی است: رابطه بین نرخ برش (سرعت چرخش دیگ) و تنش برشی (گشتاور) ترسیم میشود. شیب خط، ویسکوزیته پلاستیک و نقطه برخورد خط با محور عمودی، تنش تسلیم را نشان میدهد.
پیشینه تاریخی: از اسب تا هیدرولیک
مقاله مرور جذابی بر سیر تحول تراکمیکسرها ارائه میدهد. نخستین میکسر سیار در سال ۱۹۰۴ توسط ریچارد بودلندر در آلمان به ثبت رسید. این دستگاه شگفتانگیز، به جای چرخهای جلوی یک گاری اسبی، یک دیگ بزرگ داشت و حرکت گاری باعث چرخش دیگ و اختلاط بتن میشد!
سال ۱۹۲۰، اکرت بیکل اولین کامیون بتن واقعی را طراحی کرد. این وسیله نه اسب داشت و نه دیگ بخار، بلکه فرمان واقعی و موتور درونسوز داشت. دو سال بعد، چارلز بال طرح دیگ میکسر را دگرگون کرد. نکته جالب اینکه طرح پایه دیگهای میکسر امروزی تفاوت چندانی با طرحهای اوایل قرن بیستم ندارد.
نخستین ابزارهای اندازهگیری روانی بتن درون کامیون، از سال ۱۹۲۹ شروع به ثبت اختراع کردند. این ابزارها عمدتاً با اندازهگیری فشار هیدرولیک مورد نیاز برای چرخاندن دیگ کار میکردند. هرچند هیچیک از این اختراعات، نتایج را با پارامترهای بنیادین رئولوژی مرتبط نمیساختند و صرفاً به آزمون اسلامپ بسنده میکردند.
روش آزمایشگاهی: گشتاور، سرعت و نه طرح اختلاط
تیم تحقیقاتی از یک کامیون میکسر واقعی و رئومتر ICAR استفاده کرد. رئومتر ICAR یک دستگاه دستی با چهار پره بود که درون نمونه بتن فرو میرفت و در سرعتهای مختلف میچرخید. آزمایش در دو سری انجام شد:
سری اول (C10 تا C14): دیگ کامیون تا ۵۰ درصد ظرفیت پر شد. این سری شامل یک طرح شاهد (C10) و چهار طرح دیگر بود که با افزودن ماده فوقروانکننده (HRWRA) یا ماده اصلاحکننده ویسکوزیته (VMA) تغییر یافتند.
سری دوم (C20 تا C23): دیگ تا ۱۰۰ درصد ظرفیت پر شد. این سری نیز شامل طرح شاهد (C20) و سه طرح دیگر بود.
روش کار با کامیون بدین شکل بود: دیگ با بالاترین سرعت ممکن (۱۶.۶۶ دور در دقیقه) به مدت ۱۰ دور چرخید و فشار روغن ثبت شد. سپس سرعت در گامهای ۲ دور بر دقیقه کاهش یافت و در هر مرحله فشار روغن اندازهگیری شد. این اندازهگیریها منحنی فشار (مرتبط با گشتاور) بر حسب سرعت چرخش را ایجاد کردند.
یافتههای شگفتانگیز: تنش تسلیم هماهنگ، ویسکوزیته سرگردان
نتایج این پژوهش دو جنبه متفاوت داشت:
تنش تسلیم: موفقیت چشمگیر
همبستگی خوبی بین تنش تسلیم اندازهگیریشده با کامیون، رئومتر ICAR و آزمون اسلامپ مشاهده شد. افزودن ماده فوقروانکننده در هر سه روش، کاهش تنش تسلیم را نشان داد. افزودن ماده اصلاحکننده ویسکوزیته نیز در هر سه روش، افزایش تنش تسلیم و کاهش اسلامپ را به دنبال داشت. این یافته ثابت کرد کامیون به اندازه کافی حساس است تا تغییرات تنش تسلیم را تشخیص دهد.
ویسکوزیته پلاستیک: چالش اصلی
برخلاف تنش تسلیم، همبستگی معناداری بین ویسکوزیته اندازهگیریشده با کامیون و رئومتر ICAR وجود نداشت. برای نمونه، در طرح C14 که حاوی ماده اصلاحکننده ویسکوزیته بود، رئومتر ICAR افزایش ویسکوزیته را نشان داد، اما کامیون کاهش ویسکوزیته را ثبت کرد! همچنین در طرحهای C12 و C13 که فوقروانکننده بیشتری دریافت کردند، رئومتر ICAR کاهش ویسکوزیته را نشان داد، درحالی که کامیون افزایش ویسکوزیته را اندازه گرفت.
دلیل احتمالی این اختلاف، دقت پایین گیج فشار (حدود ۵۰ پوند بر اینچ مربع) و ناتوانی در اندازهگیری فشارهای کمتر از ۵۰۰ پوند بود. همچنین در سرعتهای بسیار پایین دیگ، سازه داخلی بتن فرصت بازسازی پیدا میکرد و همین پدیده باعث میشد منحنی جریان شیب منفی پیدا کند که از نظر فیزیکی ناممکن است.
حداکثر نرخ برشی درون دیگ کامیون
پژوهشگران نرخ برشی اعمالشده به بتن درون دیگ را محاسبه کردند. با در نظر گرفتن شعاع دیگ ۱.۲ متر، سرعت زاویهای ۱.۷۴ رادیان بر ثانیه و زاویه پرهها (۵۵ تا ۷۰ درجه)، سرعت مماسی پره حدود ۲.۱ متر بر ثانیه و سرعت حرکت بتن به سمت جلو حدود ۱.۱ متر بر ثانیه به دست آمد. با فرض ضخامت لایه برششده ۶ سانتیمتر، نرخ برشی حدود ۱۸.۵ بر ثانیه محاسبه شد. تخمین پژوهشگران حاکی از آن است که حداکثر نرخ برشی درون دیگ کامیون از ۳۰ بر ثانیه فراتر نمیرود.
نتیجهگیری نهایی: قدم اول برداشته شد
این پژوهش مقدماتی نشان داد که استفاده از کامیون میکسر بتن به عنوان رئومتر، شدنی و عملی است. کامیون میتواند منحنی جریان بتن را ثبت کند و به تغییرات تنش تسلیم حساسیت خوبی نشان میدهد. با این حال، برای اندازهگیری دقیق ویسکوزیته پلاستیک باید بهبودهای زیر انجام شود:
۱. نصب گیج فشار دقیقتر با قابلیت اندازهگیری فشارهای پایین (حتی زمانی که کامیون خالی است)
۲. اندازهگیری خودکار سرعت چرخش دیگ برای افزایش دقت
۳. توسعه روشهای کالیبراسیون برای تبدیل نتایج به واحدهای بنیادین
۴. محاسبه دقیقتر هندسه دیگ و پرهها برای تعیین صحیح نرخ برش
پژوهشگران تأکید میکنند این یافتهها مقدماتی است و آزمایشهای گستردهتری برای دستیابی به اندازهگیری قابل اعتماد ویسکوزیته پلاستیک لازم است. با رفع کاستیهای موجود، کامیون میکسر میتواند به ابزاری ارزشمند برای کنترل کیفیت بتن در محل پروژه تبدیل شود و نیاز به دستگاههای گران و پیچیده آزمایشگاهی را کاهش دهد.
این پژوهش گامی مهم به سوی سادهسازی و فراگیرسازی سنجش رئولوژی بتن در شرایط واقعی کارگاهی برداشته است.