Rheologie
Definitie
De wetenschappelijke studie naar de vervorming en stroming van materie onder invloed van mechanische spanningen.
Omschrijving
Toepassing en uitvoering
De analyse van de rheologische parameters start meestal bij het belasten van een vers monster in een gecontroleerde omgeving. In het laboratorium wordt een rotatierheometer ingezet. Een schoep of cilinder draait met exact gedefinieerde snelheden door de specie. Sensoren registreren de weerstand. Het draait. Het meet. Terwijl de rotatiesnelheid varieert, ontstaat een grafische weergave van de afschuifspanning tegenover de vervormingssnelheid, wat de vloeigrens en de plastische viscositeit blootlegt. Deze data zijn cruciaal voor het voorspellen van het gedrag in een betonpomp.
In de praktijk op de bouwplaats vertaalt deze wetenschap zich naar handelingen die de vloeibaarheid onder mechanische druk testen. Men gebruikt vaak een vloeikegel of een V-trechter om de tijd te meten die een substantie nodig heeft om door een vernauwing te passeren. Snelle stroming duidt op een lage viscositeit. Traagheid wijst op interne wrijving. Tijdens het storten of spuiten wordt de interactie tussen het materiaal en de ondergrond geobserveerd, waarbij de vorming van een dunne smeerlaag aan de grensvlakken bepaalt hoe soepel de massa zich verspreidt. Het proces is een voortdurende balancering tussen de statische toestand van rust en de dynamische fase van transport, waarbij de interne structuur van het mengsel onder invloed van trillingen of druk tijdelijk wordt getransformeerd om de gewenste vorm te bereiken.
Classificatie naar stromingsgedrag
Bingham-plastisch gedrag
Bouwmaterialen zoals betonmortel en cementpasta gedragen zich zelden als eenvoudige vloeistoffen. De meest relevante variant in de bouw is het Bingham-model. Hierbij komt de massa pas in beweging nadat een kritieke drempelwaarde, de vloeigrens, is overschreden. Denk aan een verse mortel op een troffel; het blijft liggen tot je er een zwaai aan geeft. Zodra die grens gepasseerd is, stroomt het materiaal met een constante plastische viscositeit. Zonder deze specifieke eigenschap zou beton simpelweg uit de bekisting lopen of zouden toeslagmaterialen direct naar de bodem zinken door sedimentatie.
Pseudoplasticiteit en shear-thinning
Bij pseudoplastische stoffen neemt de weerstand af naarmate de vervormingssnelheid toeneemt. Dit fenomeen, ook wel afschuifverdunning genoemd, is essentieel voor verspuitbare materialen. Een gipsmortel moet in de slang dunvloeibaar zijn om getransporteerd te worden, maar zodra het de spuitmond verlaat en op de muur landt, moet de viscositeit direct toenemen om uitzakken te voorkomen. De interne structuur breekt af onder mechanische belasting. Het vloeit. De druk valt weg en de structuur herstelt zich deels.
Dilatantie: De onzichtbare barrière
Minder gewenst maar technisch cruciaal is dilatantie of afschuifverdikking. Dit treedt op wanneer een mengsel stroever wordt naarmate de kracht toeneemt. Bij zeer compacte mengsels met een hoog gehalte aan fijne delen kunnen de deeltjes bij snelle beweging tegen elkaar aanlopen. Het systeem blokkeert. In de betonpomp kan dit leiden tot plotselinge verstoppingen (propvorming) omdat de vloeistof door de hoge druk simpelweg weigert te wijken.
Dynamische varianten en tijdseffecten
Thixotropie versus Rheopexie
De factor tijd speelt een hoofdrol bij de verwerking van bouwstoffen. Thixotropie beschrijft materialen die dunner worden naarmate ze langer worden omgeroerd, om vervolgens in rust weer hun oorspronkelijke stijfheid terug te krijgen. Dit is de heilige graal voor verven en coatings. Het laat zich makkelijk uitstrijken zonder strepen, maar druipt niet van de muur. Rheopexie is het tegenovergestelde effect waarbij de viscositeit toeneemt bij aanhoudende beweging, een zeldzame maar gevaarlijke eigenschap bij bepaalde chemische injectieharsen die te vroeg kunnen uitharden door de wrijving van het pompen.
Visco-elasticiteit
Sommige moderne materialen, zoals polymeergemodificeerde bitumen of kitsoorten, vertonen zowel vloeistof- als vaste stofeigenschappen. Ze vloeien onder langdurige belasting, maar veren terug bij kortstondige schokken. Dit hybride gedrag is essentieel voor dilatatievoegen die de werking van een gebouw moeten opvangen zonder te scheuren of permanent te vervormen. Het materiaal onthoudt als het ware zijn vorm. Het is vloeibaar én elastisch tegelijk.
Praktijkvoorbeelden van rheologisch gedrag
Een metselaar schept mortel op zijn troffel. De massa blijft stijf liggen, zelfs als hij de troffel schuin houdt. Eén krachtige polsbeweging verandert alles. Door de plotselinge mechanische spanning wordt de vloeigrens overschreden en vloeit de specie soepel van het blad precies tussen de stenen. Dit is rheologie in zijn meest tastbare vorm.
Kijk naar de stort van zelfverdichtend beton in een kolom met een extreem dichte wapening. Het materiaal stroomt als een dikke, homogene vloeistof moeiteloos om de stalen staven heen zonder dat er een trilnaald aan te pas komt. De rheologische balans is hier cruciaal; de interne wrijving is laag genoeg om elke hoek te vullen, terwijl de cohesie hoog genoeg blijft om te voorkomen dat het zware grind naar de bodem zinkt en de matrix ontleedt.
Tijdens het machinaal gipsspuiten ondergaat de mortel een razendsnelle transformatie. In de nauwe slangen van de pomp is de weerstand minimaal door de hoge afschuifsnelheid; het materiaal gedraagt zich bijna als water. Zodra de gips de spuitmond verlaat en op de muur landt, valt de druk weg. De viscositeit schiet direct omhoog. Het resultaat is een stabiele laag die niet naar beneden glijdt, maar wel direct glad te pleisteren is.
Zet een zware keramische tegel in de lijm tegen een verticale wand. Je drukt, schuift een beetje voor de positionering, en laat dan los. De tegellijm moet op dat moment direct 'vastpakken'. Dankzij thixotrope eigenschappen is de lijm tijdens het kammen met de lijmkam uiterst soepel, maar biedt deze direct daarna voldoende standvermogen om het eigen gewicht van de tegel te dragen zonder dat deze ook maar een millimeter verzakt.
Normering en prestatie-eisen
Kaders voor vloeigedrag
Hoewel de term rheologie zelden direct in de wetteksten van het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL) staat, vormen de natuurkundige parameters de ruggengraat van de Europese normering. De NEN-EN 206-1, in Nederland aangevuld door de NEN 8005, vertaalt rheologische eigenschappen naar concrete consistentieklassen. S-klassen voor de zetmaat. F-klassen voor de vloeimaat. De vloeimaat telt. Het bepaalt of beton een constructie volledig vult of halverwege stagneert. Voor zelfverdichtend beton is de NEN-EN 12350-reeks leidend. Hierin worden testmethoden zoals de vloeimaat met de vloeikegel gestandaardiseerd. Het is een juridische ondergrens. Voldoet het mengsel niet aan de gespecificeerde vloeitijd of blokkeringskans? Dan mag de stort niet beginnen. De constructieve veiligheid is hier direct in het geding; een te hoge vloeigrens bij dichte wapening veroorzaakt immers grindnesten.
Productcertificering en CE-markering
De Europese Verordening Bouwproducten (CPR) dwingt fabrikanten om de verwerkbaarheid van mortels en lijmen vast te leggen in een Prestatieverklaring (DoP). Neem tegellijmen. De NEN-EN 12004 normeert het glijgedrag op verticale vlakken. Dit is in feite het vastleggen van de thixotrope grens van het product. Zonder deze rheologische verificatie mag een product geen CE-markering voeren. De wet kijkt naar het resultaat op de muur, de rheologie levert de onderliggende technische onderbouwing. Consistentie is geen suggestie, maar een contractuele verplichting tussen betoncentrale en aannemer. Meten is weten. Afwijkingen in de plastische viscositeit kunnen leiden tot afkeur van complete leveringen, simpelweg omdat de pompbaarheid niet gegarandeerd kan worden binnen de gestelde veiligheidsmarges.
De wording van een stromingsleer
Van intuïtie naar meetinstrument
De term is jonger dan de praktijk. Eugene Bingham introduceerde 'rheology' pas officieel in 1929. Geïnspireerd door de Griekse spreuk panta rhei. Alles stroomt. Toch beheersten de Romeinen de kunst van de vloeibare mortel al met organische additieven zoals vet of bloed. Instinctieve wetenschap zonder sensoren. Voor de moderne bouwsector kwam de grote omslag pas veel later, midden twintigste eeuw. De focus verschoof van statische naar dynamische metingen. De introductie van superplastificeerders in de jaren zestig en zeventig maakte betonmengsels mogelijk die voorheen onpompbaar waren. De wetenschap moest de praktijk inhalen. In Japan ontstond eind jaren tachtig de noodzaak voor zelfverdichtend beton door een tekort aan geschoolde vakkrachten. Rheologie werd de sleutel om complexe wapeningsnetten te vullen zonder trilnaald. Wat begon als een abstracte natuurkundige discipline, groeide uit tot de standaard voor elke moderne betoncentrale die vandaag de dag nauwkeurige vloeigrenzen garandeert via geautomatiseerde meetsystemen in de mengtrommel.
Meer over bouwmaterialen en grondstoffen
Ontdek meer termen en definities gerelateerd aan bouwmaterialen en grondstoffen
