Rheologische Eigenschappen

Rheologie is de wetenschap van het vloeien, maar op de bouwplaats is het bittere ernst. Het bepaalt of die specie de hoeken van je bekisting haalt. Of die kitten netjes in de voeg blijven staan zonder uit te zakken. We kijken niet alleen naar snelheid. De vloeigrens is koning. Dat is de drempelwaarde; de kracht die nodig is om de boel überhaupt in beweging te krijgen. Een hoge vloeigrens houdt een mortel op zijn plek tegen een verticale wand. Een lage grens? Dat is wat je zoekt bij zelfverdichtend beton. Het is de interactie tussen de vloeibare cementpasta en de harde toeslagmaterialen die het succes van het storten dicteert.

De vaststelling van rheologische waarden gebeurt veelal via gestandaardiseerde proeven die de interactie tussen vloeistof en korrel simuleren. In de betonwereld regeert de zetmaat. Een stalen kegel wordt gevuld, voorzichtig gelift en de resterende hoogte van de hoop bepaalt de consistentie. Eenvoudig. Doeltreffend. Voor hoogvloeibare species volstaat dit niet en kijkt men naar de vloeimaat op een vlakke plaat, waarbij de spreiding de mate van vloeibaarheid verraadt. In het laboratorium worden deze gegevens verfijnd met rheometers die de weerstand bij verschillende afschuifsnelheden registreren om exact te bepalen bij welke kracht de vloeibeweging stopt of start.

Pompen is een ander verhaal. De druk in de slangen dwingt de specie tot een lagere viscositeit; een noodzakelijk mechanisme om verstoppingen te voorkomen en transport over grote afstanden mogelijk te maken. Zodra de mortel de slang verlaat en de rust wederkeert, bouwt de interne spanning zich weer op. Dit herstelvermogen bepaalt of een stuclaag aan het plafond blijft hangen of dat een gietvloer zichzelf perfect waterpas trekt. De dosering van chemische additieven tijdens het mengen is hierbij de sturende factor die de moleculaire interactie tussen cementdeeltjes beïnvloedt. Men observeert hierbij nauwgezet of er geen ontmenging optreedt, waarbij het water zich scheidt van de zwaardere bestanddelen, wat de rheologische balans zou verstoren.

Bingham-vloeistoffen en pseudoplasticiteit

In de bouw is vrijwel geen enkele substantie een eenvoudige Newtoniaanse vloeistof waarbij de weerstand constant blijft zoals bij water. De meeste mortels, kitten en verven gedragen zich als Bingham-vloeistoffen. Dit houdt in dat de massa pas echt in beweging komt wanneer een kritieke drempelwaarde, de vloeigrens, wordt overschreden. Zodra de beweging eenmaal is ingezet, treedt vaak afschuifverdunning (pseudoplasticiteit) op. De viscositeit daalt naarmate de mechanische kracht toeneemt. Dit mechanisme maakt het mogelijk dat een dikke muurverf onder de druk van een kwast of roller soepel vloeit, maar direct na het aanbrengen weer stijf wordt om druipers en zakkers te voorkomen.

Een zeldzame maar voor de praktijk problematische variant is dilatantie. Hierbij neemt de weerstand juist toe bij een hogere belasting. Denk aan bepaalde mengsels van fijn zand en water; loop je langzaam, dan zak je weg, maar bij een snelle beweging blokkeren de korrels en wordt het oppervlak direct hard. Voor pompsystemen op de bouwplaats is dit gedrag funest. Het leidt tot acute blokkades in de slangen zodra de pompsnelheid wordt opgevoerd.

Thixotropie versus viscositeit

Er bestaat vaak verwarring tussen eenvoudige stroperigheid en thixotropie. Een hoge viscositeit betekent simpelweg dat een materiaal traag vloeit, ongeacht hoe lang je roert. Thixotropie daarentegen is een tijdsafhankelijk proces waarbij een materiaal onder constante mechanische belasting steeds dunner wordt, om zich in rust weer volledig te herstellen tot een gel-achtige toestand. Spuitbeton is hier het schoolvoorbeeld van. Het moet dun genoeg zijn om door de nozzle te persen, maar moet seconden later aan een verticaal vlak kleven zonder naar beneden te glijden. Het herstel van de interne structuur moet razendsnel gaan.

In de uitvoering vertalen deze natuurkundige wetten zich naar gestandaardiseerde consistentieklassen. Bij beton varieert dit van aardvochtig (S1), waarbij de interne wrijving tussen korrels dominant is, tot zeer vloeibaar (S5). Zelfverdichtend beton (ZVB) vormt hierbij een technologische uiterste; hier is de rheologie zo verfijnd afgesteld dat de massa onder eigen gewicht vloeit en alle hoeken van de bekisting vult, terwijl de cohesie groot genoeg blijft om te voorkomen dat de zware grindkorrels naar de bodem zakken.

Een stukadoor zet gips op een plafond. De zwaartekracht trekt eraan. Toch valt het er niet af. De vloeigrens van de pasta is namelijk hoger dan de trekkracht van de gravitatie. Pas als de stukadoor met zijn spaan over het oppervlak strijkt, overwint hij die grens. Het gips wordt tijdelijk vloeibaar en laat zich gladstrijken. Stop de beweging, en het materiaal staat direct weer stil.

Kijk naar een betonpomp die een parkeerdek stort. In de slangen gedraagt de specie zich bijna als een smeermiddel. De hoge afschuifsnelheid door de pompdruk verlaagt de viscositeit aanzienlijk. Zodra het beton uit de slang stroomt en op de bekisting landt, neemt de weerstand weer toe. Dit voorkomt dat het mengsel gaat ontmengen of door de kleinste kieren van de bekisting sijpelt.

Bij een zelfnivellerende gietvloer zie je het tegenovergestelde. De massa wordt uit de emmer gegoten en spreidt zich traag maar onverbiddelijk uit. Het oppervlak wordt spiegelglad zonder dat er een reilaat aan te pas komt. Hier is de interne wrijving zo laag dat het eigen gewicht van de vloeistof volstaat om de vloeigrens te passeren.

Een kitspuit in de badkamer. De kit is dik en stug in de koker. Je knijpt. De druk dwingt de kit door de smalle tuit, waarbij de structuur even 'breekt' om te kunnen vloeien. Eenmaal in de voeg herstelt de gelstructuur zich razendsnel. De kit blijft perfect in de verticale voeg staan, zelfs voordat de chemische uitharding begint. De rillen van de lijmkam bij het tegelzetten werken identiek; ze moeten hun vorm behouden totdat de tegel ze met kracht platdrukt.

De normen dicteren de kaders. Harde eisen. In de betontechnologie vormt de NEN-EN 206 de ruggengraat voor specificaties, waarbij de indeling in consistentieklassen direct gekoppeld is aan het vloeigedrag van de verse specie onder invloed van zwaartekracht of mechanische verdichting. Het gaat hier niet om suggesties, maar om de wettelijke onderlegger voor kwaliteitscontrole op de bouwplaats. Voor het daadwerkelijk vaststellen van de rheologische status grijpt de regelgeving naar de NEN-EN 12350-serie. NEN-EN 12350-2 voor de zetmaat. Deel 5 voor de vloeimaat. Deze proeven zijn de gestandaardiseerde vertaling van complexe natuurkunde naar een meetbaar getal op de werkvloer.

Metsel- en pleistermortels kennen hun eigen wettelijke regime onder de NEN-EN 998-1 en 998-2. Hierin wordt de verwerkbaarheidstijd en de consistentie genormeerd om te garanderen dat de hechting en de vloeigrens binnen veilige marges blijven voor constructieve toepassingen. Bij gietvloeren is de NEN-EN 13813 leidend. Deze norm stelt eisen aan de vloeibaarheid van de mortel, cruciaal voor de uiteindelijke vlakheid die het Besluit Bouwwerken Leefomgeving (BBL) vereist voor de gebruiksfase van een pand. Geen vloeing, geen vlakke vloer, geen goedkeuring. Het Besluit Bouwwerken Leefomgeving zelf stelt algemene prestatie-eisen aan de sterkte en stabiliteit van constructies, waarbij de rheologie van de gebruikte materialen tijdens de bouwfase indirect de uiteindelijke homogeniteit en dus de veiligheid van het uitgeharsde materiaal bepaalt. Zonder beheersing van de vloeigrens ontstaan grindnesten, en grindnesten betekenen constructieve zwakte.

Historische ontwikkeling

Vroeger was de emmer de enige rheometer op de bouwplaats. Ambachtslieden vertrouwden eeuwenlang op hun zintuigen; een mortel was goed als deze 'lekker aan de troffel plakte'. Pas toen Eugene Bingham en Markus Reiner in 1929 de term rheologie introduceerden, kreeg het domein een formele basis, hoewel de praktische toepassing in de civiele techniek nog decennia op zich liet wachten. De focus lag aanvankelijk enkel op de verhouding tussen water en cement. Meer water betekende een betere vloeing, maar ook een inferieure eindsterkte. Een technisch dilemma dat de sector lang in zijn greep hield.

De echte omwenteling vond plaats in de jaren 60 en 70 met de introductie van superplastificeerders. Ineens kon beton vloeibaar zijn zonder extra water toe te voegen. De traditionele zetmaat, ooit de gouden standaard voor consistentiemetingen, schoot plotseling tekort om dit nieuwe gedrag te kwantificeren. In de jaren 90 dwong de opkomst van zelfverdichtend beton (ZVB) de sector om de rheologie definitief te omarmen als exacte wetenschap. De noodzaak om beton over grote afstanden en naar extreme hoogtes te pompen, zoals bij moderne hoogbouw, maakte het beheersen van de vloeigrens tot een constructieve vereiste in plaats van een luxe. De transitie van 'water bij de wijn' naar moleculaire precisie. Vandaag de dag vormt rheologische sturing de ruggengraat van innovaties zoals 3D-betonprinten, waarbij de balans tussen viscositeit en directe stijfheid na depositie de enige factor is die bepaalt of een constructie blijft staan of instort.

• https://www.joostdevree.nl/shtmls/viscositeit.shtml
• https://www.envalior.com/nl-nl/services/design-guide/design-guidelines/wall-thickness.html
• https://www.microtrac.nl/nl/toepassingen/bouwmaterialen/
• https://beton.bertwinkelbuiter.nl/index.php/wat-zit-er-in-beton/hulpstoffen-en-toevoegingen.html
• https://libstore.ugent.be/fulltxt/RUG01/002/033/443/RUG01-002033443_2013_0001_AC.pdf
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Reologie
• https://www.joostdevree.nl/bouwkunde2/jpgs/stuc_pleisterwerk_4_van_schade_tot_bestek_www_stucgilde_nl.pdf
• https://www.encyclo.nl/begrip/fysische_eigenschappen_van_beton