ملاحظات طراحی مخلوط بتن برای پروژه‌های روسازی لغزشی (Slipform)

کنترل رئولوژی: بهینه‌سازی تنش تسلیم و جریان برای روسازی پیوسته روسازی با قالب لغزان

چرا جدایش دانه‌بندی منجر به توقف‌های میان‌مسیر دستگاه روساز می‌شود — و چگونه رئولوژی از آن جلوگیری می‌کند

وقتی در حین روسازی سریع با دستگاه‌های لغزنده (Slipform) از دسته‌بندی مواد (Aggregate Segregation) رخ می‌دهد، منجر به ناهمگونی تراکم مواد زیر صفحهٔ شیب‌دهنده (Screed) می‌شود. این مشکل باعث توقف‌های غیرمنتظره در عملیات می‌شود که هزینه‌ای حدود ۴۲۰ دلار در دقیقه صرف نیروی کار و تمام آن زمان اتلاف‌شدهٔ تجهیزاتِ بیکار می‌شود. علت اصلی این پدیده چیست؟ تضاد بین رفتار جریان بتن (ویژگی‌های رئولوژیکی آن) و انرژی ارتعاشی واردشده توسط ویبراتورها. به عبارت ساده، اگر مقاومت بتن در برابر جریان بیشتر از ظرفیت ویبراتورها باشد، ذرات درشت‌تر سنگدانه به سمت پایین فرو می‌رود و پاستِ ریزدانه‌تر به سمت بالا حرکت می‌کند. مدیریت هوشمند رئولوژی این مشکل کامل را از ریشه برطرف می‌کند، با تمرکز بر سه عامل کلیدی که در واقع با یکدیگر هماهنگ عمل می‌کنند:

• تنش تسلیم در محدودهٔ ۴۰ تا ۶۰ پاسکال — کافی برای مقاومت در برابر جداشدن مواد تحت اثر ارتعاش بدون ایجاد بار اضافی بر روی پیچ‌ها (Augers);
• ویسکوزیتهٔ پلاستیکی در شرایط برش بالا در محدودهٔ ۱۵ تا ۲۵ پاسکال-ثانیه — که امکان خروج یکنواخت و پایدار مخلوط را در سرعت‌های دستگاه روسازی بین ۰٫۸ تا ۱٫۲ متر بر ثانیه فراهم می‌کند؛
• جریان شیب‌دار (Slump Flow) از ۶۵۰ تا ۷۵۰ میلی‌متر—که به‌طور قابل اعتمادی با استفاده از اُبرروان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلات و نه با آب اضافی حاصل می‌شود.

آزمایش‌های میدانی این رویکرد متعادل را تأیید می‌کنند که منجر به کاهش ۷۵ درصدی توقف‌های میانی در طول فرآیند می‌شود و جریان یکنواخت را از طریق مارپیچ‌ها و پشتیبانی سازگون از لایه‌ی سطحی (اسکرید) تضمین می‌نماید.

سه‌گانه‌ی حیاتی: تنش تسلیم، ویسکوزیته‌ی پلاستیک و جریان شکل‌پذیری (اسلمپ) در اکسترودینگ سرعت بالا

رابطه بین تنش تسلیم، ویسکوزیته پلاستیکی و جریان فروپاشی (Slump Flow) نقشی حیاتی در فرآیندهای اکسترودر لغزشی مداوم ایفا می‌کند. تنش تسلیم اساساً به مقدار نیروی لازم برای آغاز جریان ماده اشاره دارد. هنگامی که این مقدار به زیر حدود ۴۰ پاسکال کاهش یابد، معمولاً مشکلاتی مانند فروپاشی لبه‌ها و خروج سیال از سطح (Surface Bleeding) مشاهده می‌شود. از سوی دیگر، اگر تنش تسلیم از حدود ۶۰ پاسکال فراتر رود، ماده به‌درستی جریان نخواهد یافت و تمایل به جدایی در طول فرآورش پیدا می‌کند. بررسی ویسکوزیته پلاستیکی به ما می‌گوید که ماده در برابر حرکت تحت اثر برش چقدر مقاوم است. سازندگان تجهیزات دریافته‌اند که مقادیر بالاتر از ۲۵ پاسکال-ثانیه منجر به افزایش تقریبی دوبرابر سایش روی صفحات ترازکننده (Screeds) نسبت به شرایط استاندارد می‌شود. مقادیر زیر ۱۵ پاسکال-ثانیه می‌توانند باعث ایجاد مشکلاتی در چسبندگی مناسب ماده به یکدیگر شوند، به‌ویژه هنگامی که فرآیند با سرعتی بیشتر از چهار فوت در دقیقه انجام می‌شود. اگرچه اندازه‌گیری جریان فروپاشی (Slump Flow) روشی رایج است، اما باید این اندازه‌گیری‌ها همراه با آزمون‌های رئولوژی پویا نیز مورد بررسی قرار گیرند. رئومترهای قابل حمل در واقع ارتباط‌های معناداری بین خوانش‌های جریان فروپاشی و پارامترهای تنش تسلیم و ویسکوزیته ایجاد می‌کنند — چیزی که آزمون‌های استاتیکی معمولی جریان فروپاشی به‌تنهایی قادر به انجام آن نیستند.

ریزش و کارپذیری: محدوده‌های هدف و تنظیم بلادرنگ برای روسازی قابل اعتماد با دستگاه لغزنده (Slipform)

استانداردهای در حال تکامل صنعت: از ریزش ۱ تا ۳ اینچ به ریزش ۲٫۵ تا ۴ اینچ برای بتن لغزنده تقویت‌شده با الیاف

روش اندازه‌گیری ریزش در طول زمان به‌طور قابل توجهی تغییر کرده است، زیرا کیفیت مواد بهبود یافته است. در گذشته، بتن معمولی نیازمند ریزشی حدود ۱ تا ۳ اینچ بود تا اختلاط مناسب حفظ شده و جدایی اجزا رخ ندهد. امروزه با ظهور انواع مخلوط‌های تقویت‌شده با الیاف، پیمانکاران معمولاً هدف ریزشی بین ۲٫۵ تا ۴ اینچ را دنبال می‌کنند. این محدوده گسترده‌تر به آن‌ها امکان می‌دهد با الیاف فولادی یا الیاف مصنوعی بسیار ریز کار کنند، بدون اینکه جریان مخلوط در قالب‌ها مختل شود یا آب اضافی بیش از حد به سطح برسد. علت اصلی این تغییر چیست؟ استفاده از اُبرروان‌کننده‌های (سوپرپلاستیسایزر) پیشرفته‌تر در بازار امروزی و همچنین توانایی مهندسان در توزیع یکنواخت الیاف در سراسر مخلوط است. امروزه دیگر موضوع صرفاً افزودن آب بیشتر به مخلوط نیست.

ادغام هوشمند در جایگاه: پمپ‌های تزریق افزودنی به سیستم تله‌متری GPS ماشین‌آلات صاف‌کننده بتن متصل شده‌اند

کنترل قابلیت کار با دقت در زمان واقعی باتوجه به ادغام فناوری اینترنت اشیا (IoT) امکان‌پذیر شده است. پمپ‌های تزریق افزودنی‌ها در واقع با سیستم تله‌متری GPS صاف‌کن و رئومترهای نصب‌شده روی آن هماهنگ می‌شوند. اما بعد چه اتفاقی می‌افتد؟ یک سیستم حلقه‌بسته فعال می‌شود که بر اساس داده‌های زنده دریافت‌شده از اندازه‌گیری جریان شکل‌پذیری (Slump Flow) و تنش تسلیم (Yield Stress)، مقادیر سوپرپلاستیسایزر و آب را به‌طور خودکار و در صورت نیاز تنظیم می‌کند. طبق آزمایش‌های میدانی منتشرشده توسط ScienceDirect در سال ۲۰۲۳، این روش نوسانات قابلیت کار را نسبت به روش‌های دستی که توسط کارگران انجام می‌شود، حدود ۴۰ درصد کاهش می‌دهد. این امر تأثیر بسزایی دارد، زیرا از تشکیل اتصالات سرد (Cold Joints) جلوگیری می‌کند و نرخ قرارگیری را حتی در شرایط متغیر آب‌وهوایی در طول روز، ثابت در حدود ۴ فوت در دقیقه نگه می‌دارد. با این سیستم بازخوردی برای سطح شکل‌پذیری (Slump)، پیمانکاران دیگر شکل‌پذیری را صرفاً به‌عنوان یک پارامتر که یا از بازرسی عبور می‌کند یا در آن شکست می‌خورد، نمی‌بینند؛ بلکه آن را به‌عنوان یک پارامتر حساس و نیازمند توجه و تنظیم دقیق و مستمر در طول عملیات ساخت واقعی تلقی می‌کنند.

طراحی سیستم‌های ترکیبی و سیمانی برای مقاومت در برابر سایش و عملکرد پیوسته و یکنواخت در روسازی با دستگاه لغزنده (Slipform)

زاویه‌داری سنگ‌دانه‌های درشت در مقابل سایش صفحه‌ی شیارزن (Screed): داده‌های به‌دست‌آمده از سیستم‌های بین‌المللی حمل و نقل ویفانگ (Weifang Convey International Systems)

زاویه‌داری سنگ‌دانه‌های درشت به‌طور حیاتی بر دوام روسازی تأثیر می‌گذارد و و طول عمر دستگاه روسازی (paver). اگرچه زاویه‌داری بالا، قفل‌شدگی ذرات و مقاومت سطحی در برابر سایش بتن سخت‌شده را بهبود می‌بخشد، اما تعداد بیش از حد سطوح شکسته، سایش ساینده‌ی صفحه‌ی شیارزن (screed) متخلخل را تسریع می‌کند. تحقیقات نشان داده است که تعداد اصلاح‌شده‌ی سطوح شکسته در محدودهٔ ۴۰ تا ۷۰ درصد بهینه است؛ این مقدار هم استحکام سازه‌ای را تأمین می‌کند و هم از سایش بیش از حد فلز بر روی سنگ جلوگیری می‌نماید.

تعادل کلی زمانی بهبود می‌یابد که به نحوه طراحی سیستم‌های سیمانی توجه کنیم. افزودن میکروسیلیس همراه با مواد سیمانی جایگزین مختلف، خمیر را متراکم‌تر می‌کند و نوعی سپر ایجاد می‌نماید که ذرات بزرگ‌تر را از تماس مستقیم با سکرید محافظت می‌کند. این رویکرد را با آرایش‌های بهینه‌شده بسته‌بندی ذرات ترکیب کنید تا ویژگی‌های پمپاژ به‌طور قابل‌توجهی بهبود یابد؛ این بهبود حدود ۱۵ تا حتی ۳۰ درصد نسبت به مخلوط‌های استاندارد است. آزمایش‌های انجام‌شده در محل‌های واقعی ساخت‌وساز نیز چیزی جالب نشان داده‌اند: وقتی پیمانکاران از شن رودخانه‌ای با زاویه‌داری کم (با افت سایشی کمتر از ۸٪ بر اساس استانداردهای ASTM) همراه با مخلوط‌های سه‌جزئی سیمان استفاده می‌کنند، عمر مفید سکریدها حدود ۴۰ تا ۶۰ ساعت کاری بیشتر از آنچه در مورد گرانیت شکسته معمولی رخ می‌دهد، افزایش می‌یابد. این موضوع نشان می‌دهد که در واقع، تعامل هماهنگ مواد مختلف با یکدیگر — نه انتخاب جداگانه اجزا — است که منجر به فرآیندهای تراوش هموارتر و جاده‌های با عمر طولانی‌تر می‌شود.

پروتکل‌های اعتبارسنجی میدانی و تضمین کیفیت خاص روسازی لغزشی

نظارت دقیق بر کیفیت در طول فرآیند تولید، به حفظ اهداف رئولوژیکی مهم در تمام مراحل فرآیند کمک می‌کند. جریان شکل‌پذیری (Slump flow) باید در محدوده‌ی تقریبی ۲٫۵ تا ۴ اینچ (معادل حدود ۶۵۰ تا ۷۵۰ میلی‌متر) باقی بماند؛ در غیر این صورت فرآیند از مسیر صحیح خارج می‌شود. نظارت آنلاین بر تنش تسلیم (yield stress) مشکلات احتمالی جدایش مواد را پیش از اینکه واقعاً روی فرآیند اکستروژن تأثیر منفی بگذارند، شناسایی می‌کند. بررسی تخت‌بودن سطح هر ساعت یک‌بار با استفاده از پروفیلومترهای لیزری که استانداردهای ASTM را رعایت می‌کنند، انجام می‌شود. یکی از تولیدکنندگان بزرگ تجهیزات نتایج جالبی را زمانی نشان داد که سیستم‌های خودکار تزریق افزودنی‌ها را با فناوری ردیابی GPS ترکیب کرد — در آزمون‌های انجام‌شده، انحرافات جریان شکل‌پذیری (slump) حدود ۳۷٪ کاهش یافت. پس از قرار دادن مصالح نیز هنوز کارهایی باقی می‌ماند. بازرسی درزها و نمونه‌برداری هسته‌ای پس از ۲۴ ساعت، امکان ارزیابی روند توسعه مقاومت فشاری را فراهم می‌کند تا اطمینان حاصل شود که این روسازی‌های با مقاطع نازک در طول زمان بدون تخریب در محل درزها، استحکام لازم را حفظ می‌کنند. تمام این مراحل در مجموع، به اجرای هموار فرآیند اکستروژن کمک می‌کنند، از سایش بیش از حد ماشین‌آلات جلوگیری می‌نمایند و در نهایت، مقاطع روسازی را تولید می‌کنند که به‌طور پیوسته تمام مشخصات عملکردی مورد نیاز را برآورده می‌سازند.

سوالات متداول

• چرا رئولوژی در روسازی با قالب لغزنده اهمیت دارد؟ رئولوژی در روسازی با قالب لغزنده حیاتی است، زیرا به کنترل نحوه جریان و گیرش بتن کمک می‌کند. رئولوژی مناسب از جداشدگی (سگرگیشن) جلوگیری می‌کند و تراکم یکنواخت مصالح را تضمین نموده و توقف‌های ناشی از عملیات روسازی را کاهش می‌دهد.
• تأثیر تنش تسلیم در روسازی با قالب لغزنده چیست؟ تنش تسلیم بر نیروی مورد نیاز برای شروع جریان بتن تأثیر می‌گذارد. تنظیم مناسب تنش تسلیم از مشکلاتی مانند خروج آب از سطح (بلیدینگ) و فرو رفتن لبه‌ها (اِج اسلامپ) جلوگیری می‌کند و اطمینان حاصل می‌شود که مخلوط، روسازی کارآمد را پشتیبانی می‌کند.
• جریان شکل‌پذیری (اسلامپ فلو) و ویسکوزیته پلاستیک چگونه به کارایی روسازی مرتبط هستند؟ جریان شکل‌پذیری (اسلامپ فلو) میزان سیالیت مخلوط را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که ویسکوزیته پلاستیک به مقاومت آن در برابر حرکت مربوط می‌شود. هر دو عامل در تزریق هموار مصالح و انجام دقیق عملیات روسازی نقش دارند.
• ادغام فناوری‌ها چگونه روسازی با قالب لغزنده را بهبود بخشیده است؟ ادغام فناوری‌های اینترنت اشیا (IoT) و GPS امکان انجام تنظیمات بلادرنگ در نسبت‌های اختلاط را فراهم کرده است که این امر نوسانات کارایی را کاهش داده و کارایی کلی روسازی را افزایش می‌دهد.