[論文レビュー] Spherical Balls Settling Through a Quiescent Cement Paste Measured by X-ray Tomography: Influence of the Paste Thixotropy

Subhransu Dhar, Eduardo Machado-Charry+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2026

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ひとこと要約

この論文は、X線 tomographyを用いて ageing cement pastes中の球形鋼球の沈降を追跡し、平均沈降速度がペースト年齢とともに対数的に減少すること、静的降伏応力が球の停止を予測することを示し、沈降速度の変化を説明するための間歇的モデルを開発する。

ABSTRACT

The settling of spherical balls in quiescent cement pastes of increasing age is studied. Metallic spheres with radii of 2, 2.5 and 3mm are dropped into the paste and allowed to settle, while their position is tracked using X-ray tomography. The instantaneous velocity of the spheres, calculated from their movement, is observed to be quasi-constant during their fall, and an average is estimated. The results show that the average velocity of the balls decreases logarithmically with paste age until ball stoppage, for all three ball sizes. In parallel, the rheological properties of the cement paste are measured using a rheometer with a vane geometry. The evolution of the paste static yield stress over time is evaluated, and proves to be a reliable predictor for ball stoppage. Finally, thixotropic models of increasing complexity are evaluated. These models consider four forms of structural growth and breakdown parameters, and their ability to capture the ball settling velocity as a function of paste age is compared. This emphasizes the importance of considering paste breakdown in relation to shearing of the paste when the ball passes through it.

研究の動機と目的

• セメントペーストの aging（thixotropy）が埋め込まれた球の沈降に与える影響を理解する。
• X線CTを用いてペースト年齢と球の速度および停止を定量化する。
• 時間とともに保存弾性率（G′）、複素粘度、降伏応力を含むペーストレオロジーを特徴づけ、沈降挙動を説明する。
• 構造成長と崩壊を結ぶ thixotropic モデルを開発・比較し、球の速度予測に適用する。
• aging paste における球の停止を実用的に予測する指標として 静的降伏応力を特定する。

提案手法

• w/c = 0.50 のセメントペーストと SP/レオータ添加剤を準備し、試験前にペーストを aging。
• 半径 2 mm, 2.5 mm, 3 mm の球形鋼球を垂直な Plexiglas チューブに落とし、25 frames/s で X線CT によって位置を追跡。
• 球の位置から瞬時および平均沈降速度を時間とともに計算。
• 花崗剪断で G′, G″, 複素粘度 η*, 静的降伏応力 τs を得るためにベーンジオメトリを用いたレオロジー測定を実施。
• 構造成長 λg と崩壊 λb のパラメータを組み合わせた thixotropic モデルを適合させ、v = W[1+(λ)^{n}]^{-1}（W は密度差と η0 によって定義）で球の速度を予測。
• λg および λb の式が異なる4つのモデルケース(I–IV)を評価し、実験速度と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 休止時のペースト年齢が沈降する球の定常速度にどう影響するのか？
• RQ2 構造成長と崩壊を組み込んだ thixotropic モデルは観測された速度減衰と最終停止を捉えられるか？
• RQ3 静的降伏応力は aging cement paste における球の停止の信頼できる予測因子か？
• RQ4 ペーストの年齢とともに変化するレオロジー特性（G′, η*, 降伏応力）は球のダイナミクスとどう関連するか？

主な発見

• 球の瞬時速度は降下中にほぼ定数となり、平均速度はペースト年齢とともに対数的に減少して停止へ至る。
• 動的粘度は高せん断で約 1 Pa·s に停留し、静的降伏応力は時間とともにほぼ線形に増加（τs(t) ≈ 0.026 t + 3.55）。
• 四つの thixotropic モデルケースのうちケース II および IV がデータにより良く適合し、IV ケースは R^2 ≈ 0.91 を達成。球による崩壊によるペースト崩壊を含める重要性を示す。
• 球の停止に対する理論的降伏応力（theo τy）は、試験半径内で実験測定の静的降伏応力 τs と整合し、τs が停止の予測に動的降伏応力より優れることを示唆。
• 球が通過する際のペーストの破壊化（流動化）を考慮することが aging cement paste の沈降速度を正確にモデル化するうえで必須であることを確認。