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Die meisten Einflüsse auf die Rheologie von Beton wirken auf sehr kleinen Skalenebenen. Einflussgrößen im Millimeter oder Zentimeterbereich sind im Wesentlichen auf den Sand und die Gesteinskörnung beschränkt. Letztere machen aber in den meisten Betonen 50 %-70 % des Gesamtvolumens aus, was bei Untersuchungen zur Steuerung der Verarbeitungseigenschaften von Beton häufig vernachlässigt wird. Während Betonzusatzmittel und Zusatzstoffe bei geeigneter Wahl die Rheologie sehr gezielt beeinflussen können, eignen sich Sand und Gesteinskörnung weniger gut zur Steuerung der Rheologie, aber sie tragen zur Rheologie des Gesamtsystems bei. Hierbei können Effekte aus Sand und Gesteinskörnung die Effekte von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen überlagern und im ungünstigsten Falle sogar nahezu unwirksam machen. Deshalb sollten Ergebnisse zur Verarbeitbarkeit von Bindemittelsystemen nur mit großer Sorgfalt auf Beton übertragen werden. Es ist wichtig, den Einfluss des Sandes und der Gesteinskörnung besser zu verstehen, um diese so abzustimmen, dass sie Effekte aus Fließmitteln positiv ergänzen anstatt diesen entgegenzuwirken.
Durch eine gezielte Abstimmung lassen sich Kosten wirksam sparen.
Während für die Bauwirtschaft in den meisten Ländern der nördlichen Halbkugel die Instandhaltung bestehender Strukturen und Infrastruktur im Vordergrund steht, geht es in vielen Ländern der Südhalbkugel in der Hauptsache um die Schaffung von Bauwerken und Infrastruktur zur Verwirklichung angemessener Lebensbedingungen, was wiederum das schnelle Wirtschaftswachstum weiter befeuert.
Beton ist als Massenbaustoff, trotz landläufig anderer Bewertung, aufgrund seines im Vergleich zu anderen Baustoffen günstigen CO2-Footprints und der globalen Verfügbarkeit hierbei aktuell ohne Alternative. Allerdings ist Beton nach Wasser das am zweithäufigsten genutzte Produkt auf Erden [1] und die globale Nachfrage und Produktion steigt dramatisch. Dies hat Konsequenzen für das globale Klima, denn gerade die als Bindemittel eingesetzten Portlandzemente verursachen bei ihrer Herstellung selbst unter modernsten Produktionsbedingungen große Mengen an CO2.
Deshalb müssen für zukünftige nachhaltigere Technologien neuartige Betone entwickelt werden, die bei gleicher oder verbesserter Leistungsfähigkeit, einen geringeren Bedarf an Portlandzement aufweisen.
Um den CO2-Ausstoß, der mit der Betonherstellung verbunden ist zu minimieren, müssen Anteile an Portlandzement im Bindemittel reduziert und durch nachhaltigere Ersatzstoffe ausgetauscht werden. Darüber hinaus muss das eingesetzte Bindemittel im Beton so effizient wie möglich ausgenutzt werden. Das heißt, ein Bauteil oder Bauwerk sollte gerade so viel Bindemittel enthalten, wie für die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit erforderlich ist. Hierfür erscheint der Einsatz von leistungsfähigen bauchemischen Produkten unumgänglich. Diese können zum einen die veränderten Verarbeitungseigenschaften, die Zementersatzstoffe mit sich bringen, ausgleichen und gleichzeitig helfen, den Gesamtwassergehalt zu minimieren, so dass das Bindemittel seine maximale Leistungsfähigkeit erzielt. Fließmittel sind aktuell die wichtigsten Zusatzmittel für Beton. Sie reduzieren den Wasserbedarf und ermöglichen, Zement im Beton effizienter auszunutzen. Darüber hinaus sind Stabilisierer wichtig zur Erhöhung der Robustheit, insbesondere im Hinblick auf die bautechnischen Herausforderungen der Zukunft – vom Pumpen über weite Distanzen, dem Spritzen, dem Betonieren bei extremen Klimabedingungen bis hin zum 3D-Druck.
Die Rheologie von fließfähigen zementären Systemen mit Fließmitteln wird durch eine Vielzahl parallel stattfindender Effekte beeinflusst. Zu diesen Effekten zählen Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und Ionen in der Porenlösung, frühe Phasenbildung, zeitabhängige und kompetitive Adsorption zwischen anionischen Polymeren und Sulfationen, Bildung von Phasen in der Porenlösung sowie Morphologieänderungen an Partikeloberflächen. Die frühe Hydratation von Zement, die durch Lösungs- und Fällungsprozesse angetrieben wird, beeinflusst diese Effekte erheblich. Das permanente Ungleichgewicht der Porenlösung führt zu Veränderungen der Partikeloberflächen, welches widerum zur Folge hat, dass rheometrische Messungen dieser Zementleime anfällig für Streuungen sind. Um die Einflüsse aus der Zementhydratation zu minimieren, wurden die rheometrischen Untersuchungen mit Zement in Wasser, wässriger Phase von Zementleim bzw. mit vorhydratisiertem Zement durchgeführt. Zusätzlich wurden die gleichen Systeme mit Zugabe von Polycarboxylatethern untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Leime mit Wasser niedrigere Werte für Fließgrenze und plastische Viskosität aufweisen, als die Systeme mit der wässrigen Phase von Zementleim. Während die Polymere eine Verminderung der Fließgrenze zur Folge hatte, war die Wirkung von Polymeren auf die plastische Viskosität vernachlässigbar. Zusätzlich wurde die frühe Hydratation unter Verwendung von Wärmeflusskalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nadeleindringtiefe beobachtet.
Die Rheologie von fließfähigen zementären Systemen mit Fließmitteln wird durch eine Vielzahl parallel stattfindender Effekte beeinflusst. Zu diesen Effekten zählen Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und Ionen in der Porenlösung, frühe Phasenbildung, zeitabhängige und kompetitive Adsorption zwischen anionischen Polymeren und Sulfationen, Bildung von Phasen in der Porenlösung sowie Morphologieänderungen an Partikeloberflächen. Die frühe Hydratation von Zement, die durch Lösungs- und Fällungsprozesse angetrieben wird, beeinflusst diese Effekte erheblich. Das permanente Ungleichgewicht der Porenlösung führt zu Veränderungen der Partikeloberflächen, welches widerum zur Folge hat, dass rheometrische Messungen dieser Zementleime anfällig für Streuungen sind. Um die Einflüsse aus der Zementhydratation zu minimieren, wurden die rheometrischen Untersuchungen mit Zement in Porenlösung durchgeführt. Die Experimente wurden mit verschiedenen Feststoffvolumenfraktionen durchgeführt und mit den Ergebnissen identischer Systeme mit Wasser anstelle von Porenlösung verglichen. Zusätzlich wurden die gleichen Systeme mit Zugabe von Polycarboxylatethern untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Leime mit Wasser niedrigere Werte für Fließgrenze und plastische Viskosität aufweisen, als die Systeme mit Porenlösung. Während die Polymere eine Verminderung der Fließgrenze zur Folge hatte, war die Wirkung von Polymeren auf die plastische Viskosität vernachlässigbar. Zusätzlich wurde die frühe Hydratation unter Verwendung von Wärmeflusskalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nadeleindringtiefe beobachtet.
Im Betonbau hat sich im Laufe der vergangenen Jahrzehnte ein grundlegender Wandel von einer Massenanwendung hin zu einer innovativen, zukunftsorientierten und leistungsbasierten Baustofftechnologie vollzogen. Heute besteht Beton nicht mehr lediglich aus Zement, Wasser und Gesteinskörnungen, sondern kann durch die Verwendung von Zusatzstoffen und chemischen Zusatzmitteln signifikant verbessert werden. Der im Bereich der Zusatzmittel erzielte Fortschritt ebnete zudem den Weg für die Entwicklung neuer Betontypen wie zum Beispiel selbstverdichtender Beton (SVB) und Hochleistungsbeton (HLB), indem die Verarbeitbarkeit vom Wasser-Zement-Wert (w/z) abgekoppelt wurde. Während der w/z und die Sieblinie der Gesteinskörnungen bei herkömmlichen Betontypen die für die Verarbeitbarkeit relevanten Mischungsparameter darstellten, weisen SVB und HLB komplexere Leistungsparameter auf; in puncto Leistungsfähigkeit fallen hier insbesondere die Mehlkornkomponenten ins Gewicht. Dadurch wird das System komplexer und zugleich anfälliger für Abweichungen bei der Produktion. Erschwert wird die Identifizierung möglicher Einsparpotenziale durch die Schwierigkeit der Vorhersage der Auswirkungen von Veränderungen im Produktionsprozess und bei der Mischung.
This thesis addresses numerical simulations of self-compacting concrete (SCC) castings and suggests a novel modelling approach that treats reinforcement zones in a formwork as porous media.
As a relatively new field in concrete technology, numerical simulations of fresh concrete flow can be a promising aid to optimise casting processes and to avoid on-site casting incidents by predicting the flow behaviour of concrete during the casting process. The simulations of fresh concrete flow generally involve complex mathematical modelling and time-consuming computations. In case of a casting prediction, the simulation time is additionally significantly increased because each reinforcement bar occurring in succession has to be considered one by one. This is particularly problematic when simulating SCC casting, since this type of concrete is typically used for heavily reinforced structural members. However, the wide use of numerical tools for casting prediction in practice is possible only if the tools are user-friendly and simulations are time-saving.
In order to shorten simulation time and to come closer to a practical tool for casting prediction, instead to model steel bars one by one, this thesis suggests to model zones with arrays of steel bars as porous media. Consequently, one models the flow of SCC through a reinforcement zone as a free-surface flow of a non-Newtonian fluid, propagating through the medium. By defining characteristic parameters of the porous medium, the influence on the flow and the changed (apparent) behaviour of concrete in the porous matrix can be predicted. This enables modelling of any reinforcement network as a porous zone and thus significantly simplifies and fastens simulations of reinforced components’ castings.
Within the thesis, a computational model for SCC flow through reinforced sections was developed. This model couples a fluid dynamics model for fresh concrete and the macroscopic approach for the influence of the porous medium (formed by the rebars) on the flow. The model is implemented into a Computational Fluid Dynamics software and validated on numerical and experimental studies, among which is a large-scale laboratory casting of a highly reinforced beam. The apparent rheology of concrete within the arrays of steel bars is studied and a methodology to determine unknown input parameters for the porous medium is suggested. Normative tables defining characteristic porous medium parameters as a function of the topology of the rebar zone for different reinforcement cases are generated. Finally, the major contribution of this work is the resulting numerical package, consisting of the numerical solver and the parameter library. The thesis concludes on the ability of the porous medium analogy technique to reliably predict the concrete casting behaviour, while being significantly easier to use and far less time consuming than existing tools.
Zur Untersuchung der Wirkungsweise von ST ohne und in Gegenwart von FM wurden Untersuchungen an Zementleimen mit unterschiedlichen Φρ und variierten St-Modifikationen durchgeführt. Folgendes kann zusammengefasst werden:
Mit zunehmendem Φρ nimmt der Einfluss aller beobachteten ST auf To und Πpl gegenüber dem wässrigen System ab. Bei hohem Φρ reduzieren alle ST Πpl. Diutan Gum und die hochmodifizierte Stärke können aber ein erhöhtes -r0 bewirken. In Gegenwart von FM werden ST insbesondere bei höheren FM-Dosierungen wirksam mit Bezug auf erhöhtes Πpl. Erhöhtes t0 erzielten nur ST-DG und ST-npg. Setzfließmaßversuche konnten darüber hinaus zeigen, dass Stärken besonders effektiv wirken, wenn der Feststoffgehalt sehr hoch ist, während Diutan Gum eine höhere Wirksamkeit aufweist, wenn höhere Wassergehalte im System sind. Die Wirkungsweise von ST ist sehr stark von <l>p und der Gegenwart von FM abhängig. Die Ergebnisse zeigen. dass für Stärken die Modifikation eine sehr große Rolle spielen kann und dass weitere Untersuchungen zeigen müssen, inwieweit ST auf bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden können.
Selbstverdichtender Beton verhält sich unter Temperatureinfluss anders als Normalbeton, da die Rheologie neben der fortschreitenden Hydratation zusätzlich durch die von der Zeit und dem Hydratationsfortschritt abhängige Adsorption von Fließmitteln beeinflusst wird. Anhand rheometrischer Betonversuche an SVB unterschiedlicher Entwurfskonzepte mit variierter anionischer Ladungsdichte im Fließmittel wird verdeutlicht, dass mehlkornreiche SVB bei niedrigen Temperaturen sehr robust sind, während bei hohen Temperaturen mehlkornärmere Entwürfe zu bevorzugen sind. Darüber hinaus wird gezeigt, wie sich unterschiedliche Fließmittelmodifikationen in bestimmten Temperaturbereichen verhalten. Anhand des Wasser-Feststoff-Verhältnisses und des Adsorptionsverhaltens von Fließmitteln werden die maßgeblichen Prozesse erläutert und Möglichkeiten für die Entwicklung robuster Mischungen für individuelle Temperaturbereiche aufgeführt.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Regarding the temperature dependent performance, self-compacting concrete (SCC) distinguishes from normal concrete, since its rheology does not only depend upon the hydration itself but supplementary upon the adsorption of superplasticizers, which is affected by the time and the hydration progress. Based on rheometric concrete investigations with different SCC mixture compositions and varied anionic charge densities of the superplasticizers, it is shown that SCC, which is rich in powder components, shows robust performance at low temperatures, while compositions with lower powder contents are favourable at high temperatures. Furthermore, the performance of different superplasticizer modifications at different temperature ranges is demonstrated. The relevant processes are explained by means of the water to powder ratio as well as the adsorption behaviour of superplasticizers, and options for the development of robust mixture compositions for individual temperature ranges are itemised.