Rheologische Messungen an Baustoffen 2019 E-Book

Markus Greim

• Herausgeber: tredition
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 129

Veröffentlichungsjahr: 2019

Beschreibung

Rheological measurements help to optimize the robust application of building materials. For the past few years applied rheology has been moving increasingly into the center of attention of the civil engineering society. Advanced testing equipment, intensive research and development work have all helped to deepen the understanding of this field. Last but not least, different conferences, such as the 28th Conference on the Rheology of Building Materials at the OTH, have helped to exchange the findings and establish valuable new contacts. Finding a compromise between rheological theory and its practical application has been the main topic of these 28 conferences. In these proceedings important rheological topics are addressed: specific applications of concrete such as self-compacting concrete, tremie concrete and sprayed concrete and mortar mixes for 3D printing, which all may be classified as self-compacting concretes. The consideration of time- and temperature-dependent changes in workability are essential for a successful application of these materials. Furthermore, the influence of the mixing energy used and the way of casting/spraying is of high importance for the rheological properties. The rheology of other concrete types is drastically changed due to the compaction by vibrators. Concrete rheology is controlled by its paste content and the rheology of the paste. Tests on pastes are easier to perform, as particle migration of aggregates is not present. However, one has to ask whether it is sufficient to use the results from the paste-measurements for the assessment of concrete and how the optimized paste content will be predetermined. The other question is which admixtures or additives may help to improve the very different application processes. Apart from using superplasticizer and stabilizers, entrained air is a powerful tool to influence rheology.

Leseprobe

Herausgeber: Markus Greim, Wolfgang Kusterle und Oliver Teubert

Rheologische Messungen an Baustoffen 2019

Tagungsband zum 28. Workshop und Kolloquium, 13. und 14. März an der OTH Regensburg

ISBN (Paperback): 978-3-7482-4651-0

ISBN (Hardcover) :978-3-7482-4652-7

ISBN (e-Book) : 978-3-7482-4653-4

1. Auflage 2019

Copyright 2019: die jeweiligen Autoren, gegebenenfalls Schleibinger Geräte Teubert u. Greim, http://www.schleibinger.com

Alle Rechte Vorbehalten.

Das Werk ist in allen Teilen urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung der Autoren unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen und Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Layout: Benedikt Hoffmann

Satz: Christian Greim, Dr. Helena Keller

Verlag und Druck: tredition GmbH, Halenreie 40-44, 22359 Hamburg; www.tredition.de

Publisher: Markus Greim, Wolgang Kusterle and Oliver Teubert

Rheological Measurement oſBuilding Materials 2019

Proceedings of the 28th Conferences and Laboratory Workshops, 13th and 14th March at OTH Regensburg

ISBN (Paperback): 978-3-7482-4651-0

ISBN (Hardcover) :978-3-7482-4652-7

ISBN (e-Book) : 978-3-7482-4653-4

1. Edition 2019

Copyright 2019: by the particular authors, else by Schleibinger Geräte Teubert u. Greim GmbH, www.schleibinger.com

All rights reserved.

The content and works published in this book are governed by the copyright laws of Germany. Any duplication, processing, distribution or any form of utilisation beyond the scope of copyright law shall require the prior written consent of the author or authors in question.

Layout: Benedikt Hoffmann

Typesetting: Christian Greim, Dr. Helena Keller

Published and printed: tredition GmbH, Halenreie 40-44, 22359 Hamburg; www.tredition.de

Preface

Scherinduzierte Partikelmigration: Relevanz bei Theologischen Messungen an Mörteln und Betonen

Christian Baumert, Prof. Harald Garrecht

Effect of the mixing time on the rheological parameters of cement pastes

Mareike Thiedeitz, Thomas Kränkel, Christoph Gehlen

Advanced Admixtures to control Rheology of Tremie Concrete for Deep Foundations

O. Mazanec1), S. Dittmar2), P. Gaeberlein3)

Analysis of the effect of various limestones in the cement composition on rheological properties of mortar

Jacek Golaszewski, Malgorzata Golaszewska

Investigations on the influence of paste composition on the rheological properties of flowable mortars and concretes

Wibke Hermerschmidt, Jaqueline Honecker, Christoph Müller

Rotatorische und oszillatorische Scherversuche zur Ermittlung steifigkeitsrelevanter Kenngrößen von Offshore-Vergussmörteln unterdem Einfluss des Early-Age Movement

Dario Cotardo, Prof. Michael Haist, Prof. Ludger Lohaus, Christoph Begemann

Rheology as a Tool to Characterize Dissolution and Reappearance of Air under Pressure in Cement Pastes

Daniel Galvez Moreno1), Kyle Riding2) Dimitri Feys1)

The injection process - effecting mechanical properties?

B.Eng. Ludwig Hertwig, Prof. Dr.-Ing. Klaus Holschemacher

Adhesive mortars properties: Squeeze Flow and Contact Visualization

Alessandra Lie Fujii-Yamagata1), Fábio Alonso Cardoso2), Anne Daubresse3), Evelyne Prat3) Mohend Chaouche1)

Rheologische Unters, an Frischbetonmischungen für Spritzbeton

Maria Thumann1), Lukas Briendl2), Joachim Juhart2), Wolfgang Kusterle1)

Preface

Rheological measurements help to optimize the robust application of building materials. For the past few years applied rheology has been moving increasingly into the center of attention of the civil engineering society. Advanced testing equipment, intensive research and development work have all helped to deepen the understanding of this field. Last but not least, different conferences, such as the 28th Conference on the Rheology of Building Materials at the OTH, have helped to exchange the findings and establish valuable new contacts. Finding a compromise between rheological theory and its practical application has been the main topic of these 28 conferences.

In these proceedings important rheological topics are addressed: specific applications of concrete such as self-compacting concrete, tremie concrete and sprayed concrete and mortar mixes for 3D printing, which all may be classified as self-compacting concretes. The consideration of time- and temperaturedependent changes in workability are essential for a successful application of these materials. Furthermore, the influence of the mixing energy used and the way of casting/spraying is of high importance for the rheological properties. The rheology of other concrete types is drastically changed due to the compaction by vibrators.

Concrete rheology is controlled by its paste content and the rheology of the paste. Tests on pastes are easier to perform, as particle migration of aggregates is not present. However, one has to ask whether it is sufficient to use the results from the paste-measurements for the assessment of concrete and how the optimized paste content will be predetermined. The other question is which admixtures or additives may help to improve the very different application processes. Apart from using superplasticizer and stabilizers, entrained air is a powerful tool to influence rheology. One has to consider, though, how entrained air may behave under different levels of pressure in the pumped concrete.

Beside concrete, other papers deal with highly flowable materials such as injection grout as well as grouting mortar and gypsum based adhesive mortars.

I would like to thank all authors and conference delegates for their contribution as well as all members of the organizing committee for their support. This event is organized as a low-cost conference without any attendance fee. This is only possible due to numerous hours of work put in by the organizing committee, Schleibinger Testing Systems and the hospitality of the OTH.

We are looking forward to meeting you in Regensburg again.

Wolfgang Kusterle

Scherinduzierte Partikelmigration: Relevanz bei Theologischen Messungen an Mörteln und Betonen

Christian Baumert, Prof. Harald Garrecht

Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Stuttgart

Tel.: [phone], E-mail: [email protected]

Kurzfassung

Um die Theologischen Eigenschaften von Betonen und Mörteln messen zu können, müssen zahlreiche Randbedingungen eingehalten werden. So gilt es unter anderem die Homogenität der Probe während der Messung sicher zu stellen. Die Scherbelastung führt zu einer Migration der groben Partikel in Bereiche niedriger Scherbelastung, und somit zu einer Entmischung. Um jedoch den Strukturabbau von zementösen Baustoffen vor der eigentlichen Messung zu erreichen, ist eine Vor-Scherphase unabdingbar. Der dabei unvermeidlichen Entmischung der Probe konnte bisher nur durch Messwerkzeugen begegnet werden, die nicht den Anforderungen an Messwerkzeugen zur Messung in absoluten Einheiten entsprechen. Eine Umrechnung der Rohdaten in absoluten Einheiten, mit diesen sogenannten relativen Messwerkzeugen, ist nicht statthaft. Werden sogenannte Absolut-Messwerkzeuge eingesetzt, erfolgt die Messung nach der Vorscherung jedoch in einer nicht homogenen Probe. In diesem Beitrag wird ein Messsystem vorgestellt, dass die Vorscherung der Probe mit aktiver Homogenisierung kombiniert und somit die Messungen mit Absolut-Messwerkzeugen an homogenen Proben ermöglicht. Vergleichende Messungen zwischen dem neuen Messkonzept und dem klassischen Messregime belegen erhebliche Abweichungen bei den gemessenen Rohdaten. Folglich wird die scherinduzierte Partikelmigration aktuell bei Messungen an granulären Suspensionen mit Absolut-Messwerkzeugen nicht ausreichend berücksichtigt und führt zur massiven Unterschätzung von Fließgrenze und Viskosität in absoluten Einheiten.

1 Einleitung

Bei vielen modernen Betonen ist die Messung der Theologischen Eigenschaften unmittelbar nach Mischende nicht ausreichend, da sich diese bis zum Einbau häufig verändern. Aufgrund des thixotropen Verhaltens bildet sich eine Struktur aus, welche die Fließgrenze und die Viskosität ansteigen lassen. Nach Aufbringung einer Scherbelastung wird diese Struktur - in Abhängigkeit von der Höhe der Scherbelastung - teilweise oder vollständig wieder abgebaut.

Um das rheologische Verhalten der Mörtel und Betone während der Mischungsentwicklung unter Praxisbedingungen Vorhersagen zu können, wären folglich mehrere Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten bei variabler Vorscherungsintensität wünschenswert. Der Setzfließmaß-Versuch bzw. der VdZ-Tricher sind hierbei als unzureichend einzustufen. Diese achsen-symmetrischen 1-Punkt-Versuche ermöglichen aufgrund des geringen Probenvolumens nicht die für eine zielgerichtete Entwicklung nötige Bestimmung der Fließgrenze in absoluten Einheiten. Roussel [1] hat ein nicht praxistaugliches erforderliches Probevolumen für diese Versuche von 3001 berechnet.

Beton-Rheometer mit Absolut-Messwerkzeugen ermöglichen wiederholte Messungen bei veränderlichen Scherbelastungen und Vorscherung. Allerdings haben mehrere Rundversuche mit unterschiedlichen Beton-Rheometem erhebliche Abweichungen bei den berechneten Theologischen Parametern offengelegt. Nach [2] müssen diese massiven Abweichungen auf die Verletzung einer oder mehrerer Haupthypothesen für die Umrechnung der Maschinendaten Drehmoment und Drehzahl in die lokalen Daten Scherspannung und Scherrate beruhen.

• Wandhaftung des Probematerials an beiden Oberflächen im Scherspalt

• Laminares Fließgleichgewicht im Scherspalt

• Homogenität des Probematerials

Durch eine raue bzw. leicht profilierte Oberfläche lässt sich das Gleiten der Probe an den Messinstrumenten wirkungsvoll unterbinden. Die Verfälschung der Messwerte durch eine leichte Profilierung der Oberfläche ist gegeben, ist größenordnungsmäßig jedoch sicherlich unerheblich, und kann als Begründung, für die Abweichungen bei den Rundversuchen, ausgeschlossen werden. Bezüglich Fließ- und Materialhomogenität bestehen allerdings erhebliche Unsicherheiten. Mörtel und Betone verfügen immer über eine Fließgrenze, insofern muss der kritische Radius (Übergang nicht Fließen/Fließen) bei den Berechnungen immer berücksichtigt werden. In der Literatur wurde das Phänomen der scherinduzierten Partikelmigration bei feststoffreichen Suspensionen lange als sehr langsamer Vorgang bewertet und somit als irrelevant bei rheologischen Messungen erachtet. [2] benennt eine alte kritische Scherrate, die sich bestimmt aus Scherspaltweite^2/Partikelgröße^2. Bei 16 mm Größtkom und einer 4-fachen Scherspaltweite von 64 mm ergibt sich eine kritische Scherrate von 16 s-1. Eine solch hohe Scherrate wird in Beton-Rheometem nicht verwendet. Allerdings haben [3] aufgezeigt, dass - bei hoher Packungsdichte und in Abhängigkeit von den Fließeigenschaften - bereits bei einem Fünfhundertstel der berechneten Scherrate sehr schnelle partikelinduzierte Migration erfolgt und somit unvermeidbar ist. Für einen Mörtel haben [4] nach einer sehr schnellen Aufwärtsrampe bedeutsame Unterschiede in der radialen Verteilung des Sandes bestimmt. Folglich ist die scherinduzierte Partikelmigration in der Vorscher-Phase unvermeidlich und sind somit bei der Auswertung von rheologischen Messungen an Mörteln und Betonen zwingend zu berücksichtigen.

2 Lösungsansatz

Um die Entwicklung von Mörteln und Betonen praxisnah und schnell umsetzen zu können, wurde der Labormischer KNIELE KKM-RT 22.5/15 entwickelt. Erstmalig ist es möglich, Mörtel und Betone mit stufenlos wählbarer Mischintensität in einem sogenannten Intensivmischer herzustellen und im Nachgang rheologische Messungen im Mischer durchzuführen. Unabhängig vom Hersteller zeichnen sich Intensivmischer dadurch aus, dass in einem Teilvolumen des Mischgutes mit sehr hoher Werkzeuggeschwindigkeit und somit einhergehender sehr hoher Maschinen-Froudezahl Partikelagglomerate aufgelöst werden können. Dadurch kann die Fließfähigkeit des Materials - insbesondere die Viskosität - gegenüber Standardmischem positiv beeinflusst werden. Nach dem eigentlichen Mischvorgang kann der Nutzer entscheiden, ob die rheologischen Messungen mit dem Mischwerkzeug oder aber einem Messwerkzeug durchgeführt werden sollen. Die Messungen mit dem Mischwerkzeug können ohne Werkzeugwechsel durchgeführt werden. Da die Oberflächen des Mischwerkzeugs auf die Mischgutbewegung ausgelegt sind, ist eine Festlegung der Werkzeugoberfläche und des beanspruchten Probevolumens nicht möglich. Die Messwerte Drehzahl und Drehmoment können nicht in absolute Einheiten umgerechnet werden, besitzen also relativen Charakter. Diese relativen Messwerte sind für eine Kontrolle der Gleichmäßigkeit der einzelnen Chargen in der Praxis bei Produktionsmischem ausreichend. Soll jedoch eine gezielte Mischungsentwicklung erfolgen, sind Messwerte in absoluten Einheiten erforderlich. Dazu können die Mischwerkzeuge des KKM-RT 22.5/15 nach dem Mischvorgang durch Schnellwechselvorrichtungen gegen Messwerkzeuge ausgetauscht werden, deren Oberflächen definiert sind. Der innere Antrieb, eine High-Torque Synchronmotor, treibt dabei den Messzylinder an. Die Drehzahl wird über einen hochauflösenden Drehgeber erfasst, das Drehmoment über einen Frequenzumrichter, der nach dem Direct-Torque-Prinzip arbeitet. Der äußere Zylinder wird durch den Antrieb des Abstreifers angetrieben und wird während der eigentlichen Messung durch eine Motorbremse in seiner Position fixiert. Das Novum besteht in der Spirale, welche auf der Außenseite des äußeren Zylinders angebracht ist. Damit kann das Material mit dem äußeren Antrieb zwischen Außenzylinder und Innenwandung des konusförmigen Mischbehälters nach oben transportiert werden. Am oberen Ende der Spirale fällt das Material durch Öffnungen in den Scherspalt zwischen innerem und äußerem Zylinder.

Abbildung 1: Absolut-Messwerkzeuge des KNIELE KKM-RT 22.5/15

Effect of the mixing time on the rheological parameters of cement pastes

Mareike Thiedeitz, Thomas Kränkel, Christoph Gehlen

Technical University of Munich, Centre for Building Materials (cbm), Munich,

Germany; Phone: [phone], e-mail: [email protected]

Abstract

Cement pastes are colloidal suspensions whose flow properties are dependent on the presence of attractive and repulsive forces between the particles and due to that, on the bias of the colloidal system to flocculation and coagulation. Mixing time and intensity and thus the applied shear to the system changes the interparticle network in the cement paste which affects the rheological properties yield stress and viscosity significantly. Due to that, different preshear times of 30 to 300 s before the measurements were tested for cement pastes and the stressstrain curves and thus the rheological parameters determined. It could be observed that the yield stress and viscosity of the pastes decrease with increasing mixing times due to a higher de-flocculated state at the beginning of the rheological measurements.

1 Introduction

Rheology of cementitious pastes is a matter of interest in concrete technology since many years. In suspension rheology, cement paste is a two-phase suspension with water as liquid and cement particles as solid phase. The size of cement particles range from app. 10-3 to 102 µm, thus a cement paste is a colloidal suspension which exhibits a yield stress and behaves as a Non-Newtonian liquid with changing plastic viscosity under applied shear due to changing interparticle forces. The rheological parameters yield stress, viscosity and thixotropy of the cementitious suspension affect the How behavior of concrete which in turn determines the slump, How and therefore workability in the field [1–3]. Thus the knowledge about these parameters is of special interest for the determination of the How behavior of Self Compacting Concrete (SCC) and Ultra-High Performance Concrete (UHPC) which contain high amount of colloidal and fine particles. Due to colloidal interactions and chemical nucleation hydration effects of these fine particles, the prediction of flowability of these concretes gets more difficult.

Generally, viscosity and yield stress increase with decreasing particle diameters and increasing solid contents in the suspension. Cement particles form microstructures which affect the effective apparent granulometry: In a completely deflocculated suspension, particles are separated whereas with ongoing formation of interparticle networks, effective particle diameters increase [4, 5]. Therefore, with a change of microstructure the apparent viscosity of the suspensions changes [4–7].

A change of microstructure can be induced by shear. The rate and time of shear meanwhile affects the grade of microstructural change and thus the apparent viscosity which has to be taken into account in rheological measurements. For correct rheological measurements, a reference state of flocculation of the tested paste has to be found. Two possible ideal reference states would be either a completely flocculated or a completely deflocculated system. To correctly determine the formation of interparticle networks due to Brownian motion and colloidal interactions, a completely de-flocculated suspension is the most appropriate reference state. However, a completely deflocculated state will never be obtainable due to the strong formation of particle networks in a few seconds directly after mixing [7]. Therefore, the most reasonable reference state has to be found which thereupon can be called the most de-flocculated state [8]. Imaging cement pastes after an appropriate time of rest, the structure can be called a virgin structure of a completely flocculated network. Applied shear results in a structural breakdown until equilibrium is reached where the applied shear is not powerful enough to break the floes. The time until this steady state is reached clearly depends on the grade of applied shear. If a high shear is applied, more de-flocculation can take place and the microstructure of the suspension will end up in smaller floes. Still, in cement pastes it has to be taken into account that the applied shear will cause additional energy in the system due to friction between the particles which will change the chemical reaction behavior of the cement. According to that, in cementitious colloidal suspensions, the full structural breakdown of an already built reversible network should never be attended. An appropriate compromise of floc breakage due to the preshear before a rheological measurement should thus be found for experimental procedures. Still, the grade of remaining particle network in the microstructural system has to be known for a precise formulation of possible structural build up and breakdown.

2 Rheological background in suspension rheology

Colloidal suspensions generally are two-phase fluids which contain a liquid and a solid phase with a particle diameter from 10-3 to 102