Opus Fluidum Futurum – Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme, SPP 2005

01.01.2018

Opus Fluidum Futurum – Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme, SPP 2005

Formfüllungsvermögen von Frischbetonen – ein zeit- und hydratationsabhängiger Ansatz

Moderne Hochleistungsbetone ermöglichen immer leichtere, filigranere und ressourcenschonendere Bauwerke, die jedoch aufgrund ihres reduzierten Eigengewichts schwingungsanfälliger sind. Bauwerke und Bauteile wie weitgespannte Brücken des Hochgeschwindigkeitszugverkehrs, Windenergieanlagen oder Maschinenfundamente sind zudem typischerweise sehr großen veränderlichen Beanspruchungen und sehr hohen Lastwechselzahlen ausgesetzt. Das Ermüdungsverhalten des Hochleistungsbetons ist für die Auslegung und Realisierung solcher Betonanwendungen entscheidend.

Formfüllungsvermögen von Frischbetonen – ein zeit- und hydratationsabhängiger Ansatz
Formfüllungsvermögen von Frischbetonen – ein zeit- und hydratationsabhängiger Ansatz

Ziel des Projektes ist es, das Formfüllungsvermögen zementgebundener Systeme zu analysieren und anschließend auf der Basis rheologischer Modellansätze numerisch zu simulieren. Dabei sollen die zeit- und scherratenabhängigen hydratationsbedingten Änderungen der rheologischen Eigenschaften (Thixotropie) berücksichtigt werden. Die rheologischen Kennwerte werden dabei auf die auf die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Ausgangsstoffe sowie deren Mischungszusammensetzung zurückgeführt.Ausgehend von einer, mit dem SPP-Zentralprojekt abgestimmten Referenzmischung sollen die Fließgrenze, Viskosität und Thixotropie zementgebundener Systeme gezielt variiert werden. Dabei ist beabsichtigt, durch eine geeignete Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Mischungen stets nur eine Kenngröße zu ändern, während die beiden anderen annähernd konstant belassen werden. Dies ermöglicht es, die materialbasierten Einflüsse auf die jeweils untersuchte rheologischen Kenngröße direkt zu quantifizieren und anschließend in ein rheologisches Modell zu implementieren.Um das Model für das Formfüllungsvermögen zu verifizieren, sollen mit den Mörteln und Betonen neben den rheologischen Untersuchungen zeitgleich auch Experimente zum Formfüllungsvermögen in Kastenförmigen und L-förmigen Modellschalungen durchgeführt werden.Die erarbeiteten materialbasierten und zeit- sowie schergeschwindigkeitsabhängigen rheologischen Modelle werden in die CFD-Simulation implementiert. Diese wird von der kontinuumsbasierten Ebene auf eine Ebene mit Berücksichtigung materialspezifischer Kennwerte transferiert. Anschließend wird ein Aging shell particle interaction model (Mikro-DEM) entwickelt, welches die während der dormanten Phase der Zementhydratation auftretenden Prozesse auf Mikroebene simuliert. Im nächsten Schritt werden diese Prozesse mit dem experimentell bestimmten, zeitlich veränderlichen rheologischen Verhalten der zementgebundenen Systeme, insbesondere dem thixotropen Strukturaufbau in Beziehung gebracht. Die Ergebnisse werden anschließend ebenfalls als Input für die Meso- und Hochskalierte-CFD-Modellierung genutzt. Der in die CFD-Modellierung implementierte thixotrope Strukturaufbau kann so auf die Prozesse und Wechselwirkungen auf Partikelebene bezogen werden. Einflüsse auf das Formfüllungsvermögen, die aus der Mischungszusammensetzung, charakteristischen Materialeigenschaften bzw. aus den hydratationsbedingten Prozessen auf Partikelebene resultieren, können so auch bei der CFD-Modellierung berücksichtigt werden. Die Möglichkeit der direkten, materialbasierten Beeinflussung des Formfüllungsvermögens soll abschließend durch die Herstellung eines Demonstrators nachgewiesen werden. Dabei ist vorgesehen, durch eine gezielte Wahl der Mischungszusammensetzung einen Beton zu erstellen, der die Anforderungen an eine optimale Formfüllung erfüllt. Das Formfüllungsvermögen soll dabei anhand der kombinierten Mikro-DEM und der hochskalierten CFD-Modellierung vorausgesagt werden.

Antragsteller

Prof. Dr.ir. Eduardus A.B. Koenders, Technische Universität Darmstadt, Institut für Werkstoffe im Bauwesen

mit Dr. Chem.-Ing. Neven Ukrainczyk

Dr.-Ing. Dott. Mag. Albrecht Gilka-Bötzow

Dr.-Ing. Antonio Caggiano

Prof. Dr.-Ing. Christoph Ghelen, Technische Universität München

Sprecher des SPP

Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine

Technische Universität Dresden

Institut für Baustoffe

01062 Dresden

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