Post on 25-Mar-2021
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Baustoffprüfsysteme
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Rheologie – Der Schlüssel zur Verarbeitbarkeit von Beton
Dipl.Ing. Markus GreimSchleibinger Geräte Teubert u. Greim GmbHBuchbach / Germany
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Schleibinger in Buchbach-Oberbayern
Buchbach
70 km östlich von München
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Einige Kunden..
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Unsere Produkte
Verarbeitbarkeit Festigkeitsentwicklung Schwinden Dauerhaftigkeit Spezialentwicklungen
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Verarbeitbarkeit
Verarbeitbarkeit Festigkeitsentwicklung Schwinden Dauerhaftigkeit Spezialentwicklungen
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Verarbeitbarkeit
steif
.
.
flüssig
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„Hier arbeiten Sie, ein Bauingenieur, und ich, ein Chemiker, zusammen an gemeinsamen Proble-men. Mit der Entwicklung der Kolloidchemie wird so eine Situation zusehends öfters vorkommen. Wir müssen deshalb einen Zweig der Physik be-gründen, der sich mit solchen Problemen be-schäftigt.“
– Eugene Cook Bingham an Markus Reiner ca. 1928Seite „Rheologie“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 5. Dezember 2017, 21:04 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Rheologie&oldid=171708014 (Abgerufen: 25. Februar 2018, 10:53 UTC)
Rheologie ῥεὠ : rheo : ich fließe
λόγος : logos : Wort , Lehre
Die Rheologie ist diejenige Wissenschaft, welche die Erscheinungen zu beschreiben, zu erklären, zu messen und anzuwenden sucht, die bei der Ver-formung von materiellen Stofen an denselben auf-treten.
Hanswalter Giesekus, Phänomenologische Rheologie: Eine Einführung, Springer Verlag, 1994, 2011
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Platte-Platte Modell
Kraft/ Force F Schubspannung / Shear Stress τ
Fläche / Area A
τ= FA
Schubspannung Shear Stress:
h
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Laminare Strömung
γ= dvdh
Schubspannung τ
Geschwindigkeit: v
Die Lagen der Flüssigkeit werden gegeneinander verschoben, ohne sich zu vermischen: Laminare Strömung
Materialeigenschaft Viskosität η
τ≈ γ τ=η⋅γ
Schergeschwindigkeit /Shear rate
h
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Newtonsche Fluide / Flüssigkeiten
=⋅
Schergeschwindigkeit
Sch
ubsp
annung
Material Viskosität / mPa*s
Wasser 1
Blut 10
Olivenöl 100
Honig 10000
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Bingham Fluid
Sch
ubsp
annung
=⋅ 0
Schergeschwindigkeit
Viskosität
Fließgrenze
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Newton oder Bingham?
Öl + Lecitin = Mayonnaise
H2O
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Zementleim Modell
flüssig+ fest
= etwas neues!= etwas neues!
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Newton oder Bingham?
Wasser + Zement = Zementleim
Quelle : https://www.aboutcivil.org/test-cement-consistency-paste-vicat
By Roger McLassus (Picture taken and uploaded by Roger McLassus.) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons
By Oussama zraf (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
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Verarbeitbarkeit - Rheologie
steif
.
.
flüssig
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Realität - Rheometer für Mörtel und Beton 1911..2018!
Ausbreittisch
Mini Slump
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Ausbreittisch mit Kamera
4C RheometerDänemark 2007
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Standard Rheometer
Quelle: Wikipedia
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Probleme
● Gesteinskörnung ↔ Spaltweite und Volumen
● Sedimentation
● Trennung von flüssiger und fester Phase (Segregation) → Wandgleiten
● Mörtel und Beton sind inhomogen!
● …
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Zylinder Rheometer f. Beton (Fa. Nukem)
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Wie alles begann...
Betonstein-Ztg. 35 (1969), H. 11Professor Jürgen Teubert, Obertaufkirchen
Viscocorder ® der Firma BrabenderDuisburg, 1969
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Beton als 3 Phasen System - 1981
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Viskomat PC 1990
1. Auftrag 04. Mai 1990Schwenk Zement KGUlm / Mergelstetten
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“Rheogram” Einflüsse auf die rheologischen Eigenschaften von Mörtel und Frischbeton
Viskosität
Flie
ßgre
nze
Reference
Feinheit
Füllungsgrad
Große LuftporenKleine Luftporen?
Wasser
Fließmittel
Viskositätsmodifzierer
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Thixotropie und andere Effekte
Schergefälle
Sch
ubsp
annung
HystereseMuss nicht reversibel sein.
1
2
3scheinbareFliessgrenze
tatsächlicheFliessgrenze
η=const.
η=const.=⋅0
η=const.
Schergeschwindigkeit
Sch
ers
pann
ung
1
2
3scheinbareFließgrenze
wirkliche Fließgrenze
η (Steigung )=const .
τ=η γ+ τ0
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Ansteifen
Ansteifen:Viskosität und Fließgrenzesteigen mit der Zeit an (?).
τ (t)=η(t) γ+ τ0(t)© Plots: F. Fleischmann, W. KusterleOTH Regensburg Germany
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Vorscherung
τ (t)=η(t) γ (t)+ τ0 (t)
Die Vorscherung beeinflusst die Viskosität die Fliegrenze
und die Thixotropie
© Plots: F. Fleischmann, W. Kusterle OTH Regensburg Germany
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Zementleim – Mörtel – Frischbeton Rheologie
Zement + Wasser = Leim
Leim + Sand = Mörtel
Ist das Mörtelvolumen > 50%+X (?) werden die Fließeigenschaften des Frischbetons durch die
Mörteleigenschaften dominiert.
Übersteigt das Leimvolumen eine
Grenze X werden die Fließeigenschaften
des Mörtels durch die Leimeigenschaften
dominiert
Die Fließeigenschaften des Leims werden durchdas Verhältnis von
Partikeloberfläche zu Wasser beeinflusst (?)
Mörtel + Gesteinskörnung= Beton
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Leim
● Leim ist Wasser + Zement + Flugasche + Kalksteinmehl + alle Partikel < (0,1 - x) mm einschließlich des Mehlkorns!
● Auch Luftporen (oder deren Abwesenheit) sind feine Partikel!
● Der Zementleim sollte so flüssig wie möglich sein! Wenn nicht Fließmittel verwenden, kein Wasser.
● Der Zementleim muss stabil sein und nicht absetzen. Andernfalls mehr Feinanteil oder Stabilisierer verwenden!
● Optimiere die Fließeigenschaften über die Zeit bei verschieden Temperaturen mit dem Viskomat NT.
● Denke in Oberflächen, nicht in Masseprozenten!
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Mörtel● Mörtel Ist LEIM + alle Partikel > 0,1 mm und <= 2 mm!
● Auch große Luftporen sind Partikel (oder deren Abwesenheit) !
● Der Mörtel sollte so fließfähig wie möglich sein. Zur Aussteuerung den Leimanteil und nicht den Wasseranteil erhöhen!
● Alle Hohlräume zwischen den Sandpartikeln und alle Poren im Sand müssen mit Leim gefüllt sein!
● Der Mörtel sollte so stabil wie möglich sein. Bei Sedimentation Zementleim mit höherer Fließgrenze und / oder Viskosität verwenden!
● Optimiere die Fließeigenschaften über die Zeit bei verschieden Temperaturen mit dem Viskomat NT.
● Zementleim ist das billigste Fließmittel!
● Denke in VOLUMINA und OBERFLÄCHEN nicht in Masseprozenten!
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Frischbeton● Betonist MÖRTEL + Gesteinskörnung > 2 mm !
● Der Frischbeton sollte so fließfähig wie möglich sein! Erhöhe den Mörtelanteil nicht das Wasservolumen!
● Alle Leerstellen zwischen der Gesteinskörnung muss mit Mörtel aufgefüllt werden!
● Daumenregel: 525..550 l + x Mörtel pro m³ !
● Der Frischbeton sollte so stabil wie möglich sein. Bei Sedimentation Mörtel mit höherer Fließgrenze und / oder Viskosität verwenden!
● Optimiere die Fließeigenschaften über die Zeit bei verschieden Temperaturen mit dem Viskomat XL oder dem eBT-V. Verwende den SLIPER für die Pumpbarkeit.
● Denke in VOLUMINA nicht in Masseprozenten!
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Viskomat XL – Viskomat NT – eBT-V - SLIPER
3.5 ltr.
360ml
15l.
0.001..80 rpm
0.01..400 rpm
0..500 Nmm
0..10000Nmm
0..2mm
0..8..32 mm
0..16..20mmSpeedTorqueFrequencyAmplitude
SpeedTorqueFrequencyAmplitude
Speed0..40 Upm
6 l
0..20 mm
Unterschiedliche Rheometer für unterschiedliche Materialienund Anwendungen!
20 / 40l.
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eeBT-V P-Mode: Ein Zylinder oder eine Kugel
werden durch das Material bewegt.
● Einstellbares Geschwindigkeitsprofil.● Nur eine einzige Umdrehung im nicht gescherten Beton. ● Aber: Der Fluss um einen Zylinder oder eine Kugel bei nicht Newtonschen Flüssigkeiten ist komplex!
© Hamdullah Ozogul, Pascal Jay, Albert MagninSlipping of a Viscoplastic FluidFlowing on a Circular CylinderJournal of Fluids Engineering JULY 2015, Vol. 137
See also: R.P. ChahabraBubbles, Drops, and ParticlesinNon-Newtonian Fluids2nd Ed. 2007
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eBT-V Mobiles Frischbeton Rheometer
P-Modus:Ein Zylinder odereine Kugel werden360°durch denBeton bewegt.
V-Modus:Eine 6 Blatt Stern- oder Vanezelle rotiert im Beton
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eeBT-V V-Mode: Rotierende Sternmesszelle
• Programmierbare Geschwindigkeit.• Das Moment auf den Rührer wird gemessen. • Viskosität und Fließgrenze werden nach Nguyen/Barnes oder Reiner-Rivlin berrechnet. • Flügel und Rippen reduzieren das Wandgleiten.
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Concrete Rheometers
ICAR Rheometer ConTecViscometer (BML)
BT Rheom Schleibinger Viskomat XL
SchleibingereBT-V
SchleipingerSLIPER
Inventor / Developer/ Origin
University of Texas Austin Dr. Koehler, Mr. Fowler
ICI Rheocenter Island, ConTec Island, Wallevik
RheometerDeveloped in France, by de Larrard et al.
Schleibinger Geräte GmbH, Germany
Schleibinger Geräte, Germany
Schleibinger GeräteGermany
Picture
Details,Theory of operation
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SLIPER - Sliding Pipe Rheometer I
Gleitrohr RheometerEin Verfahren zur Bestimmung der Fließeigenschaftenvon Dickstofen in Rohrleitungen.Dissertation, Kasten 2009
inside
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Rheologie ↔ Pumpbarkeit II
τ=η⋅γ
Schergeschwindigkeit
Sch
ubsp
annung
γ
τ
Sch
ubsp
annung
τ=η⋅ + τ 0γ
τ
Schergeschwindigkeit γ
Viskosität
Fließgrenze
Newton Fluid Bingham Fluid
Profl der Fließgeschwindigkeit
τ0
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Rheologie + Grenzschicht = Pumpbarkeit
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SLIPER - Sliding Pipe Rheometer II
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SLIPER Messvorgang
Rohr anheben Rohr gleitet durch die Schwerkraft nach unten
Gewichte auflegen und Prozedur wiederholen → Daten auswerten
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Druckgradient b undGrenzdruck a
a=dA / (4 l )b=Bπd ³/ (16 l )
a und b unabhängig von l und d[Kaplan et. al. 2005]
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Prognose von Maximaldruck und Förderrate
p= (a4 L(50 .. 150 )/D )+(b16QL (50 . . 150 )/ (πD ³ ) )
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Anwendungsbeispiel
● Spritzbeton● - Ausbreitmaß ca. 60 cm
- max. Korngröße 8 mm
- Zwei Testserien mit 3 unterschiedlichen Wasser/Bindemittel Werten:
1. Konstanter Wasser/Bindemittelwert
2. Konstantes Leimvolumen, 345l/m³
In Zusammenarbeit mit:
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Konstante Zementmenge w/b variiert
W/B=0,45 W/B=0,50 W/B=0,55
Hubp [mbar] Q
[m3/h]p [mbar] Q
[m3/h]p [mbar] Q
[m3/h]
1 138,44 27,13 121,90 35,37
2 130,63 26,27 108,53 30,10 80,56 41,70
3 113,25 22,50 108,62 32,23 73,96 37,56
4 105,20 21,14 104,30 31,13 51,87 24,90
5 95,79 19,38 97,32 30,20 65,26 31,24
6 91,84 19,02 86,98 25,97 63,20 31,67
7 77,37 16,41 80,21 25,97 59,36 29,61
8 61,81 13,25 86,65 26,66 25,13 10,13
9 53,97 11,45 75,59 23,92 36,39 16,32
10 67,17 13,17 70,09 21,96 44,91 20,24
11 94,75 19,18 48,91 15,59 56,56 26,27
12 85,84 17,38 47,06 14,85 74,54 36,80
0 10 20 30 400
20
40
60
80
100
120
140
160
f(x) = 1,77 x + 8,09R² = 0,99
f(x) = 4,95 xR² = 1
W/B=0,45 Linear (W/B=0,45) W/B=0,50 Linear (W/B=0,50)
W/B=0,55 Linear (W/B=0,55)
Fördermenge [m³/h]
Förd
erd
ruck [
mb
ar]
W/B=0,45 W/B=0,50 W/B=0,55
CEM SR0 [kg/m³]
420 420 420
Wasser [kg/m³]
231 210 189
Gesteinsk. [kg/m³]
1673 1617 1728
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Konstanter Leimgehalt w/b variiert
W/B=0,45 W/B=0,50 W/B=0,55
Hubp [mbar] Q [m3/h] p [mbar] Q [m3/h] p [mbar] Q [m3/h]
1 108,74 21,69 102,52 26,66 53,15 12,56
2 106,90 21,04 103,23 28,32 54,77 14,43
3 120,88 25,18 106,99 27,97 67,13 18,44
4 123,19 24,84 107,97 30,20 70,42 19,59
5 129,72 28,77 109,85 33,42 83,18 25,90
6 130,40 28,32 114,65 32,82 78,96 24,18
7 137,69 31,56 118,51 35,37 92,40 30,61
8 135,04 30,10 113,51 35,23 98,72 33,30
9 107,42 21,19 94,92 25,97 76,65 23,92
10 102,93 21,44 95,86 25,18 79,64 25,25
11 96,62 18,82 83,03 22,17 67,57 18,63
12 98,13 18,22 85,47 22,44 70,33 23,31
13 85,08 15,75 75,07 18,78 63,15 18,25
14 84,90 15,38 80,16 17,45 63,81 17,55
15 74,16 13,35 67,27 14,47
16 71,95 12,99 67,49 15,86
17 55,79 9,11 58,21 12,70
18 58,72 8,35 60,14 13,94
19 50,50 9,90
20 50,54 10,13
21 39,27 6,58
0 10 20 30 400
20
40
60
80
100
120
140
160
f(x) = 2,2 x + 24,82R² = 0,97
f(x) = 3,64 x + 27,47R² = 0,99
W/B=0,45 Linear (W/B=0,45) W/B=0,50 Linear (W/B=0,50)
W/B=0,55 Linear (W/B=0,55)
Fördermenge [m³/h]
Förd
erd
ruck [
mb
ar]
W/B=0,45 W/B=0,50 W/B=0,55
CEM SR0 [kg/m³]457 428 403
Wasser [kg/m³] 205 214 222
Gesteinskörnung [kg/m³]
1655 1655 1655
100 m -20 m³/h→ 16 bar
100m -20 m³/h→ 23 bar