Baustoffprüfsysteme · 2018. 2. 27. · Leim ist Wasser + Zement + Flugasche + Kalksteinmehl +...

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Baustoffprüfsysteme


Rheologie – Der Schlüssel zur Verarbeitbarkeit von Beton

Dipl.Ing. Markus GreimSchleibinger Geräte Teubert u. Greim GmbHBuchbach / Germany


Schleibinger in Buchbach-Oberbayern

Buchbach

70 km östlich von München

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/73/Global_European_Union.svg


Einige Kunden..


Unsere Produkte

Verarbeitbarkeit Festigkeitsentwicklung Schwinden Dauerhaftigkeit Spezialentwicklungen


Verarbeitbarkeit

Verarbeitbarkeit Festigkeitsentwicklung Schwinden Dauerhaftigkeit Spezialentwicklungen


Verarbeitbarkeit

steif

.

.

flüssig


„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


Platte-Platte Modell

Kraft/ Force F Schubspannung / Shear Stress τ

Fläche / Area A

τ= FA

Schubspannung Shear Stress:

h


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


Newtonsche Fluide / Flüssigkeiten

=⋅

Schergeschwindigkeit

Sch

ubsp

annung

Material Viskosität / mPa*s

Wasser 1

Blut 10

Olivenöl 100

Honig 10000


Bingham Fluid

Sch

ubsp

annung

=⋅ 0


Viskosität

Fließgrenze


Newton oder Bingham?

Öl + Lecitin = Mayonnaise

H2O


Zementleim Modell

flüssig+ fest

= etwas neues!= etwas neues!


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

http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html


Verarbeitbarkeit - Rheologie

steif

.

.

flüssig


Realität - Rheometer für Mörtel und Beton 1911..2018!

Ausbreittisch

Mini Slump


Ausbreittisch mit Kamera

4C RheometerDänemark 2007


Standard Rheometer

Quelle: Wikipedia


Probleme

● Gesteinskörnung ↔ Spaltweite und Volumen

● Sedimentation

● Trennung von flüssiger und fester Phase (Segregation) → Wandgleiten

● Mörtel und Beton sind inhomogen!

● …


Zylinder Rheometer f. Beton (Fa. Nukem)


Wie alles begann...

Betonstein-Ztg. 35 (1969), H. 11Professor Jürgen Teubert, Obertaufkirchen

Viscocorder ® der Firma BrabenderDuisburg, 1969


Beton als 3 Phasen System - 1981


Viskomat PC 1990

1. Auftrag 04. Mai 1990Schwenk Zement KGUlm / Mergelstetten


“Rheogram” Einflüsse auf die rheologischen Eigenschaften von Mörtel und Frischbeton

Viskosität

Flie

ßgre

nze

Reference

Feinheit

Füllungsgrad

Große LuftporenKleine Luftporen?

Wasser

Fließmittel

Viskositätsmodifzierer


Thixotropie und andere Effekte

Schergefälle

Sch

ubsp

annung

HystereseMuss nicht reversibel sein.

1

2

3scheinbareFliessgrenze

tatsächlicheFliessgrenze

η=const.

η=const.=⋅0

η=const.


Sch

ers

pann

ung

1

2

3scheinbareFließgrenze

wirkliche Fließgrenze

η (Steigung )=const .

τ=η γ+ τ0


Ansteifen

Ansteifen:Viskosität und Fließgrenzesteigen mit der Zeit an (?).

τ (t)=η(t) γ+ τ0(t)© Plots: F. Fleischmann, W. KusterleOTH Regensburg Germany


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


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


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!


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!


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!


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.


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


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


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.


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


SLIPER - Sliding Pipe Rheometer I

Gleitrohr RheometerEin Verfahren zur Bestimmung der Fließeigenschaftenvon Dickstofen in Rohrleitungen.Dissertation, Kasten 2009

inside


Rheologie ↔ Pumpbarkeit II

τ=η⋅γ


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


Rheologie + Grenzschicht = Pumpbarkeit


SLIPER - Sliding Pipe Rheometer II


SLIPER Messvorgang

Rohr anheben Rohr gleitet durch die Schwerkraft nach unten

Gewichte auflegen und Prozedur wiederholen → Daten auswerten


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]


Prognose von Maximaldruck und Förderrate

p= (a4 L(50 .. 150 )/D )+(b16QL (50 . . 150 )/ (πD ³ ) )


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:


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


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

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