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

Die Verarbeitung mineralischer Baustoffe ist der technologische Kern bei der Herstellung und Instandhaltung von Bauwerken. Zwar bietet ihre Formbarkeit im Frischzustand nahezu unbegrenzte Möglichkeiten bezüglich der Bauwerksgestaltung und Ausführungstechnologien, jedoch wird heute nur ein Bruchteil dieses enormen Potenzials genutzt. Der Grund hierfür ist, dass traditionelle, einfache Bauteilgeometrien wie Wände oder Decken vermeintlich allein auf Basis empirisch gewonnener Regel „gegossen“ werden können. Diese Trugvorstellung ist die eine Ursache der bisher fehlenden tiefgehenden Auseinandersetzung mit dem rheologischen Verhalten von Baustoffen. Eine extrem hohe Anzahl von Bauschäden, eine geringe Effizienz der Bauvorgänge und Probleme beim Einsatz wechselnder  Baustoffzusammensetzungen und Verarbeitungstechniken belegen jedoch die eklatanten Defizite dieser empirischen Vorgehensweise. Das Fehlen der wissenschaftlichen Grundlagen für die Beherrschung der Rheologie-basierten Prozesse stellt aber vor allem ein zentrales Hemmnis bei der Entwicklung neuer, hoch innovativer Bautechnologien dar, wie bspw. des 3D-Druckens mit Beton, sowie bei der Lösungsfindung für aktuelle technische Herausforderungen,
wie z.B. das Pumpen in extreme Höhen.

Die zweite Ursache für das Fehlen der rheologischen Grundlagen ist eine sehr hohe Komplexität der Baustoffsysteme. Die ausgesprochen hohe chemische Reaktivität mineralischer Bindemittel führt bereits Sekunden nach der Wasserzugabe zu einer starken Veränderung der Partikelmorphologie, zur Auflösung größerer und Bildung neuer, nanoskaliger Partikel und zur drastischen Änderung der Chemie der Trägerflüssigkeit. Sowohl die gebildeten Nanopartikel als auch die Trägerflüssigkeit interagieren wiederum mit granularen Ausgangsstoffen bis zu mehreren Zentimetern Größe (Multiskaligkeit). Weiterhin sind Baustoffsuspensionen immer komplexe Mehrphasen, die neben Wasser und verschiedensten mineralischen Partikeln auch organische Additive und Luftporen enthalten. Die Verarbeitung von Baustoffen ist schließlich durch eine enorm große Bandbreite von Verformungsraten geprägt, was wiederum extrem hohe Anforderungen an die Charakterisierung- und Simulationsmethoden stellt.

Das Ziel des beantragten SPP ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen für eine Rheologie-basierte Gestaltung von Bauprozessen sowie für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Baustoffe und bahnbrechender Verarbeitungstechnologien zu schaffen.

Dieser im Bauwesen völlig neue Ansatz wird durch eine sichere Vermeidung herstellungsbedingter Schäden sowie eine effiziente Nutzung der Materialien, Technik und Energie zu einer deutlichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit des Bauens führen und öffnet die Tür für neue Bauformen und Bauweisen.

Die hohe Komplexität der wissenschaftlichen Fragestellung erfordert eine breite Kompetenzbündelung von Ingenieur- und Naturwissenschaftlern/innen. Aufgrund aktueller Fortschritte im Bereich der relevanten Messtechnik und Simulationsmethoden bietet ein SPP gerade zum jetzigen Zeitpunkt ideale Rahmenbedingungen, um den dargestellten
Themenkomplex erfolgreich zu erforschen.

Weitere Informationen zum Schwerpunkprogramm: http://www.spp2005.de/

Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine, Institut für Baustoffe, TU Dresden

Beteiligte Einrichtungen: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Technische Universität Berlin, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Technische Universität Bergakademie Freiberg, Universität Stuttgart, Technische Universität München, Technische Universität Darmstadt, Technische Universität Braunschweig, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Technische Universität Dresden, Bauhaus-Universität Weimar, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V., Universität Paderborn

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderdauer / Laufzeit: 3 Jahre

Fließmittel/Partikel-Wechselwirkungen und ihr Einfluss auf die Mikrostruktur, die Viskosität und die Thixotropie zement-basierter Suspensionen

Um ein tiefgreifendes Verständnis für die grundlegenden Mechanismen der Verarbeitungseigenschaften zementbasierter Werkstoffe zu entwickeln, ist Grundlagenforschung zu den Wechselwirkungen zwischen der Mikrostruktur und den rheologischen Eigenschaften des Zementleims unabdingbar. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, den Einfluss der Fließmittel/Partikel-Wechselwirkungen auf die Mikrostruktur, die Viskosität und den thixotropen Strukturaufbau zement-basierter Suspensionen zu untersuchen. Die grundlegende Beschreibung der inneren Struktur zementbasierter Suspensionen stellt aufgrund der Polydispersität, der Undurchsichtigkeit, der hohen Feststoffkonzentrationen und der Hydratationsreaktion keine triviale Aufgabe dar. Daher fehlt es derzeit an einem fundamentalen Verständnis der inneren Struktur von Zementleim, welche die Verarbeitungseigenschaften von Beton maßgeblich bestimmt. Darüber hinaus beeinflusst die Mikrostruktur des frischen Zementleims die Mikrostruktur des Zementsteins und damit maßgeblich die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons. Die Mikrostruktur selbst wird durch die interpartikulären Wechselwirkungen bestimmt. Vereinfacht kommt es zu einer Agglomeration sobald die anziehenden Wechselwirkungen die abstoßenden Wechselwirkungen übersteigen. Das Verständnis des Einflusses von Fließmitteln auf die Mikrostruktur und die zuverlässige Beschreibung der interpartikulären Wechselwirkungen in zementbasierten Suspensionen stellen somit einen maßgeblichen Schritt zum grundlegenden Verständnis der rheologischen Eigenschaften dar. Im geplanten Forschungsvorhaben sollen Zementleime und Mörtel mit spezifisch polymerisierten Fließmitteln hergestellt werden. Bei den Fließmitteln mit phosphat- und polycarboxylat-basierten funktionellen Gruppen werden gezielt die Hauptkettenlänge, die Seitenkettenlänge und die Seitenkettendichte variiert. Von den Leimen und Mörteln werden dann die Viskosität und der thixotrope Strukturaufbau mittels Rotationsrheometrie bestimmt. Gleichzeitig, wird der Aufbau der Mikrostruktur mittels eines in-situ-Lasermessverfahren (Dynamical Optical Reflectance Measurement with Selective Multi Depth Focus) beobachtet (Abb.). Die Kinetik des Strukturabbaus in Abhängigkeit der Scherrate wird hingegen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht adressiert. Der Einfluss der Fließmittelstruktur auf die Mikrostruktur, die Viskosität und den thixotropen Strukturaufbau wird abschließend auf Basis der kolloidalen Oberflächen-Wechselwirkungen, der Hydratationskinetik und eines Mikrostrukturmodells diskutiert.

Ansprechpartner: David Nicia, M. Sc.

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Simulationsgestützte Modellierung der zeit- und scherratenabhängigen dispersen und rheologischen Eigenschaften von Zementsuspensionen

Das Projektziel ist die Entwicklung konstitutiver Stoffmodelle für die Vorhersage der rheologischen Eigenschaften zementärer Suspensionen auf Grundlage der chemischen und physikalischen Partikel- und Fluideigenschaften. Dank des Lückenschlusses zwischen den grundlegenden Wechselwirkungen auf Nano- und Mikroebene und dem makroskopischen Fließverhalten trägt das Projekt ganz wesentlich zur Verbesserung vorhandener Modellierungsansätze bei, wodurch diese allgemeiner und breiter abwendbar werden. Damit wird eine zuverlässigere Simulation und Modellierung des Fließverhaltens von Frischbeton auch bei Prozessen mit komplexer zeitveränderlicher Scherbelastung, wie z.B. beim Pumpen, 3D-Drucken oder Spritzen, ermöglicht. Für die Modellentwicklung werden die zeit- und scherratenabhängigen dispersen und rheologischen Eigenschaften zementärer Suspensionen in Bezug auf die grundlegenden Materialeigenschaften und Interaktionen experimentell und numerisch erforscht. Mit Hilfe gekoppelter CFD-DEM-Simulationen werden die relevanten Partikel-Partikel- und Partikel-Fluid-Wechselwirkungen in Abhängigkeit von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Fluidphase und der Feststoffkomponenten sowie der Prozessparameter zum ersten Mal umfassend modellhaft beschrieben. Zu diesem Zweck werden in dem Projekt neue Kontaktmodelle mit zeitveränderlichen Funktionen entwickelt und in den gekoppelten CFD-DEM-Simulationen eingesetzt. Die Ergebnisse aus der Simulationsumgebung werden umfassend experimentell kalibriert und validiert. Die relevanten Eigenschaften reaktiver und nicht-reaktiver Partikelsysteme sowie der Fluidphase werden in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen charakterisiert. Die dispersen und rheologischen Eigenschaften der Suspensionen werden mittels Rotationsrheometrie, Oszillationsrheometrie und weiteren Methoden zur Mikrostrukturcharakterisierung bestimmt. Der Effekt der Mikrostrukturentwicklung auf die rheologischen Eigenschaften wird über das Agglomerationsverhalten der Partikel beschrieben, welches für einen breiten Scherratenbereich in Abhängigkeit von der Zeit sowie von der Scherhistorie, auch unter Berücksichtigung der Hydratation, erforscht wird. Das Agglomerationsverhalten wird durch die Messung der veränderlichen Partikelgrößenverteilung im Scherzustand mittels einer Laserrücktreumethode beschrieben, welche zu diesem Zweck in einen neu entwickelten Rheometeraufbau integriert wird. Die Ergebnisse werden zur Entwicklung konstitutiver rheologischer Modelle genutzt, welche sowohl thixotropie- als auch hydratationsbedingte Effekte abbilden können. Als ein entscheidender Parameter für die Mehrskalen-Modellierung sowie für die konstitutiven Stoffmodelle wird die lokale, auf die Leimphase einwirkende Scherrate zum ersten Mal detailliert beschrieben. Durch das Ansetzen realistischer Scherparameter wird eine deutlich zuverlässigere Modellierung, auch über mehrere Skalen, ermöglicht.

Ansprechpartner: Mahmoud Eslami Pirharati, M. Sc.

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Abb.: Schematische Darstellung der experimentellen und numerischen Arbeiten

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