Einfluss von Power-Ultraschall auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen
Final Report Abstract
Das Ziel des DFG geförderten Projektes war es, grundlegende Erkenntnisse zum Einfluss einer PUS-Behandlung auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen zu erlagen. Außerdem sollte die Möglichkeit der Aktivierung von Kompositzementen (insbesondere der Hüttensand-(HÜS) komponente) überprüft werden. Schließlich war ein möglicher Einsatz der PUS-Technik in der Praxis (vor allem die Anwendbarkeit im Fertigteilwerk) zu bewerten. In einem ersten Schritt mussten die optimalen Beschallparameter (PUS-Amplitude und spezifischer Energieeintrag) für HÜS-haltige Zementsuspensionen (signifikante Erstarrungsbeschleunigung) bestimmt werden. In Hinblick auf eine praktikable Anwendung waren daher unter anderem die Beschallzeit und die Temperaturerhöhung (Tmax.) infolge der PUS-Applikation zu begrenzen. Unter den festgesetzten Voraussetzungen (kurze Beschallzeiten, Tmax. < 45 °C, signifikante Erstarrungsbeschleunigung) konnte für Portlandzement(PZ)suspensionen ein PUS-Amplitude von 43 µm und ein spezifischer Energieeintrag von 75 Ws/ml als optimale Beschallparameter identifiziert werden. Als Ursache der beobachteten Erstarrungsbeschleunigung und gesteigerten Frühfestigkeit (< 24h) in PZ-Suspensionen wurde anhand mikrostrukturelle Untersuchungen eine Beschleunigung der Alithydratation und damit der C-S-H Phasenbildung festgestellt. Diese Beschleunigung konnte anhand weiterführender Untersuchungen im Modellsystem C3S-H2O bzw. C3S-Portlandit bestätigt werden. Untersuchungen zum Einfluss einer PUS-Anwendung auf das Fließverhalten von PZ-Suspensionen ergaben, dass durch die Dispergierung kleiner Zementpartikel (< 1 µm) eine Verflüssigung der Mischung erzielt werden kann. Beim Einsatz von Fließmitteln (FM) kann eine PUS- Behandlung in Abhängigkeit der Mischungszusammensetzung (w/z-Wert, FM-Gehalt) aufgrund veränderter Reaktionsmechanismen zwischen der Aluminatphase (C3A) und dem Sulfat (d.h. Ettringitbildung) jedoch auch zu einer Versteifung der Mischung führen. Für HÜS- haltige Zementsuspensionen wurde ebenfalls ein beschleunigter Hydratationsprozess (beschleunigtes Erstarren und gesteigerte Frühfestigkeitsentwicklung) infolge einer PUS-Anwendung beobachtet. Eine signifikante Aktivierung des HÜS wurde nicht nachgewiesen. Das heißt, die Beschleunigung der Festigkeitsentwicklung von Kompositzementen (HÜS-haltig) ist hauptsächlich auf eine Beschleunigung der im Zement verbliebenen Alitkomponente zurückzuführen. Da HÜS-haltiger Zement generell eine geringere Wärmefreisetzung als der entsprechende CEM I Zemente besitzen, kann die eingetragene PUS Leistung prinzipiell höher sein, bei gleichbleibender maximaler Zementleimtemperatur. Um eine Beurteilung der Praxistauglichkeit der PUS-Technik zu ermöglichen, wurde zusätzlich die Anwendbarkeit einer PUS-Behandlung im Mörtel überprüft. Weiterhin wurde der Einfluss einer PUS-Behandlung auf die Prozesse eines Fertigteilwerks (Betonrezeptur, Wärmebehandlung) dokumentiert und bewertet. Für die Anwendbarkeit der PUS-Technik in Mörteln wurde festgestellt, dass sie unter den Voraussetzungen einer Begrenzung der Korngröße der Zuschläge auf 2 mm sowie hohen Leimanteilen (max. Zement : Zuschläge = 1:2) möglich ist. Für Mörtel, die mit unterschiedlicher Mischtechnik hergestellt wurden (Suspensionsmischtechnik: PUS-Behandlung vor Zugabe der Zuschläge bzw. konventionelle Mischtechnik: PUS- Behandlung nach Zugabe der Zuschläge), wurden vergleichbare Festigkeitssteigerung infolge der PUS-Behandlung dokumentiert. In der Betonfertigteilproduktion erlaubt der Einsatz der PUS-Technik nicht nur eine Optimierung von Betonrezepturen (gezeigt wurde die Reduzierung der FM Dosierung), sondern ermöglicht auch eine Reduzierung der Wärmebehandlungs(WB)dauer (gezeigt wurde einer Verkürzung der WB von 4,5 h auf 2,75 h) zum Erreichen festgesetzter Druckfestigkeiten. Aufgrund der einfachen Einbindung der PUS-Technik in die bestehenden Konstruktionen des Fertigteilwerkes bietet die PUS-Technik eine gute Möglichkeit zur weiteren Optimierung (Effizienzsteigerung, Kostensenkung) der Produktionsabläufe.
Publications
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