Anwendungsorientierte Optimierung und Klassifizierung der rheologischen Eigenschaften von UHPC
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel der Untersuchungen an der TU München war es, die maßgeblichen Mechanismen zur Steuerung von Viskosität und Fließgrenze eines UHPC sowie deren zeitliche Entwicklung (Thixotropie) zu klären. Darauf aufbauend wurde ein Klassifizierungssystem entwickelt, das es ermöglicht, die Verarbeitungseigenschaften für eine ausreichende Formfüllung im Entwurfsprozess festzulegen, in der Eignungsprüfung einzustellen und bei der Herstellung zu überwachen. Dafür wurden rheologische Untersuchungen an den UHPC mit Formfüllungsversuchen in praxisnahen Modellschalungen kombiniert. An der Uni Kassel wurden Untersuchungen zum Entlüftungsverhalten sowie zum Phänomen der Elefantenhaut durchgeführt. Zudem wurde an einer großen Bandbreite von Betonen unterschiedlicher Fließfähigkeiten nach Korrelationen sowohl zwischen rheologischen Laborergebnissen als auch betonpraktischen Versuchsergebnissen gesucht, die unabhängig von der genauen Stoffzusammensetzung für möglichst viele Betone gelten. Rheologie und Formfüllung: In einem ersten Schritt konnte gezeigt werden, wie die rheologischen Eigenschaftskennwerte Viskosität und Thixotropie, und damit die Verarbeitungseigenschaften eines UHPC, zielsicher durch betontechnologische Maßnahmen sowie die Fließmittelstruktur gesteuert werden können. Demnach stellt die Variation des relativen Feststoffanteils (Φ + Φhyd) / Φ m durch Änderung von Art, Feinheit und Gehalt der Zusatzstoffe ein wertvolles Mittel dar, um die plastische Viskosität von UHPC zu reduzieren und somit seine Verarbeitungseigenschaften zu verbessern. Für eine Reduzierung der plastischen Viskosität bei konstantem Wasser/Feststoff-Verhältnis (bzw. w/z-Wert) lassen sich zwei Strategien ableiten: (a) Reduzierung des tatsächlichen Feststoffanteils Φeff durch Reduzierung des chemisch gebundenen Wassers Φhyd mit zunehmender Substitution des Zements durch inerte Zusatzstoffe und (b) Erhöhung der maximalen Packungsdichte der Feststoffe Φm durch Einsatz von im Vergleich zum Zement gröberen bzw. feineren Zusatzstoffen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Thixotropie gezielt durch den Feststoffgehalt, die maximale Packungsdichte, den Fließmittelgehalt und die Struktur des Fließmittels gesteuert werden kann. Demnach sinkt die Thixotropie mit abnehmendem Feststoffgehalt, mit zunehmender maximaler Packungsdichte, mit zunehmender Fließmitteladsorption sowie bei Verwendung von Fließmitteln hoher Molmasse. Eine Besonderheit ultrahochfester Betone stellt dabei die Dominanz der Fließmitteladsorption gegenüber dem Feststoffgehalt bei sehr hohen Feststoffgehalten (sehr geringen w/z-Werten) dar. In den anschließenden Untersuchungen wurde der Einfluss der rheologischen Kenngrößen auf die Verarbeitungseigenschaften und das Formfüllungsvermögen quantifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass das Formfüllungsvermögen mit zunehmender plastischer Viskosität reduziert wird. Die plastische Viskosität steht jedoch nicht im direkten kausalen Zusammenhang mit dem Formfüllungsvermögen. Ursächlich für dieses Verhalten ist vielmehr der thixotrope Strukturaufbau der UHPC während der Fließbewegung. Im Hinblick auf die praxisgerechte Bewertung der Verarbeitungseigenschaften konnte darüber hinaus ein direkter Zusammenhang der rheologischen Kennwerte Fließgrenze und Viskosität mit den in praxistauglichen Verarbeitbarkeitsversuchen ermittelten Kennwerten Setzfließmaß und Fließzeit nachgewiesen werden. Aus der Kombination aller Untersuchungsergebnisse wurden schließlich Mindestanforderungen an die Verarbeitungseigenschaften (SF, t500) der UHPC zur Sicherstellung einer ausreichenden Formfüllung in Abhängigkeit von drei definierten Bauteilklassen abgeleitet. Erwähnenswert ist insbesondere, dass bei der Bewertung auch die thixotropen Eigenschaften Berücksichtigung finden. So steigt mit zunehmender Fließzeit (Viskosität) eines UHPC die Anforderung an das Mindest-Setzfließmaß (max. Fließgrenze), um vollständige Formfüllung zu gewährleisten. Rheologie und Entlüftung: Zur Konzeption eines selbstentlüftenden UHPC konnte eine Klassifizierung über eine Vielzahl von UHPC-Rezepturen aufgezeigt werden, anhand derer der Luftporengehalt für den Beton vorgewählt werden kann. Es ergab sich dabei, dass vor allem die Fließzeiten und damit die plast. Viskositäten ausschlaggebend für den LP-Gehalt sind, weniger stattdessen das Setzfließmaß als Maß für die Fließgrenze, die sich in der Praxis vor allem als Folge des thixotropen Betonverhaltens ergibt. Aus Korrelationen der verschiedenen aufgenommen rheologischen Parameter konnte außerdem gezeigt werden, dass der L-Box-Versuch aus DIN EN 12350-10 für feinkörnige UHPC vollständig ohne Informationsverlust durch das Setzfließmaß ersetzt werden kann. Durch Blockierringe lässt sich auch hier ggf. die Simulation einer Behinderung von Grobkorn und Fasern durch die Bewehrung darstellen. Elefantenhaut: Darüber hinaus konnte zur Untersuchung der Elefantenhautbildung eine Methode zur Visualisierung der Verteilung von Fließmittelmolekülen im ausgehärteten Beton entwickelt werden. Dafür werden diese mit fluoreszierenden Chromophore versehen, die sich später im Mikroskop lokalisieren lassen. Deren Verteilung deutet darauf hin, dass die Stärke der Elefantenhaut auch von der Art des Fließmittels bzw. der dadurch verursachten Reduktion der Oberflächenenergie des Wassers verursacht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Adsorption behavior of PCE superplasticizer and UHPC rheology. In: 9th International Symposium on High Performance Concrete. Rotorua, New Zealand 2011, S. 146
Mazanec, O.; Lowke, D.; Gehlen, C.
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UHPC mit alternativen Zusatzstoffen - Rheologie und Faserverbund. Beton- und Stahlbetonbau 106 (2011) 1, S.31-38
Stengel, T.; Lowke, D.; Mazanec, O.; Schießl, P; Gehlen, C.
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Control of Rheology, Strength and Fibre Bond of UHPC with Additions – Effect of Packing Density and Addition Type. In: Schmidt, M. et al: Proceedings of HiperMat: 3rd International Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Materials. Kassel 2012, S.215-224 – Best Paper Award
Lowke, D.; Stengel, T.; Schießl, P.; Gehlen, C.
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Measuring Air Content and Rheological Characteristics of UHPC Mortars. Fib Symposium 2012 Proceedings, Stockholm, Schweden 2012
Fröhlich, S.; Glotzbach, C.; Schmidt, M.
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Charakterisierung der Mischzeit und des rheologischen Verhaltens ultrahochfester Betone unter Einbeziehung interpartikulärer Wechselwirkungen. Dissertation, München 2013
Mazanec, O.
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Microstructural Characterisation Of Elephant Skin On Ultra-High Performance Concrete. 14th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials. Helsingør, Dänemark 2013
Wetzel, A.; Glotzbach, C.
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Spatial Distribution of Superplasticizer in Cementitious Mortar Studied with FITC Labeling. 1st International Conference on the Chemistry of Construction Materials. Berlin, 2013
Glotzbach, C.; Wetzel, Al.; Middendorf, B.
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Praxisorientierte Optimierung der rheologischen Eigenschaften von UHPC. In: 12. Münchener Baustoffseminar, Panta Rhei - Rheologie des Frischbetons. 2014
Gehlen, C.; Kränkel, T.; Lowke, D.; Mazanec, O.
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Microstructural investigation on the skinning of ultra-high performance concrete. Cement and Concrete Composites Volume 57, March 2015, Pages 27-33
Wetzel, A.; Glotzbach, C.; Maryamh, K.; Middendorf, B.
