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Projekt
Simulationsgestützte Modellierung der zeit- und scherratenabhängigen dispersen und rheologischen Eigenschaften von Zementsuspensionen
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Harald Budelmann; Dr.-Ing. Hans-Werner Krauss; Professor Dr.-Ing. Arno Kwade; Professor Dr.-Ing. Carsten Schilde
Fachliche Zuordnung
Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
Förderung
Förderung von 2017 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387066140
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.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
