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«Charakterisierung der Mischzeit und des rheologischen Verhaltens ultrahochfester Betone unter Einbeziehung interpartikulärer Wechselwirkungen Oliver ...»

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TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

LEHRSTUHL FÜR BAUSTOFFKUNDE UND WERKSTOFFPRÜFUNG

Charakterisierung der Mischzeit und des rheologischen

Verhaltens ultrahochfester Betone unter Einbeziehung

interpartikulärer Wechselwirkungen

Oliver Jürgen Mazanec

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der

Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter Schießl, i.R.

2. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Johann Peter Plank

3. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dietmar Stephan Technische Universität Berlin Die Dissertation wurde am 12.09.2012 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen am 07.03.2013 angenommen.

Vorwort Ultrahochfester Beton (UHPC) ist ein high-tech Werkstoff, der mich seit über zehn Jahren fasziniert. So beschäftigte ich mich bereits während meiner Diplom- und Masterarbeit mit der Erforschung wesentlicher Aspekte des UHPC. Ich freue mich daher umso mehr, dass ich während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität München von September 2005 bis Oktober 2011 drei Forschungsprojekte rund um die Thematik meiner Dissertation bearbeiten konnte. Die Forschungsprojekte wurden im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Nachhaltiges Bauen mit Ultra-Hochfestem Beton“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell unterstützt. Dafür bedanke ich mich sehr.

Besonderer Dank gilt auch Herrn Dirk Lowke für die Ausarbeitung des ersten Forschungsantrags, der Voraussetzung zur Bewilligung der finanziellen Mittel war. Auch möchte ich Herrn Lowke für die fachliche Begleitung und die vielen wertvollen Hinweise danken, die maßgeblich zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben.

Für die Ermöglichung dieser Arbeit, die Überlassung des Themas und die Betreuung eines wesentlichen Teils der Dissertation gilt mein besonderer Dank Herrn Professor Peter Schießl. Herr Professor Schießl gab mir das Vertrauen und den nötigen Freiraum um die Forschungsprojekte selbstständig zu bearbeiten. Für wesentliche Entscheidungen hat er stets die richtigen Hinweise und die nötige Unterstützung gegeben.

Herrn Professor Johann Plank danke ich für die Übernahme des Korreferates und für die enge und unbürokratische Zusammenarbeit im Rahmen des DFG Schwerpunktprogrammes.

Für die Übernahme des Korreferates und die kollegiale Zusammenarbeit im Rahmen des DFG Schwerpunktprogrammes danke ich Herrn ProfessorDietmar Stephan. Die Übernahme stellt eine schöne Abrundung der bisherigen Zusammenarbeit dar.

Besonderen Dank möchte ich auch Herrn Professor Christoph Gehlen für die Übernahme des Vorsitzes der Prüfungskommision und die Unterstützung in den letzten Jahren aussprechen. Die angenehme und kollegiale Arbeitsatmosphäre habe ich immer sehr geschätzt.

Mein weiterer Dank gilt Herrn Dr. Mirko Gruber, mit dem sich neben der fachlichen Zusammenarbeit auch eine enge Freundschaft entwickelt hat, Herrn Dr. Christof Schröfl und Herrn Alex Lange die mir durch unsere enge Zusammenarbeit den Einstieg in die Bauchemie erleichterten.

Ganz besonders danke ich ihnen für die Analyse der zahlreichen TOC-Proben. Ohne Eure Unterstützung wäre die Arbeit in diesem Umfang nicht möglich gewesen.

Frau Charlotte Milachowski und Herrn Dr. Robin Beddoe danke ich für die ausgesprochen angenehme Zusammenarbeit, die vielen Gespräche, den fachlichen Erfahrungsaustausch und die kritische Durchsicht der Arbeit.

Rheologische Untersuchungen sind immer mit einem sehr hohen Versuchsaufwand verbunden.

Bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen hat mich das Laborteam der Arbeitsgruppe Betontechnologie mit hohem persönlichem Einsatz unterstützt. Besonders möchte ich mich hier bei Herrn Barnabas Omozokpia, Herrn Thomas Höhn, Herrn Klaus Linz und Frau Ivonne Köppe-Krießig bedanken. Sie wurden von meinen wissenschaflichen Hilfskräften: Birgitt Braun, Xiaoxia Gao, Simina Rosa, Andrea Henninger, Kai Zhang, Nicolas Klein und André Baum zu jeder Zeit wesentlich unterstützt. Hierfür sage ich meinen aufrichtigen Dank.

Darüber hinaus möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des Centrum Baustoffe und Materialprüfung für die sehr angenehme Arbeitsatmosphäre in den vergangenen Jahren bedanken.

Schließlich danke ich ganz herzlich meiner Frau Franziska, meinen Eltern Brigitte und Joachim Mazanec und meinen Schwiegereltern Marika und Volker Probst für ihre volle Unterstützung, ihre Geduld und ihr Vertrauen.

München, 2012 Oliver Mazanec Kurzfassung Ultrahochfester Beton (UHPC) stellt einen innovativen Fortschritt in der modernen Betontechnologie dar. Extrem lange Mischzeiten und erschwerte Verarbeitungseigenschaften begrenzen allerdings bisher seinen praktischen Einsatz auf nur wenige Bauwerke.

In der Arbeit werden die Einflüsse auf die erforderliche Mischzeit von UHPC untersucht, die maßgebenden Mechanismen charakterisiert und in ein Arbeitsmodell integriert. Durch Variation der Parameter ermöglicht das Modell die Zusammensetzung ultrahochfester Betone hinsichtlich ihrer Mischzeit zu optimieren.





Zum Verständnis der speziellen Verarbeitungseigenschaften wurden die rheologischen Eigenschaften und deren zeitliche Entwicklung ermittelt und mit den maßgebenden interpartikulären Wechselwirkungen, deren wesentliche Steuergröße die Packungsdichte des Partikelgemisches und die auf den Partikeloberflächen adsorbierte Menge an Fließmittelpolymer ist, verknüpft. Durch das Verständnis der zugrunde liegenden Wechselwirkungen lässt sich die Betonrezeptur nun gezielt für die jeweilige Anwendung abstimmen.

Abstract Without doubt, ultra high performance concrete (UHPC) represents an innovative progress in modern concrete technology. However up to now, extremely long mixing times and workability problems restrict the use of UHPC to just a few construction applications.

In this thesis, the factors affecting the necessary mixing time of UHPC are investigated and the decisive mechanisms characterized. The results are integrated in a working model which enables the prediction of the mixing time of UHPC based on parameters for mixing technology and concrete composition. By adjusting the parameters appropriately, it is thus possible to shorten the mixing time of UHPC already at the concrete design stage.

To understand the special workability properties of UHPC, the rheological properties and their evolution at low shear are systematically investigated and linked to the decisive interactions between the particles. These interactions are primarily controlled by packing density and the amount of adsorbed superplasticizer polymer on the particle surfaces. By understanding the fundamental interactions it is possible to optimize concrete composition for a particular application.

Keywords Ultrahochfester Beton, Mischen, Rheologie, Fließmittel, Packungsdichte, Adsorption, Fließgrenze, plastische Viskosität, Thixotropie Inhaltverzeichnis 1 EINLEITUNG

1.1 EINFÜHRUNG UND MOTIVATION

1.2 OFFENE FRAGEN UND ZIELSETZUNG

1.3 GLIEDERUNG DER ARBEIT

2 ULTRAHOCHFESTER BETON

3 GRUNDLAGEN ZUM MISCHEN

3.1 ALLGEMEINES

3.2 KAPILLARKRÄFTE ZWISCHEN FESTSTOFFPARTIKELN IN FEUCHTEN PARTIKELGEMISCHEN... 9

3.2.1 Allgemeines zur Theorie der Haftkräfte

3.2.2 Berechnungsgrundlage zur Kapillarkraft zwischen Partikeln

3.3 PARTIKELBEWEGUNG, DESAGGLOMERATION UND BENETZUNG VON PARTIKELGEMISCHEN..

3.3.1 Definition und Einteilung in Mischaufgaben

3.3.2 Konvektives und dispersives Mischen reiner Feststoffgemische

3.3.3 Physikalische Stadien feuchter Partikelgemische

3.3.4 Kinetik der Flüssigkeitsverteilung in Partikelgemischen während des Mischens15

3.4 METHODEN ZUR CHARAKTERISIERUNG DES MISCHERGEBNISSES

3.4.1 Einführung

3.4.2 Statistische Beurteilung der Mischgüte als Indikator des Mischergebnisses...... 16 3.4.3 Frisch- und Festbetoneigenschaften

3.4.4 Messung der Feuchteverteilung

3.4.5 Messung der elektrischen Antriebsleistung des Mischwerkzeugs

3.5 EINFLÜSSE AUF DIE MISCHZEIT UND AUSWIRKUNGEN AUF DIE BETONEIGENSCHAFTEN.... 22

3.5.1 Mischzeit und -intensität

3.5.2 Mischen mit Fließmitteln

3.5.3 Mischtechnik und -ablauf für Hochleistungsbetone

3.5.4 Einmischen von Fasern

3.5.5 Mischen unter Vakuum

3.6 ZUSAMMENFASSUNG

4 RHEOLOGIE UND WECHSELWIRKUNGEN IN FEINSTSTOFFSUSPENSIONEN35

4.1 HINTERGRUND

4.2 RHEOLOGISCHE GRUNDLAGEN UND FLIEßVERHALTEN VON ZEMENTLEIMEN

4.3 INTERPARTIKULÄRE WECHSELWIRKUNGEN UND STRUKTURAUFBAU

4.3.1 Chemische Reaktion der Zementpartikel und Wasser

4.3.2 Wechselwirkungsenergie zwischen Partikeln in flüssiger Umgebung................ 39

4.4 FLIEßEN VON ZEMENTSUSPENSIONEN UND BETON

4.4.1 Fließgrenze und interpartikuläre Wechselwirkungen

4.4.2 Partikelpackung

4.4.3 Ausgewählte Modelle zur Beschreibung von Fließgrenze und Thixotropie....... 53 i

ii INHALTSVERZEICHNIS

4.4.4 Plastische Viskosität

4.5 FLIEßMITTEL FÜR UHPC

4.5.1 Molekül- und Lösungsstrukturen von Polycarboxylat-Fließmitteln

4.5.2 Adsorption von Polymeren auf geladenen Partikeloberflächen

4.5.3 Zeitlicher Verlauf der Polymeradsorption

4.5.4 Wirkungsdauer adsorbierter Fließmittelpolymere

4.6 ZUSAMMENFASSUNG

5 AUSGANGSSTOFFE UND EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN.................. 67

5.1 EINFÜHRUNG

5.2 CHEMISCHE, MINERALOGISCHE UND PHYSIKALISCHE CHARAKTERISIERUNG DER

AUSGANGSSTOFFE

5.2.1 Zement

5.2.2 Zusatzstoffe

5.2.3 Fließmittelpolymere

5.2.4 Gesteinskörnung

5.3 MODELL ZUR BEURTEILUNG DES EINFLUSSES VON FEINSTOFFEN AUF DIE

PACKUNGSDICHTE VON UHPC

5.4 UNTERSUCHTE ZUSAMMENSETZUNGEN

5.4.1 Variation des Feststoffgehalts

5.4.2 Variation der Zementart

5.4.3 Variation von Zusatzstoffart und Partikelgrößenverteilung

5.4.4 Variation von Fließmittelart und -gehalt

5.4.5 Variation des Grobkorngehalts

5.5 MISCH- UND VERSUCHSTECHNIK

5.5.1 Bestimmung der erforderlichen Mischzeit

5.5.2 Rheologische Messungen

5.5.3 Adsorptionsuntersuchungen und Porenlösungscharakterisierung

5.5.4 Hydratationsverlauf mit isothermer Wärmeflusskalorimetrie

5.5.5 Elektroakustische Messung des Zeta-Potentials suspendierter Partikel.............. 90

6 HERSTELLTECHNISCHE UND BETONTECHNOLOGISCHE EINFLÜSSE AUF

DIE MISCHZEIT VON UHPC

6.1 EINLEITUNG UND KONZEPTION DES ARBEITSPROGRAMMS

6.2 EINFLUSS DES MISCHENS AUF DIE BETONEIGENSCHAFTEN

6.2.1 Einfluss der Mischzeit

6.2.2 Einfluss der Geschwindigkeit des Mischwerkzeugs

6.3 PHASEN BEIM MISCHEN VON UHPC

6.4 BEURTEILUNG DER MISCHZEIT VON UHPC ANHAND DER STABILISATIONSZEIT.............. 102 6.4.1 Kriterium zur Berechnung der erforderlichen Mischzeit

6.4.2 Einfluss der Geschwindigkeit des Mischwerkzeugs auf die Stabilisationszeit tS

6.4.3 Betontechnologische Einflüsse auf die Stabilisationszeit tS

6.4.4 Chemische Einflüsse auf die Stabilisationszeit tS

6.5 MODELL ZUR BERECHNUNG DER STABILISATIONSZEIT

INHALTSVERZEICHNIS iii 6.5.1 Prognose der Stabilisationszeit anhand herstell- und betontechnologischer Parameter

6.5.2 Berücksichtigung der Molekülstruktur des Fließmittels

6.6 ZUSAMMENFASSUNG

7 RHEOLOGISCHES VERHALTEN VON UHPC

7.1 EINLEITUNG UND ALLGEMEINE HINWEISE ZUM VERSUCHSABLAUF

7.2 ZEMENTHYDRATATION UND CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG DER PORENLÖSUNG........ 124 7.2.1 Hydratation der Zemente innerhalb der ersten Stunden

7.2.2 Entwicklung der Ionenkonzentration und des pH-Werts innerhalb der ersten Stunden

7.3 BEDEUTUNG DER HYDRATATION FÜR DIE ZEITLICHE ENTWICKLUNG VON FLIEßMAß UND

FLIEßMITTELADSORPTION

7.4 FLIEßMITTELADSORPTION UND DISPERGIERWIRKUNG

7.4.1 Adsorptionsisotherme und Adsorptionskonformation

7.4.2 Polymerbedarf und Dispergierung der Silicastaubpartikel

7.5 RHEOLOGISCHE EIGENSCHAFTEN VON UHPC

7.5.2 Einfluss von Fließmittelpolymer und Feststoffgehalt

7.5.3 Einfluss von Zementart und Feststoffgehalt

7.5.4 Einfluss von Silicastaub (Polymerbedarf und Partikelgrößenverteilung)......... 155 7.5.5 Einfluss inerter Gesteinsmehle und deren Partikelgrößenverteilung................ 157

7.6 SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DER RHEOLOGISCHEN EIGENSCHAFTEN VON UHPC....... 162

7.7 ZUSAMMENFASSUNG

8 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE ANWENDUNG VON UHPC IN DER PRAXIS.

8.1 ALLGEMEINES

8.2 HINWEISE FÜR DEN ENTWURF VON UHPC

8.2.1 Verkürzung der erforderlichen Mischzeit (Stabilisationszeit)

8.2.2 Verlängerung der Verarbeitungszeit

8.2.3 Verringerung der plastischen Viskosität

8.2.4 Verringerung der Fließgrenze und Thixotropie

9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

9.1 ZUSAMMENFASSUNG

9.2 AUSBLICK

LITERATURVERZEICHNIS

A1 CHARAKTERISIERUNG DER AUSGANGSSTOFFE

A2 ZUSAMMENSETZUNGEN VON UHPC MIT ZUSATZSTOFFEN

A3 IONENKONZENTRATION IN DER PORENLÖSUNG

–  –  –

Indizes cal berechnete Größe i [-] Laufindex max [-] maximal mögliche Größe mea Messgröße thix [-] thixotrop [-] unendlich ∞ 1 Einleitung



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