Rheologie von Frischbeton beherrschen

Opus Fluidum Futurum – Bericht aus dem DFG SPP 2005

Bei der Errichtung und Instandhaltung von Bauwerken bildet die Verarbeitung zementgebundener Baustoffe den Kern der technologischen Entwicklung. Die Formbarkeit des Frischbetons bietet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für die Formgebung von Konstruktionen und die Entwicklung neuer Bauverfahren. Allerdings wird bislang nur ein Bruchteil dieses enormen Potenzials genutzt. Die fehlende wissenschaftliche Grundlage für die Beherrschung rheologiebasierter Prozesse ist ein großes Hindernis für die Entwicklung neuartiger, hochinnovativer Bautechnologien, wie beispielsweise des 3D-Drucks mit Beton (Abb. 1) sowie für die Lösung aktueller technischer Herausforderungen, wie beim Betonpumpen in sehr große Höhen.

Grund für das derzeit noch unzureichende rheologische Modell ist die extrem hohe Komplexität zementärer Stoffsysteme. Nur wenige Sekunden nach der Wasserzugabe führt die hohe chemische Reaktivität des mineralischen Bindemittels zu Veränderungen der Partikelmorphologie, zur Auflösung größerer und Bildung neuer, nanoskaliger Partikel sowie zu einem weitreichenden chemischen Umbau des Trägerfluids. Sowohl dieses als auch die neugebildeten Nanopartikel interagieren wiederum mit Rohstoffgranulat mit einer Korngröße von bis zu mehreren Zentimetern (multiskalig). Zudem stellen Zementsuspensionen stets komplexe, mehrphasige Systeme dar, die neben Wasser und unterschiedlichen Mineralpartikeln organische Zusatzmittel und Luftporen enthalten. Schließlich zeigen sich bei der Verarbeitung zementgebundener Materialien unterschiedlichste Deformationsraten, was zu enorm hohen Anforderungen an die Verfahren der Charakterisierung und Simulation führt.

Ziele des Schwerpunktprogramms

Ziel des Schwerpunktprogramms „Opus Fluidum Futurum – Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme“ (SPP 2005) ist die Herleitung und Beschreibung wissenschaftlicher Grundlagen für das Verständnis und die nachfolgende Konzipierung rheologiebasierter Bauverfahren sowie für die Entwicklung innovativer, nachhaltiger Baustoffe und damit verbundener bahnbrechender Verarbeitungstechnologien. Dabei wird das gesamte wissenschaftliche Spektrum in Bezug auf die Rheologie zementgebundener Stoffe vor der Erhärtung berücksichtigt.

Das Programm konzentriert sich vor allem auf die folgenden

wissenschaftlichen Zielstellungen:

Untersuchung und Analyse der Wechselwirkungen reaktiver (hydratisierender) Partikel auf der Mikroebene, einschließlich der Quantifizierung von Einflüssen (Morphologie, chemische Eigenschaften, Temperatur, Zeit etc.) sowie Modellierung von Partikelinteraktionen

Entwicklung von Strategien und Konzepten für die Beschreibung von Verformungs- und Fließprozessen des Frischbetons auf der Basis mikroskaliger Prozesse unter Berücksichtigung mesoskopischer Prozesse (Entmischung, Entlüftung, Faserverteilung etc.)

Analyse und Verständnis der für Frischbeton relevanten Verarbeitungsschritte (Transport, Betonage, Verdichtung, Oberflächenbehandlung etc.) mittels wissenschaftlicher Werkzeuge und Methoden der Rheologie

Erarbeitung von Messverfahren für die Ermittlung des Frischbetonverhaltens für unterschiedliche Betrachtungsebenen und Hypothesen

Entwicklung konstitutiver Materialbeziehungen für Frischbeton zur Simulation der Prozessphasen und -schritte

Um diese Ziele zu erreichen, gliedert sich das Programm in drei Module; siehe auch Abb. 2.

Modul I: Partikelinteraktionen als Grundlage der Rheologie von Bindemittelsuspensionen

Modul II: Fließ- und Verformungsverhalten von Frischbeton

Modul III: Konstitutive Stoffgesetze und Methoden für die Beschreibung und Beeinflussung technologischer Prozesse

Bei der Auswahl der betrachteten Prozesse liegt das Hauptaugenmerk auf dem rheologischen Verhalten der fertigen Suspension und nicht auf dem für die Herstellung dieser Suspension angewandten Verfahren. Zudem konzentriert sich das Forschungsvorhaben auf die rheologischen Eigenschaften der Suspension an der Schnittstelle zwischen Betontechnologie und technischer Ausrüstung. Zweck des Programms ist allerdings nicht die Optimierung/Verbesserung einzelner technologischer Prozesse, vielmehr soll dies Gegenstand nachfolgender Forschungsprojekte sein.

 

Umsetzung des Schwerpunktprogramms

Das Programm läuft über einen Zeitraum von insgesamt sechs Jahren, wobei sich der Gesamtförderbetrag auf ca. 15 Mio. Euro beläuft. Das Programm umfasst 17 Einzel- und Verbundforschungsvorhaben sowie ein Koordinationsprojekt. Mit der Mehrzahl der Einzelprojekte wurde bereits Anfang 2018 begonnen. Am Schwerpunktprogramm sind Wissenschaftler an 17 Universitäten und Forschungsinstituten beteiligt. Als Koordinator des SPP 2005 fungiert der Erstautor, als Geschäftsführer der Zweitautor des vorliegenden Beitrags.

Ausgangspunkte der im Rahmen des SPP 2005 erfolgten synergetischen Forschung waren die Auswahl von Referenzmaterialien,   -verfahren und Standardabläufen sowie von für die Kommunikation zu nutzenden Dateiformaten, um die Vergleichbarkeit der in allen Einzelprojekten dokumentierten Ergebnisse zu ermöglichen und einen synergetischen Austausch relevanter wissenschaftlicher Informationen zu initiieren. Das Verbundforschungsvorhaben wird durch die sogenannte Plattform für synergetischen Informationsaustausch unterstützt; siehe Abb. 2. Kern dieser Plattform ist eine auf der Ebene des Koordinationsprojekts betreute gemeinsame Datenbank. Für die synergetische Umsetzung der einzelnen Aktivitäten wurden drei Arbeitsgruppen zu folgenden Schwerpunkten gebildet:

1) Materialcharakterisierung

2) Rheometrie

3) Numerik

Die gemeinsame Forschung wird durch eine Reihe von Aktivitäten initiiert, darunter Ringversuche, Workshops und Sommerschulen. Als Referenten und Experten wurden renommierte nationale und internationale Wissenschaftler von namhaften Universitäten und Forschungsinstituten sowie aus der Industrie gewonnen, um dem Schwerpunktprogramm internationale Strahlkraft zu verleihen. Erste Ergebnisse des SPP 2005 wurden erfolgreich im Rahmen eines Sondervortrags auf der vom 9. bis zum 11. September 2019 in Dresden organisierten Tandemkonferenz vorgestellt, der 2nd International Conference on Rheology und Processing of Construction Materials und dem 9th International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete [1].

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