Viscoelasticity related deformability and structural build-up of fresh concrete - Effects of carrier liquid chemistry on particle interactions (VisCodeBuild)

Bearbeiterin: Mareike Thiedeitz, M.Eng.
Förderer: DFG

Das Forschungsvorhaben VisCodeBuild ist ein Kooperationsprojekt der TU München, der TU Darmstadt und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin. Im Rahmen der 2. Förderperiode des DFG-geförderten Schwerpunktprogramms „SPP 2005 - Opus Fluidum Futurum - Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme“ wird in dem Teilprojekt von 2021-2024 im Anschluss an das Teilprojekt „Form filling behavior of fresh concrete – A time- and hydration dependent approach“ speziell auf die Viskoelastizität zementbasierter Baustoffe eingegangen.

Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, ein grundlegendes Verständnis des viskoelastischen Verhaltens zementbasierter Baustoffe durch die Analyse der kolloidalen Phasenchemie zu erreichen. Die Entwicklung der Ionenkonzentration der Trägerflüssigkeit und deren Abhängigkeit von den chemischen Charakteristika und den Grenzflächeneigenschaften der Feststoffe (Kolloide, Partikel, Hydrate) und der anschließenden Bewertung der Phasenwechselwirkungen (Flüssigkeit, Kolloid, Partikel, Hydrat, Polymer) im Verlauf der Anfangshydratation werden seitens der BAM untersucht und mit umfangreichen rheologischen Analysen seitens der TU München verglichen. Viskoelastische Verformungsparameter können mittels Oszillationsrheometrie ermittelt werden; weiterhin wird an der BAM zusätzlich ein Rheometeraufbau verwendet, der es mittels optischer Methoden erlaubt, kolloidale Wechselwirkungen innerhalb der flüssigen Phase in situ unter verschiedenen Scherbedingungen und Normalkräften zu beobachten.

Die Ergebnisse zur kolloidalen Phasenentwicklung werden anschließend an der TU Darmstadt in partikelbasierte Mikrostrukturmodelle (statistisch sowie vollständig in 3D) implementiert, um das rheologische Verhalten der Leime in Ruhe und bei geringer Scherung zu vorherzusagen. Die mikrostrukturelle Simulation dient ferner als Input für ein fortschrittliches Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modell zur Simulation des Fließens zementbasierter Baustoffe, wobei die zeit- und scherabhängige Entwicklung des viskoelastischen Verformungsverhaltens und die Auswirkungen der chemischen Partikelwechselwirkungen innerhalb des Leims berücksichtigt werden.

Abschließend erfolgt ein experimentelles Upscaling vom Leim auf Betonsysteme, einschließlich verschiedener Sand- und grober (recycelter) Gesteinskörnungen, um die Relevanz kolloidaler Wechselwirkungen bei überlappenden makroskopischen rheologischen Einflüssen durch Rotationsrheometrie und Fließ- und Formfüllversuche zu bewerten. Die Ergebnisse werden weiterhin zur Validierung der Fließvorhersagen verwendet, die von hochskalierten Modellen unter Verwendung von CFD-Simulationen erhalten wurden.