Auftreten von Heterogenitäten beim Pumpen von Zementmischungen

Abstract

Das Auftreten von Heterogenitäten im Frischbeton während der Betonierphase ist generell auf die relative Bewegung zwischen den einzelnen Komponenten der Betonmischung zurückzuführen. Wenn die Betonmischung nicht stabil ist dann bewegen sich größere und schwerere Körner aufgrund der Schwerkraft nach unten und das Wasser bewegt sich dabei im Gegenzug nach oben. Das Ausmaß dieser Heterogenitäten kann beim Pumpen von Beton noch größer sein, da neben der schwerkraft-induzierten Faktoren, zusätzlich noch scher-induzierte Faktoren hinzukommen. Diese Heterogenitäten können den Pumpvorgang und die mechanischen Eigenschaften des Betons erheblich beeinflussen. Um diese Heterogenitäten zu untersuchen werden im Rahmen dieser Diplomarbeit Experimente durchgeführt, die das Verhalten von Zementmischungen unter Strömung bzw. Scherbeanspruchung analysieren. Vor diesen Experimenten werden rheologische Messungen der Zementmischungen, mit dem Rotationsrheometer "Viskomat NT" zusammen mit der Korbzelle bzw. Vane-Messzelle durchgeführt. In diesem Teil der Arbeit wird das Verhalten der Zementmischungen unter Scherbeanspruchung untersucht und die dabei auftretenden Phänomene (Sedimentation, Thixotropie, Partikelmigration, etc.) dargestellt und erläutert. Die rheologischen Kenngrößen der Zementmischungen, werden durch Messungen mit der Korbzelle die eine Doppelringspaltgeometrie aufweist, bestimmt. Durch Anpassen eines Herschel- Bulkley Modells an diese Kenngrößen, werden auch die theoretischen Strömungsprofile der Zementmischungen während den Experimenten bestimmt. Bei den Experimenten handelt es sich um Pumpversuche von Zementmischungen durch transparente Glasrohre mit einem Durchmesser von d = 16 mm, die mit Hilfe einer selbstgebauten Kolbenpumpe durchgeführt werden. Für die Pumpversuche werden zwei Zementmischungen (mit farbigen Glaskugeln als Zuschlag) die sich vom Glaskugelanteil unterscheiden (20% bzw. 30%), verwendet. Die Auswertung der Glaskugelkonzentration erfolgt dabei nach dem Aushärten des Betons in den Rohren, indem mikroskopische Bilder der Rohrproben durch die Software "ImageJ" bearbeitet werden. Die Glaskugelkonzentration wird dabei als Funktion der radialen Entfernung von der Rohrmitte sowie der Entfernung von der Einpumpstelle, dargestellt. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen, dass in Abhängigkeit des Glaskugelanteils der Zementmischung, Heterogenitäten sowohl entlang des Rohres (höhere Glaskugelkonzentration am Kopf der Strömung) als auch radial im Rohr (höhere Glaskugelkonzentration im Zentrum) auftreten.

The appearance of heterogeneities in concrete structures during the placement of concrete is due to the relative movement between the components of the concrete mixture. If the concrete mixture is not stable, bigger and heavier aggregates settle down because of the gravity and in return water moves up. The appearance of these heterogeneities could become even more relevant during the pumping of concrete, because additionally to the mentioned gravity factor, there is also a shear induced factor which may lead to particle migration. These heterogeneities may have a major impact on the pumping process and the mechanical properties of the concrete. In order to investigate these heterogeneities, experiments are carried out wich enable to analyze the behavior of cementitious mixtures under flow respectively shear stress. Prior to these experiments, rheological measurements of the cementitious mixtures are performed with the rotational rheometer "Viskomat NT" in combination with the "Korbzelle" and the vane tool. In this part, the behavior of the cementitious mixtures under shear stress is investigated. The formation of heterogeneities during these tests (sedimentation, thixotropy, particle migration, etc.) are examined and explained. The rheological parameters of these cementitious mixtures are determined by measurements with the "Korbzelle" which has a double-ring gap geometry. Finally, by fitting a Herschel-Bulkley model to these parameters, the theoretical flow profiles of the cementitious mixtures during the experiments, are also determined. Then, the cementitious mixtures are pumped through transparent glass pipes with a diameter of d = 16 mm, with a costum-built piston pump. For these experiments, two cementitious mixtures (with colored glass beads as a filler) differing in glass beads content (20% and 30%) are used. The evaluation of the particle concentration is made after the concrete sets in the pipe, with microscopic photos of the pipe samples which are then processed by the software "ImageJ". The glass beads concentration is analyzed as a function of the distance from the pipe center and from the injection point. Results of these analysis show that depending on the glass beads content, heterogeneities occur both along the pipe (higher solid volume fraction at the front) and radially in the pipe (higher solid volume fraction in the center