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Untersuchung der unterschiedlichen Fließmitteln mit Hilfe von Rheoloische Messungen#

Von

Dipl. Ing. Dr. Ameneh Schneider


Einleitung#

Die Rheologie oder Fließkunde ist die Wissenschaft, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Materie beschäftigt.

Rheologie als ein typisches interdisziplinäres Fach steht in Kontakt mit der Physik, der Chemie, den Wekstoffwissenschaften sowie Lebensmitteltechnologie. Zurzeit finden Rheologishe Messungen Anwendung in Bereichen wie Baustoffe, Werkstoffe, Schmierstoffe, Materialtechnik, Kosmetik, Kunststoffe und Medizin.

Rheologische Methoden #

Rheologische Methoden (Rotationsrheometer) werden in der Baustoffbranche schon seit Langem eingesetzt [1]. Sowohl die einfache optische Begutachtung der Konsistenz, als auch das Ausbreitmaß sind nützliche Methoden und werden aufgrund ihrer Einfachheit noch immer angewendet. Bei vielen Fragestellungen ist es jedoch notwendig das Fließverhalten und die Viskosität quantitativ und reproduzierbar zu erfassen. Das Ausbreitmaß liefert als Ergebnis lediglich eine Größe für ein vorgegebenes Belastungsprofil aus 15 Hubschlägen. Eine Fließkurve beschreibt dagegen die Abhängigkeit des Fließverhaltens von der Scherbelastung, so dass man aus ihr das Fließverhalten unter verschiedenen Bedingungen herleiten kann. Wissenschaftler bezeichnen die Rheologie als eine unverzichtbare Methode in Bereich der Betonforschung [2].

Ziel der Untersuchungen in VÖZfi ist einerseits, den Einfluss von Zementhaupt-bestandteilen wie Hüttensand und Kalkstein auf die Wirkung der Fließmittel (abhängig von der jeweiligen PCE-Molekülstruktur) zu ermitteln, andererseits den Einfluss der Variationen der Klinkerparameter sowie Sulfatträger auf die Wirkungsweise der unterschiedlichen PCE-Moleküle darzustellen. Die Untersuchungen wurden mit einem Rotationsrheometer, Viskomat NT von Fa. Schleibinger durchgeführt (s. Abb. 1).

Abb. 1: der Viskomat NT der Fa. Schleibinger
Abb. 1: der Viskomat NT der Fa. Schleibinger

Die Molekularstruktur von PCE unterscheidet sich von den bisher im Einsatz befindlichen Fließmittel auf Naphtalin- und Melaminbasis deutlich. Die dispergierende (verflüssigende) Wirkung resultiert nicht nur aus einer elektrostatischen Abstoßungswirkung zwischen den Molekülen. In PCE-Molekülen sind lange Seitenketten eingebaut, welche zusätzlich zur elektrostatischen Wirkung eine sogennante „sterische Abstoßung“ bewirken [3]. Generell gibt es bei PCE-Molekülen ein größeres Potential an Formulierungsmöglichkeiten als bei Produkten auf Naphtalin- und Melaminbasis. Dadurch können PCE-Fließmittel mit deutlich unterschiedlicher Wirkcharakteristik entwickelt werden, was eine optimale Anpassung an unterschiedliche betontechnologische Aufgabenstellung ermöglicht [4]. Für das geplante Versuchsprogramm werden verschieden konfigurierte PCE-Fließmittel verwendet, um ein möglichst breites Spektrum abdecken zu können.

Die erste Stufe des Forschungsvorhabens umfasst die Erarbeitung und Festlegung einer für das geplante Vorhaben optimierten Untersuchungsmethode unter Verwendung eines Rotationsrheometers für Zementleim. Mit dieser Methode sollen rheologische Parameter wie Viskosität, Schwerwiderstand, Fließgrenze ermittelt werden. Zusätzlich werden durch Sättigungskurven die maximal zulässigen Fließmittelzugaben ermittelt.

Abhängig von den ausgewählten Zementen sollen nachstehende Einflussparameter beurteilt werden:

  1. Feinheit der Zemente (spezifische Oberfläche, Kornzusammensetzung)
  2. Sulfatträger
  3. Alkalien im Zement bzw. lösliche Alkalien im Porenwasser
  4. Einige Parameter in Klinkerproduktion wie C3A-Gehalt
  5. Zumahlstoffe (z.B. Kalkstein-, Hüttensandgehalt)

Parallel zu diesen Untersuchungen sind zur Beurteilung der Zusammensetzung der Zemente chemische Analysen der Porenlösungen geplant. Zur Bestimmung der Feinheit und der Kornzusammensetzung werden Beurteilungen der spezifischen Oberfläche nach Blaine und Gesamtzusammensetzungsermittlungen mittels Flow Particle Image Analyzer und Lasergranulometrie durchgeführt. Diese Untersuchungen dienen zur Interpretation der Fließkurven und der Wechselwirkungen zwischen den Stoffparametern und den PCEMolekülen. Als ergänzendes Ziel werden durch Betonversuche festgestellt, ob die geplanten Beurteilungen bzw. Untersuchungen nur an Zementleim durchführbar und die Ergebnisse auf Betonrezepturen übertragbar sind oder ob der Einfluss des Betons die Definition eigener Randbedingungen erfordert. Geplant sind Untersuchungen an einem Beton mit Größtkorn 16 mm, u. a. Bestimmungen des Ausbreitmaßes bzw. des Ausbreitfließmaßes aber auch Korrelationsuntersuchungen mit einem Betonrheometer. Die Untersuchungen werden mit PCE-Fließmittel und Zementen durchgeführt, welche im Zuge der Versuche am Zementleim bzw. aufgrund der Auswertung signifikante Ergebnisse zeigen.

Referenzen#

[1] M. Greim, Rheological Measurement on Building Materials, a Comprehensive Research Program, Annual Transactions of the Nordic Rheology Society, Volume 5, 1997, Conference 1997, Reykjavik, August 6-9 (1997)

[2] O. Wallevik et al, Rheology as a tool in concrete science: the use of Rheolographs and workability boxes; Cement and Concrete Research 41, p.1279-1288 (2011)

[3] J. Plank, B. Sachsenhauser, Experimental determination of the effective anionic charge density of polycarboxylate superplasticizers in cement pore solution; Cement and Concrete Research, 39 (1), p.1-5 (2009)

[4] R. Qianping et al, Effect of the length of the side chain of comb-like copolymer dispersants on dispersion and rheological properties of concentrated cement suspension; Journal of Colloid and Interface Science, 336, 624-633 (2009)

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