Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe Rheologie zementgebundener Werkstoffe Thomas A. BIER Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg,
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe Einleitung Definitionen, volkswirtschaftliche Bedeutung, Geschichte Rohstoffe Natürliche, Gesteine, organische Grundlegende Verfahren zur Herstellung von Baustoffen Gesteine, Zuschläge, Gips, Zement, Kalk, Mörtel, Baukeramik, Steine, Bauteile, Beton, Glas Grundlagen der Baustofflehre - Eigenschaften Allgemeine Eigenschaften, Struktur, Kenngrößen Hydratations und Polymerisationsvorgänge Lösungsgleichgewicht, Chemisches Potenzial, Strukturierung Rheologie technischer Suspensionen (mineralischer Baustoffe)
Zementsuspension Im Gemisch mit Wasser ziehen sich die Zementpartikel gegenseitig an und bilden voluminöse Flocken oder Agglomerate. Die in der Anmachwasserlösung gelösten Sulfate fördern das Ausflocken. Zusatzmittel, die den Wasseranspruch des Betons vermindern, als Betonverflüssiger bezeichnet, verringern oder verhindern die Neigung zur Agglomeratbildung. Sie lässt sich auch durch sehr intensives Mischen vermindern, z.b. mit Ultraschall. Diese Wirkung ist erkennbar u.a. auch an der Korngrößenverteilung des in der Anmachwasserlösung suspendierten Zements, die mit dem Laser Granulometer gemessen werden kann. Zur Deutung kommen im Wesentlichen folgende Vorgänge in Betracht, die einzeln oder in Kombination wirksam sein können :
Rheologie in der Praxis
Dispersion Ausbreitmaß und Rheologie der Bindephase Zuschläge Beton Füller Zement Wasser Zusatzmittel Binder Ausbreitmaß = f(t) Drehmoment = f(t) Ausbreitmaß Verarbeitungszeit Time WT
Rheologie - Viskoelastizitätstheorie Die Verformungen vieler Werkstoffe, z.b. der Kunststoffe, des Bitumens und des Betons, setzen sich aus reversiblen und irreversiblen sowie aus zeitabhängigen und zeitunabhängigen Anteilen zusammen. Diese Verformungsanteile sind in hohem Maße temperaturabhängig. Da die Verformungs-eigenschaften der Werkstoffe für die in einem Bauwerk zu erwartenden Verformungen und für die Verteilung der Schnittgrößen in statisch unbestimmten Tragwerken von großer Bedeutung sind, wurden Theorien entwickelt, mit denen die Verformungseigenschaften der Werkstoffe durch Modell-vorstellungen (Rheologische Modelle) dargestellt und daraus abgeleitete Gesetzmäßigkeiten berechnet werden können.
Grundlegende Rheologische Größen
Strukturviskosität Als Strukturviskosität wird die Abhängigkeit der Viskosität von der Scherrate bezeichnet. Da zementgebundene Systeme kein newton sches Fließverhaltenzeigen ist die Einführung der Strukturviskosität zur Beschreibung des Fließverhaltens zwingend notwendig.
Rotationexperiment
Deformation Die Deformation γ beschreibt die Verformung einer Probe. Zur Definition der Deformation wird wiederum das Zwei-Platten-Modell herangezogen. Zwischen zwei Platten mit dem Abstand h wird eine Probe geschert. Durch die Scherung wird die Probe deformiert.
Oszillationsversuch Bei Vorgabe der Schubspannung oszilliert die Schubspannung entsprechend einer Sinusfunktion. Die resultierende Deformation hat die gleiche Frequenz wie die Schubspannung, kann sich jedoch in Amplitude und Phase unterscheiden.
Oszillationsversuch
Speichermodul und Verlustmodul Der Speichermodul ist ein Maß für die reversibel von der Substanz gespeicherte und rückgewinnbare Deformationsenergie. Er charakterisiert somit die elastischen Eigenschaften einer Substanz. Da zur Speicherung elastischer Deformationsenergie eine Struktur nötig ist, gibt er die Strukturstärke der Probe an und korreliert mit der Fließgrenze. Der Verlustmodul stellt ein Maß für die irreversibel von der Substanz an die Umgebung abgegebene und damit verlorene Energie dar. Er charakterisiert somit die viskosen Eigenschaften der Messprobe. Für einen ideal elastischen Festkörper gilt G =0 (kein Verlust) und G* entspricht G. Für eine ideale Flüssigkeit gilt G =0, weil hier keine Strukturen vorhanden sind, die die eingebrachte Energie speichern können. Der komplexe Schubmodul entspricht daher G.
Fließ- und Viskositätskurve bei newton schem Fließverhalten.
Pseudoplastisches oder Strukturviskoses Fließverhalten Da die Viskosität pseudoplastischer Substanzen nicht konstant ist, wird sie auch als scheinbare Viskosität bezeichnet. Die Ursache für dieses Phänomen ist ein anfängliches Verhaken mehrerer Partikel oder Verschlaufen von Makromolekülen, das mit zunehmender Scherrate abnimmt.
Strukturviskosität Als Strukturviskosität wird die Abhängigkeit der Viskosität von der Scherrate bezeichnet. Da zementgebundene Systeme kein newton sches Fließverhaltenzeigen ist die Einführung der Strukturviskosität zur Beschreibung des Fließverhaltens zwingend notwendig.
Dilatantes Fließverhalten Bei dilatantem Fließverhalten nimmt die Viskosität einer Substanz mit steigender Scherrate zu. Dilatantes Fließverhalten tritt sehr selten auf. Die Ursache ist, z. B. bei Suspensionen, ein zunehmender Zerfall von Partikeln bei steigender Scherbelastung. Durch die Entstehung mehrerer kleinerer Partikel nimmt die spezifische Oberfläche zu und es wird, abhängig von den Sorptionsverhältnissen, mehr der flüssigen Phase an die Partikel gebunden.
Fließgrenze Substanzen mit einer Fließgrenze beginnen erst zu fließen, wenn die von außen einwirkenden Kräfte einen bestimmten Wert überschreiten. Sind die äußeren Kräfte geringer als die innerhalb der Substanz wirkenden Strukturkräfte überwiegen die elastischen Eigenschaften und die Substanz verhält sich wie ein Festkörper. In diesem Fall sind sehr kleine, nach Ende der Krafteinwirkung, reversible Deformationen möglich.
Thixotropie Thixotropie bedeutet den Abbau von internen Strukturen durch eine Scherbewegung und den vollständigen Wiederaufbau der Strukturen in der Ruhephase. Es handelt sich hierbeitum einen reversiblen Vorgang. Die Thixotropie ist als rein zeitabhängiges Verhaltentdefiniert, bei einem Strukturabbau bei zunehmender Scherbelastung handelt es sich daher nicht um Thixotropie. Eine Bestimmung der Thixotropie kann daher nur bei konstanter Scherrate bzw. Schubspannung erfolgen.
Rheopexie Rheopexie bedeutet den Aufbau einer Über -struktur während einer Scherbelastung. Die Rheopexie ist wie die Thixotropie als rein zeitabhängiges Verhalten definiert und kann nur in Versuchen mit konstanter Scherbelastung bestimmt werden.
Fließgrenze nach Herschel-Bulkeley Substanzen mit einer Fließgrenze beginnen erst zu fließen, wenn die von außen einwirkenden Kräfte einen bestimmten Wert überschreiten. Sind die äußeren Kräfte geringer als die innerhalb der Substanz wirkenden Strukturkräfte überwiegen die elastischen Eigenschaften und die Substanz verhält sich wie ein Festkörper. In diesem Fall sind sehr kleine, nach Ende der Krafteinwirkung, reversible Deformationen möglich.
Rheologie - Viskoelastizitätstheorie Die Verformungen vieler Werkstoffe, z.b. der Kunststoffe, des Bitumens und des Betons, setzen sich aus reversiblen und irreversiblen sowie aus zeitabhängigen und zeitunabhängigen Anteilen zusammen. Diese Verformungsanteile sind in hohem Maße temperaturabhängig. Da die Verformungseigenschaften der Werkstoffe für die in einem Bauwerk zu erwartenden Verformungen und für die Verteilung der Schnittgrößen in statisch unbestimmten Tragwerken von großer Bedeutung sind, wurden Theorien entwickelt, mit denen die Verformungseigenschaften der Werkstoffe durch Modell-vorstellungen (Rheologische Modelle) dargestellt und daraus abgeleitete Gesetzmäßigkeiten berechnet werden können.
Definition der Viskosität Ein Werkstoff hat viskose Eigenschaften, wenn er unter Last bleibende, zeitabhängige Verformungen aufweist. Er verhält sich dann ähnlich wie eine Flüssigkeit unter Last. Diese Eigenschaft kann durch ein Modell, das sog. Dämpfungselement, dargestellt werden. Das Dämpfungselement besteht aus einem Kolben und einem Zylinder, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Die Flüssigkeit kann durch Öffnungen im Kolben aus dem Zylinder entweichen. Damit verschiebt sich bei s = const. der Kolben in Abhängigkeit von der Zeit.
Newton sche Flüssigkeit Die Viskosität ist ein Maß für den Widerstand eines Werkstoffes gegen Fließen. Je höher umso größer ist der Widerstand gegen Fließen bzw. umso geringer ist die Fließ- bzw. viskose Verformung. Die viskosen Eigenschaften einer Newton'schen Flüssigkeit können durch die absolute oder dynamische Viskosität,, in der Maßeinheit Poise = beschrieben werden.
Die Einheit Poise Definition der Maßeinheit Poise: "Ein laminar strömender, homogener, isotroper Körper (= Newton'sche Flüssigkeit) hat die dynamische Viskosität 1 P (1 Poise), wenn bei einer Schubspannung von 10-5 N/cm2 ein Geschwindigkeitsgefälle von 1 cm/sec je Zentimeter auftritt."
Die Einheit Poise Für die Modellvorstellung des Dämpfungselementes zeigt GI. 1, daß bei einer Newton'schen Flüssigkeit mit der Viskosität, die durch eine konstante Spannung ( v beansprucht ist und aus einem durchlässigen Zylinder ausströmen kann, sich die Dehnung (Kolbenweg) proportional zur Zeit ändert. Bei veränderlicher Spannung ist die Spannung in der Flüssigkeit der Dehnungsänderung proportional. ist dem E-Modul bei elastischer Verformung ähnlich, denn nach dem Hooke'schen Gesetz gilt:
Rheologische Modelle Nur wenige Werkstoffe sind in ihren Eigenschaften Newton'sche Flüssigkeiten (z.b. einige Bitumenarten). Viele Werkstoffe besitzen neben viskosen (irreversible, zeitabhängige) auch elastische (reversible) Verformungsanteile. Ihre Verformungseigenschaften können durch erweiterte Modelle, sog. rheologische Modelle beschrieben werden. Die rheologischen Modelle werden aus den folgenden zwei Grundelementen aufgebaut.
Kelvin-Voigt Modell
Maxwell Modell
Rheologische Modelle
Rheologische Modelle
Rheologische Modelle Beispiel 1
Rheologische Modelle Beispiel 1 Beim Maxwell Modell steigt unter konstanter Dauerlast die Kriechverformung linear mit der Zeit an und bleibt nach der Entlastung konstant. Nur wenige Werkstoffe zeigen ein solches Verhalten. Beim Voigt Modell stellt sich bei der Belastung noch keine Verformung ein (für viele Stoffe nicht zutreffend), die Dehnung wächst aber mit der Zeit nicht linear an. Nach der Entlastung tritt eine elastische Nachwirkung, d.h. ein Rückgang der Kriechverformung, ein. Für t ist = 0. Die elastische Nachwirkung wird zwar bei vielen Werkstoffen beobachtet, seltener jedoch, das die Verformung auf Null zurückgeht. Das einfache Voigt Modell ist daher häufig nicht wirklichkeitsnah. => Burger s Modell ist besser angepasst
Rheologische Modelle Beispiel 2 Konstante Dehnung Relaxation nach Maxwell Für manche Werkstoffe sind diese einfachen Modelle noch nicht ausreichend, um deren Verformungsverhalten zu beschreiben. Durch weitere Kombination von Grundelementen und Wahl verschiedener Kenngrößen für und E ist es jedoch möglich, mit dieser Methode das Verformungsverhalten vieler Werkstoffe zu beschreiben.