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Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Baustoffe
Egor Secrieru
Viktor Mechtcherine
Pumpen von Beton:
vom Labor in die Praxis
Sonderforschungsbereich 837
Rheologie – Workshop, Ruhr-Universität Bochum
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 2 -
Die Zahlen sprechen für sich
101 m
2015 m
606 m
[Putzmeister]
[Cifa-Zoomlion]
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 3 -
Argumente für das Pumpen von Beton
• Wirtschaftlich
• Sparsam
• Zielgenau
• Individuell
• Einfach bestellt
• Präzise
• Sicher/problemlos
• Hochwertig
• Sauber
• Kontinuierliches Pumpen
• Umweltfreundlich
?
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 4 -
• Optimierung der Pumpprozesse und der Betoneigenschaften
• Wahl und Weiterentwicklung der Verfahren und Maschinen
• Problemvermeidung (Verstopfungen, zu hoher Pumpendruck…)
Bedarf an eingehenden Untersuchungen
[Putzmeister]
Herausforderungen
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 5 -
Moderne Betontechnologie – Konzept
Strukturanalyse
Rheologie
Werkstoffmechanik
Beton
Materialfluss
Maschinentechnik
Bauteilgeometrie
Verfahrens-
technik
Stoffkennwerte
Bauteilgeometrie
Elementverbindung
Konstruktion
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 6 -
Spritzbeton
Maschinentechnik
Bauteilgeometrie
Stoffkennwerte
Bauteilgeometrie
Elementverbindung
Tunnel
Moderne Betontechnologie – Konzept
Strukturanalyse
Rheologie
Werkstoffmechanik
Beton
Maschineller
Tunnelbau
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 7 -
Betonrheologie – Fließen vs. Reibung
Wann kann die Rheologie eingesetzt werden?
[Jacobsen et al.]
Leimreicher Beton Leimarmer Beton
Dru
ck P
Rohrlänge L
Dru
ck P
Rohrlänge L
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 8 -
Scherrate g.
Sch
ers
pa
nn
un
g τ
Newton
h1
Modell für Strömung in Rohrleitung
Bingham
t0
m
1
P+ΔP P
StrömungV
t
t
V
t
t H2OBeton
τ0 = Fließgrenze
m = Plastische Viskosität
h = Dynamische Viskosität
Fördermenge Q
Dru
ck P
B1
P = A + B⋅ Q
A
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 9 -
Frischbetonrheologie vs. Förderparameter
Scherrate g.
Sch
ers
pan
nu
ng
τ
Bingham
t0
m
1
τ0 = Fließgrenze
m = Plastische Viskosität
Fördermenge Q
Dru
ck P
B1
P = A + B⋅ Q
A
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 10 -
Betonpfropfen
Gleitschicht
Normalbeton
Pumprohr
Betonpfropfen
Gleitschicht
Pumprohr
Hochduktiler Beton
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 11 -
Frischbetonrheologie vs. Förderparameter
Scherrate g.
Sch
ers
pan
nu
ng
τ
Bingham
t0
m
1
τ0 = Fließgrenze
m = Plastische Viskosität
Fördermenge Q
Dru
ck P
B1
P = A + B⋅ Q
A
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 12 -
Nomogramm des vergangenen Jahrzenten
[Schwing]
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 13 -
Fließgrenze-Parameter aScherrate bei
Pumpen
Ableitung der Förderparameter a und b
Rüttelbeton
Scherrate
Sch
ers
pa
nn
un
g t
[Pa
]
SVB
50
300
500
hochfester Beton
g
Scherrate im
Ausbreitmaßversuch
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 14 -
Ableitung der Förderparameter a und b
Rheometer
Fließgrenze-Parameter a
Viskositätsparameter b
Scherrate g.
Sch
ers
pan
nu
ng
τ
Bingham
t0
m
1
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 15 -
Fließgrenze-Parameter a
Viskositätsparameter b
Ableitung der Förderparameter a und b
Scherrate g.
Sch
ers
pan
nu
ng
τ
Bingham
t0
m
1
Viskosimeter
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 16 -
Ableitung der Förderparameter a und b
Hgbd
Qlad
lPPPP
HgQed
l
d
lPPPP
Hvy
iiHvy
m
t
3
30
164
164QBAP QBAP
Hgbd
Qlad
lPPPP
HgQed
l
d
lPPPP
Hvy
iiHvy
m
t
3
30
164
164
QBAP QBAP
Scherrate g.
Sch
ers
pan
nu
ng
τ
Bingham
t0
m
1
Viskosimeter
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 17 -
Kolben
Drucksensor
Rohr
Wegsensor
Drucksensor
Gleitrohr-Rheometer – Sliding Pipe Rheometer (SLIPER)
Messung der Förderparameter a und b
l
Ada
4
l
dBb
16
3
Kasten K. Gleitrohr – Rheometer, Ein Verfahren zur Bestimmung der Fließeigenschaften von
Dickstoffen in Rohrleitungen. Dissertation, TU Dresden; 2010.
Fördermenge Q
Dru
ck P
B1
P = A + B⋅ Q
A
g⋅ρ⋅HPH
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 18 -
Parameterstudie
Experimentelle Untersuchungen
Mechtcherine, V., Nerella, V. N., Kasten, K.: Testing pumpability of concrete using Sliding Pipe Rheometer.
Construction and Building Materials 53 (2014) 312–323
PARAMETER
Zement
Betonart
Zuschlagsart
w/b
Konsistentz-klasse
Zusatzstoff
Nummer
Mischung
CEM II
Normalbeton
Kies
0.45
F3
-
1
Splitt
0.6
F3
-
2
0.45
F3
-
3
F5
-
4
Hochfester Beton
Kies
0.3
F3
-
5
Splitt
0.3
F3
-
6
Silikastaub
7
Flugasche
8
F5
-
9
Silikastaub
10
Flugasche
11
CEM I
Normalbeton
Kies
0.45
F3
-
12
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 19 -
Experimentelle Untersuchungen
Einfluss des Wasserzementwertes auf die Pumpbarkeit
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Crushed aggregatesConsistencyF3CEM IIno SF, no FA
w/b = 0.30
w/b = 0.45
w/b = 0.60
Fördermenge Q [m³/h]
Dru
ck P
[kP
a]
- gebrochene Gesteinskörnung
- Konsistenzklasse F3
- Zement CEM II
- keine Zusatzstoffe
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 20 -
Experimentelle Untersuchungen
Einfluss des Wasserzementwertes auf die Pumpbarkeit
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Dru
ck P
[kP
a]
Fördermenge Q [m3/h]
w/b = 0.30
w/b = 0.45
w/b = 0.60
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 21 -
Einfluss der Art der Gesteinskörnung auf die Pumpbarkeit
Experimentelle Untersuchungen
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70
Dru
ck P
[kP
a]
Fördermenge Q [m3/h]
w/b = 0.30
w/b = 0.45
- Konsistenzklasse F3
- Zement CEM II
- keine Zusatzstoffe
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 22 -
Feldversuche vs. Vorhersage anhand Gleitrohr-Rheometer-Daten
Validierung der Vorhersage des Pumpendrucks
0
2
4
6
8
10
12
14
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Pre
ss
ure
P(M
pa
)
Flow rate Q (m3/h)
OC Field
OC Sliper
SCC Field
SCC Sliper
Förderrmenge Q [m³/h]
Dru
ck
P[M
Pa]
Normalbeton
Vorhersage
Hochfester SVB
Vorhersage
Hochfester SVB
Feldversuch
Feldversuch
Kasten K. Gleitrohr – Rheometer, Ein Verfahren zur Bestimmung der Fließeigenschaften von
Dickstoffen in Rohrleitungen. Dissertation, TU Dresden; 2010.
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 23 -
Einfluss der einzelnen Betonkomponenten auf die Rheologie
Ref.
Flie
ßgre
nze [P
a]
t0
Plastische Viskosität m
t0
m
fest
viskos
flüssig
[Wallevik]
tLuft
Luft
Scherrate g.S
ch
ers
pan
nu
ng
Wasser
Scherrate g.S
ch
ers
pa
nn
un
g
tWasser
Silikastaub
Scherrate g.S
ch
ers
pan
nu
ng
Silikastaub
Fließ-
mittel
Fließmittel
Scherrate g.S
ch
ers
pan
nu
ng
Rheologie des Frischbetons und Pumpen
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 24 -- 24 -
Gesteinskörnungen (aus unterschiedlichen Regionen)• Rund
• Gebrochen
Zement• Wasserbedarf
• Thixotropie
Zusatzmittel• Luftporenbildner
• Fließmittel
• Stabilisierer
• SAP
Zusatzstoffe• Flugasche
• Kalksteinmehl
• Silikastaub
Fasern• Faserzugabe in der Mischanlage / im Mischfahrzeug
Geplante und laufende Untersuchungen
1. Schwerpunkt: Einfluss der Betonzusammensetzung
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 25 -
2. Schwerpunkt: Anwendungsbereiche
- 25 -
Industriefussböden
• Konsistenzklassen F4 bis F6
• Stahlfaserbeton (unterschiedliche Fasertypen)
• Beton mit Polymerfasern
Sonderbetone
• Hochfester Beton
• Selbstverdichtender Beton
• Hochduktiler Beton (SHCC)
Geplante und laufende Untersuchungen
[Hill-Fussbodenbau]
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 26 -
3. Schwerpunkt: Temperatur und Betonalter
Temperatur
• Betontemperatur 10 °C bis 30 °C
Betonalter
• beginnendes Rücksteifen
• Fahrtweg
• Wirkungen verschiedener Zusatzmittel
Geplante und laufende Untersuchungen
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 27 -
4. Schwerpunkt: Gerätetechnik
- 27 -
Pumpmaschinen
• Maschinentypen verschiedener Hersteller
(PM, Schwing, CIFA, Waitzinger, …)
• Offener und geschlossener Ölkreislauf
(Trichtergeometrie, S-Rohr, …)
Umpumpkreislauf
• Rohrdurchmesser
• Rohrlänge
• Förderhöhe
Geplante und laufende Untersuchungen
[Sohn, Lee und Lee]
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 28 -
Simulation von Förderprozessen
Partikelmodellierung
• Distinkt-Element-Methoden (DEM)
• Mikro- und makromekanischer Ebene
• Partikelsedimentation/-segregation
• Partikelreibung
• Ausbilden der Gleitschicht
Numerische Strömungsmechanik
• Finite-Element-Methode (FEM)
• Förderstrom, Druckverlust
Geplante und laufende Untersuchungen
5. Schwerpunkt: Numerische Modellierung
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Egor Secrieru, Viktor Mechtcherine – Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - 29 -
Danke für Ihr Interesse!