1

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

THIXOTROPIEEine Mehrskalen-Betrachtung am Beispiel selbstverdichtender Betone

Kolloquium Rheologische Messungen an BaustoffenRegensburg

11. März 2009

Dipl.-Ing. Dirk Lowke

TU MünchenCentrum Baustoffe und Materialprüfung (cbm)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. C. Gehlen

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

Veröffentlichungen zum Thema in Vorbereitung:

Lowke, D.: Interparticle Forces and Rheology of Cement Based Suspensions. 3rd International Symposium on Nanotechnology in Construction. Prague, May 31th – June 2nd 2009

Lowke, D.; Kränkel, T.; Schießl, P.: Optimization of powder fineness and water/powder ratio to improve segregation resistance of SCC. In: 2nd SCC Beijing 2009

Lowke, D.: Rheological Properties of Cement Suspensions Around aCreeping Sphere – Effects on Time, Shear Rate and Mixture Proportion. 3rd RILEM International Symposium on Rheology of Cement Suspensions. Reykjavik, 19th - 21st of August, 2009

Lowke, D.: Superplasticizers and Thixotropy of Fresh Mortar. 9thCANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and other Chemical Admixtures in Concrete. Seville, October 13th – 16th 2009

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

t

Stru

ktur

(τ,η)

ThixotropieThixotropie

Mischen, TransportVerarbeitung

Scherbelastung Ruhe

Thixotropie [griechisch] die, die Eigenschaft bestimmter Zweistoffsysteme (Gele), sich durch mechanische Beanspruchung (Rühren, Schütteln, Ultraschall) zu verflüssigen, ohne dass sich dabei der Wassergehalt ändert. In Ruhe verfestigt sich die Substanz wieder.Herbert Freundlich (1880-1940)

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

FließenEntlüften

τ

τ0

γ.

τ0

.

τ

γ

SedimentationSchalungsdruck

t

τ

Thixotropie und SVBThixotropie und SVB

Mischen, TransportVerarbeitung

Scherbelastung Ruhe

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

Sedimentation der groben GesteinskSedimentation der groben Gesteinsköörnungrnung

FlieFließßffäähigkeit vs.higkeit vs.SedimentationSedimentation

Gestein > 4 mmGestein > 4 mm

Sand < 4 mmSand < 4 mm

Zement < 100 Zement < 100 µµmm

WasserWasser

ZusatzstoffeZusatzstoffe FlieFließßmittelmittel

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

Betond < 16mm

Mörteld < 2 mm

Mehlkornd < 125 µm

Interpartikuläre Kräfted <1µm (n = 90 %)

SterischeKräfte

Elektrostat.Kräfte

Van der WaalsKräfte

KonzeptKonzept

Sedi

men

tatio

n

2

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

Messgeometrie Messgeometrie -- SedimentationSedimentation

d = 20 mm

FGFA

FR

FR

Sedimentation

14334.0,²2max

max =⋅

= GG YrFYπ

τ

Beris (1985)

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

MessablaufMessablauf

0

100

200

300

400

500

600

30 35 40 45 50 55 60Zeit [s]

Kra

ft [m

N]

0

100

200

300

400

500

600

120 125 130 135 140 145 150Zeit [s]

Kra

ft [m

N]

Durchmesser KugelDurchmesser Kugel20 mm20 mm

GeschwindigkeitGeschwindigkeit0,5 0,5 ..1010--33 m/sm/s( ( ≈≈ 0,050,05 ss--11))

Kennwerte

Reibungs-widerstand

FR [mN]

in Abhängigkeitder Ruhezeit(5 bis 120 s)

Thixotropie5s 120s

γ&

γ&

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

0

50

100

150

200

250

300

0 30 60 90 120Ruhezeit tp [s]

Wid

erst

and

Fm

ax[m

N]

0,500,510,520,56

CEM.A Vw/Vp = 1,00+0 l/m³ zusätzliches Wasser

FM‐Gehalt

[M.%cem]

Einfluss FlieEinfluss Fließßmittelmittel

1,3 mN/s1,4 mN/s

1,0 mN/s

0,9 mN/s

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

0

50

100

150

200

250

0 30 60 90 120

Ruhezeit t p [s]

Wid

erst

and

Fm

ax[m

N]

-05+00

+05+10

CEM.A Vw/Vp = 1,00

zusätzlichesWasser [l/m³]

Einfluss WasserEinfluss Wasser

1,2 mN/s1,2 mN/s

0,9 mN/s

0,6 mN/s

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

0,0E+00

5,0E+10

1,0E+11

1,5E+11

2,0E+11

2,5E+11

0,1 1 10Partikelgröße d [µm]

Par

tikel

anza

hl

CEM.A + KSMCEM.B + KSM

Charakterisierung der AusgangsstoffeCharakterisierung der Ausgangsstoffe

Mehlkornd < 125µm

Kennwerte

Oberfläche

Korngrößen-Verteilung

Fließmittel-adsorption

ChemischeZusammensetzung

CEMCEM

KSMKSM

FAFA5µm

0,311,2≈1CEM.A

ΓFM

[mg/m²]AO

[m²/g]Dn95

[µm]

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

InterpartikulInterpartikulääre Krre Krääftefte

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−++

++

−+−=

)²2/(4)²2/(ln

)²2/(2

4)²2/(2

6 ahah

ahahHGvdw

( ) δδχρδυ

π 2,221 2

1

2

3<−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Γ= hhTkNaG B

Aster

Fischer (1958)

Flatt (1999)

3

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

InterpartikulInterpartikulääre Krre Krääftefte

A

2δm,B

B

2δm,c C

0 5 10 15 20Interparticle distance h [nm]

0

Attraction

Repulsion

Total interpaticlepotential energyG [-]

tot

van der Waalsattraction

steric repulsionB: thick layer

steric repulsionC: thin layer

G

min,B

Tota

l int

erpa

rtic

le p

oten

tial e

nerg

yG

tot/k

T[-]

G

min,C

Gto

t,B

Gto

t,A

23,11

236

3/1ππ

≤⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅= PPS

m vvA

h

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

ZylinderZylinder--SedimentationsversuchSedimentationsversuch

dreigeteilter Zylinder, h = 450 mm, d = 150 mm

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

ZylinderZylinder--SedimentationsversuchSedimentationsversuch

füllen lagern

30 min

teilen auswaschen

wiegen

trocknen

> 8 mm wiegen8 l

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

Betond < 16mm

ZylinderZylinder--Sedimentationsversuch am BetonSedimentationsversuch am Beton

Δm8/16 [M.-%]

-29,3-22,0-12,5-5,0

450

mm

Kennwert

AbweichungGrobkorn(8-16 mm)

vom Probenmittel

Δm8/16 [M.-%]

Dirk Lowkewww.cbm.bv.tum.de

www.cbm.bv.tum.dewww.cbm.bv.tum.de

Centrum Baustoffeund Materialprüfung