Rheologische Untersuchungen mit dem Viskomaten NT

Ein Anwendungsbeispiel

(Dipl.Ing. Roland Murr, Universität Innsbruck)

In dem Kurzreferat werden Teilergebnisse von rheologischen Untersuchungen an Mörtelmischungen mit einem Größtkorn von 1,5 mm vorgestellt. Die Untersuchungen fanden in Zusammenarbeit mit den Herrn Dr. Röck und Ostheimer im Auftrag der Firma Schretter & Cie statt. Ziel der Versuche war es, an Mörtelmischungen im Labormaßstab den Einfluss von verschiedenen Zementen, Zusatzmitteln, Zusatzstoffen und Mischungsverhältnissen auf die rheologischen Eigenschaften über einen Zeitraum von etwa 1,5 Stunden zu betrachten. Als rheologische Parameter werden die relative Fließgrenze, die relative Viskosität, sowie der gesamte Messkurvenverlauf betrachtet über den Messzeitraum zur Bewertung herangezogen.

Die Entwicklung des SCC - Self Compacting Concrete, zu deutsch SVB - selbstverdichtender Beton, nahm Anfang der 80-ger Jahre in Japan ihren Anfang und ist heute Ziel weltweiter Forschungstätigkeit. Das Funktionieren von SVB ist an mehrere Grundlagen geknüpft. Zum Einen erfordert die Bedingung der Stabilität der Mischung bei gleichzeitiger Selbstnivellierung und Selbstentlüftung einen erhöhten Mehlkorngehalt (> 550 kg/m³), sowie eine generell feinteilreichere Sieblinie (nahe der Grenzsieblinie B, tendentiell in den brauchbaren Bereich). Zum Anderen war die Entwicklung von Fließmitteln einer neuen Generation eine Grundvoraussetzung, um dem hohen Wasserbedarf solcher Betone entgegenzutreten. (Folie 2)

Die den Wasseranspruch des Betons im Wesentlichen bestimmenden Anteile sind die Feinteile. Je feinteilreicher ein Beton ist, umso mehr Wasser (od. Fließmittel) benötigt er, um eine gleiche Konsistenz aufzuweisen. Mit einem Rheometer wie den Viskomaten können idealerweise die rheologischen Eigenschaften sowohl an Leim- als auch an Mörtelmischungen bis zu einem Größtkorn von etwa 2,0 mm untersucht werden. Somit können an kleinen Mischungen Einflüsse variierender Ausgangsbedingungen, wie z.B. unterschiedliche Feinteilgehalte, schwankende Wasser-Bindemittel-Werte, Wirkungsweisen von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen auf die rheologischen Parameter untersucht werden (Folie 3).

Die Konsistenz und damit auch die Fließfähigkeit von Beton werden durch zwei rheologische Parameter beschrieben. Das sind die Fließgrenze (Schubspannung der noch ruhenden Flüssigkeit) und die Viskosität (Zähigkeit). Die Fließgrenze entspricht in der Rheologie jenem Widerstand, den die Mischung einer Bewegung aus dem Ruhezustand heraus entgegensetzt. Der Scherwiderstand beschreibt den Zusammenhalt und steigt beim Beton bei größer werdender Verformungsgeschwindigkeit annähernd linear an. Diese Modellvorstellung der rheologischen Eigenschaften (vorhandene Fließgrenze, linearer Anstieg des Fließwiderstands) wird anhand des Begriffs "Bingham-Körper" beschrieben (Folie 4).

Der Viskomat NT bietet die Möglichkeit der stufenlosen Drehzahländerung (sprich in Rampen). Diese Möglichkeit beitet Vorteile in der Auswertung. Bei einem Messvorgang mit treppenförmiger Geschwindigkeitsänderung wird bei jedem Drehzahlplateau als Ergebnis ein Messpunkt erhalten. Dieser Punkt stellt ein vom Mörtel auf das Paddel ausgeübtes Drehmoment bei constant gehaltener Geschwindigkeit dar. Die linearisierte Geschwindigkeit zwischen den einzelnen Messpunkten stellt dann in der Auswertung das Modell des Bingham Körpers dar. Im Gegensatz dazu ist bei kontinuierlicher Drehzahländerung das Ergebnis direkt die annähernd lineare Beziehung zwischen Drehzahl und Drehwiderstand. Diese Werte werden vom Viskomaten während der Messung direkt aufgezeichnet. Wir haben uns bemüht, ein möglichst kurzes Messprofil zu verwenden, um eine geringe Mischenergie in die Mörtelprobe einzuführen (Erwärmung). Aus Gründen der Homogenisierung und des nötigen Strukturbruchs ist jedoch eine Mindestmisch- und Messdauer nötig. Uns erschien aufgrund von Vergleichen mit anderen Messprofilen eine Dauer des Messzyklus von 10 Minuten als ausreichend (Folie 5).

Bei den Viskomatuntersuchungen wurden die Messungen an Mörtelmischungen mit zwei unterschiedlichen Füllungsgraden durchgeführt. Als Füllungsgrad wird das Verhältnis Volumen Sand zu Volumen Zementleim bezeichnet. Im weiteren Verlauf (Diagramme) werden nur die Ergebnisse der Mischungen mit 50 M-% Sand und 50 M-% Zement dargestellt, da sich hiermit der Einfluss des Bindemittels besser beurteilen lässt. Es wurden zwei Arten von Bindemitteln miteinander verglichen. Das erste Bindemittel ist ein Spezialbindemittel für selbstverdichtenden Beton mit einem erhöhten Fülleranteil. Es ist optimiert, um bei größtmöglichen Feinheit einen geringestmöglichen Wasserbedarf aufzuweisen. Das zweite Bindemittel ist ein reiner Portlandzement; der erhöhte Fülleranteil wird in Form von Kalksteinmehl als Ersatz zugegeben. Es wurde untersucht, ob die werksmäßige Zumengung eines Füllers eine gleichmäßigere, bessere Qualität für die Anwendung in selbstverdichtenden Betonen bringen kann. Weitere wesentliche Punkte der Untersuchungen waren die Bewertung der rheologischen Parameter unterschiedlicher Kalksteinmehle und ein Vergleich der Ergebnisse mit Werten an SVB-Betonmischungen (Folie 6). Eine Darstellung der Ergebnisse erfolgt in den Folien 7 bis 18.

Folie 7 bis 9: Einfluss eines steigenden W/Z Wertes. Absinken sowohl von FG als auch von Viskosität; bei hohen W/Z-Werten zeigte sich die Gefahr der Entmischung.

Folie 10 bis 12: Einfluss steigende Fließmittelzugabemenge bei const. W/Z-Wert. Absinken der FG, hingegen Viskosität strebt einem Wert ungleich Null zu.

Folie 13 bis 15: Nichtoptimiertes Bindemittel mit KSTM und variierenden W/Z-Wert. Gleiche Beobachtung wie vorhin, jedoch deutlicheres Ansteifen (erhöhter Rückgang der Konsistenz vor allem innerhalb des ersten Beobachtungszeitraums).

Folie 16 bis 18: Unterschiedliche KSTM bei const. W/Z-Gehalt. Deutliche Unterschiede in rel. Fließgrenze und rel. Viskosität. Bei der Bewertung der Messkurven die die Viskosität beschreiben kann keine Übereinstimmung sowohl der Absolutwerte, als auch in den Tendenzen festgestellt werden.

Im Anschluss an die Auswertungs-Diagramme sind Folien eines Baustelleneinsatzes von SVB-Betonmischungen unter der Beteiligung der Firmen Heidelberger Zement und Sika zu sehen.

Autor: Roland Murr

Text als PDF Dokument

E-Mail: Roland.Murr@uibk.ac.at