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Projekt
Partikelmigration in zementbasierten Materialien bei hohen Scherraten
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine
Fachliche Zuordnung
Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
Förderung
Förderung von 2017 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387095311
Das Fließen heterogener zementbasierter Suspensionen bei hohen Scherraten, welche durch Pumpvorgänge induziert werden, ist ein komplexer Prozess, der sehr stark von der Mischungszusammensetzung von Beton und deren Fähigkeit zur Ausbildung einer Gleitschicht (GS) beeinflusst wird. Die Pumpeigenschaften beruhen auf den rheologischen Eigenschaften und der Dicke einer solchen rohrwandreibungsreduzierenden Gleitschicht sowie den Eingeschalten des Kernbetons. Überwiegend ist die Gleitschichtausbildung durch hydrodynamische Effekte bestimmt, wobei die Partikelmigration (PM) den entscheidenden Vorgang unter hohen Scherraten darstellt. Aktuell stehen keine detaillierten Erkenntnisse über diesen Vorgang und dessen Einfluss auf die Ausbildung der Gleitschicht zur Verfügung. Existierende Forschungsansätze sind ungenügend. Das vorliegende Projekt soll zu einem klaren Verständnis der Ursachen und zugrundeliegenden Wirkmechanismen der Partikelmigration in Beton beitragen und das Wissen für eine realistische Beschreibung und Vorhersage von Pumpprozessen erzeugen. Die Einflüsse der PM auf die Ausbildung der GS und den daraus resultierenden Materialfluss müssen als Basis für eine zielorientierte Analyse der Betonpumpprozesse und deren numerische Simulation genutzt werden. Im ersten Schritt soll die Entwicklung experimenteller Untersuchungsansätze sowie die grundlegende Analyse und Beschreibung der Partikelmigration in Beton unter hohen Scherraten erfolgen. Als Nächstes ist der Einfluss des umgebenden Mediums, Zementleim samt Feinbestandteilen, auf die PM zu bestimmen. Anschließend werden die Effekte von Partikelgröße und -form, Kornbandabstufung und Packungsdichte auf die PM untersucht, um Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen Partikelmigration, Gleitschichtausbildung, Fließprofilen und Pumpendruck-Fördermenge-Funktion abzuleiten. Die gewonnenen Informationen sind Basis für eine geeignete numerische Darstellung der PM in der Computational Fluid Dynamics-Simulation (CFD), welche Vorhersagen zum Pumpverhalten von Betonen geben kann. Die Validierung erfolgt mit vorhandenen Forschungsdaten aus den experimentellen Untersuchungen. Das beantragte Projekt umfasst sowohl eine umfangreiche Kombination von geeigneten Messmethoden und neuen Messtechniken als auch Ansätze zur treffsicheren Nachstellung der Partikelmigration mit enger Kopplung zu numerischer Simulation. Das Arbeitsprogramm besteht aus 3 Hauptabschnitten: 1) experimentelle Untersuchungen mit qualitativer und quantitativer Analyse der PM, der Gleitschichtausbildung, der rheologischen Eigenschaften der GS und des Kernbetons; 2) numerische Simulation durch Implementierung der PM in existierende CFD-Modelle zur Berechnung der Gleitschichteigenschaften und darauf aufbauend der Pumpeigenschaften; 3) Betrachtung von Pumpprozessen und Vergleich der numerischen Vorhersage des Pumpvorgangs mit den vorhandenen Ergebnissen von großmaßstäblichen Pumpversuchen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
