Von Mikro zu Makro - grundlegende Betonmodellierung unter Berücksichtigung lokaler Scherraten- und Mikrostrukturinhomogenitäten aufgrund des Verarbeitungsprozesses unter Verwendung eines skalenübergreifenden Ansatzes

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Inka Mai; Professor Dr.-Ing. Carsten Schilde
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451942209

Bei der Betonverarbeitung, z.B. beim Pumpen, wird das Fließverhalten durch die rheologischen Eigenschaften a) des Kernbetons und b) der wandnahen Grenzschicht bestimmt. Daher erfordert die Modellierung des makroskopischen Fließverhaltens bei der Verarbeitung eine Beschreibung der Prozesse der rheologischen Eigenschaften von Kernbeton und Grenzschicht sowie der Grenzschichtbildung. Die scherinduzierte Partikelmigration (SIPM) muss als dominierender Mechanismus berücksichtigt werden, wobei größere Partikel in Bereiche mit geringeren Scherraten migrieren. Auch das Upscaling von der Modellierung des Zementleims zum Beton ist von Relevanz. Heute existieren Modelle, die überwiegend auf Partikelwechselwirkungen basieren, nur für Zementleim, während die bestehenden Rheologiemodelle für Beton weitgehend auf der Kontinuumsmechanik oder DEM basieren und mittels empirischer Daten validiert wurden. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, das makroskopische Fließverhalten von Beton sowohl hinsichtlich des Einflusses der wandnahen Grenzschicht als auch in Abhängigkeit der Partikelwechselwirkungen im Zementleim zu untersuchen und zu modellieren. Diese stellen die Schlüsselfragen für die grundlegende Modellierung der Betonrheologie dar. Um Partikelwechselwirkungen in rheologische Modelle auf der Makroskala zu implementieren, muss die Herausforderung der Übertragung der Effekte auf der Zementleimebene auf die Betonskala gelöst werden. Da die Rheologie von Zementleim von dessen Mikrostruktur abhängt, müssen grundlegende Modelle die Mikrostrukturbildung berücksichtigen. Diese ist von den Scherraten, die auf den Zementleim im Beton wirken, abhängig. Diese auf den Zementleim wirkende lokale Scherrate ist deutlich höher als die globale Scherrate und wird durch die Packungsdichte und die relative Geschwindigkeit zweier benachbarter Partikel bestimmt. Größere Partikel unterliegen der SIPM, was zu einer inhomogenen Partikelverteilung auf Makroebene führt, sodass die lokalen Scherraten ebenfalls variieren, z.B. in Abhängigkeit des Feststoffanteils. Diese Inhomogenität ist in der Grenzschicht ausgeprägter als im Kernbeton. Jedoch muss auch der Kernbeton als inhomogen betrachtet werden, wenn Unterschiede in der globalen Scherrate vorliegen.Ziel des vorliegenden Projektes ist daher die Untersuchung und Modellierung der zeit- und scherabhängigen Mikrostruktur und der rheologischen Eigenschaften zementbasierter Suspensionen. Die zu behandelnden Schlüsselfragen thematisieren die a) SIPM, b) Grenzschicht und ihre Bildungsmechanismen, c) durch größere Partikel induzierte lokale Scherraten, und d) deren Einfluss auf Mikrostruktur und Rheologie unter Berücksichtigung von Partikel-Wechselwirkungen. Dies ist nur mit einem skalenübergreifender Ansatz von der Mikro- zur Makroskala möglich, der im Rahmen des Projektes mittels Experimenten und numerische Simulationen realisiert wird.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2005: Opus Fluidum Futurum - Rheologie reaktiver, multiskaliger, mehrphasiger Baustoffsysteme
• Internationaler Bezug: Luxemburg
• Partnerorganisation: Fonds National de la Recherche
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Arno Kwade
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Bernhard Peters