Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - sfb837.sd.rub.desfb837.sd.rub.de/downloads/rheologie_vortraege/... · Dissertation, TU Dresden; 2010. TU Dresden, Institut für Baustoffe,

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]


Argumente für das Pumpen von Beton

• Wirtschaftlich

• Sparsam

• Zielgenau

• Individuell

• Einfach bestellt

• Präzise

• Sicher/problemlos

• Hochwertig

• Sauber

• Kontinuierliches Pumpen

• Umweltfreundlich

?


• Optimierung der Pumpprozesse und der Betoneigenschaften

• Wahl und Weiterentwicklung der Verfahren und Maschinen

• Problemvermeidung (Verstopfungen, zu hoher Pumpendruck…)

Bedarf an eingehenden Untersuchungen

[Putzmeister]

Herausforderungen


Moderne Betontechnologie – Konzept

Strukturanalyse

Rheologie

Werkstoffmechanik

Beton

Materialfluss

Maschinentechnik

Bauteilgeometrie

Verfahrens-

technik

Stoffkennwerte

Bauteilgeometrie

Elementverbindung

Konstruktion


Spritzbeton

Maschinentechnik

Bauteilgeometrie

Stoffkennwerte

Bauteilgeometrie

Elementverbindung

Tunnel

Moderne Betontechnologie – Konzept

Strukturanalyse

Rheologie

Werkstoffmechanik

Beton

Maschineller

Tunnelbau


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


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


Frischbetonrheologie vs. Förderparameter

Scherrate g.

Sch

ers

pan

nu

ng

τ

Bingham

t0

m

1

τ0 = Fließgrenze


Fördermenge Q

Dru

ck P

B1

P = A + B⋅ Q

A


Betonpfropfen

Gleitschicht

Normalbeton

Pumprohr

Betonpfropfen

Gleitschicht

Pumprohr

Hochduktiler Beton


Frischbetonrheologie vs. Förderparameter

Scherrate g.

Sch

ers

pan

nu

ng

τ

Bingham

t0

m

1

τ0 = Fließgrenze


Fördermenge Q

Dru

ck P

B1

P = A + B⋅ Q

A


Nomogramm des vergangenen Jahrzenten

[Schwing]


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



Rheometer

Fließgrenze-Parameter a

Viskositätsparameter b

Scherrate g.

Sch

ers

pan

nu

ng

τ

Bingham

t0

m

1


Fließgrenze-Parameter a

Viskositätsparameter b


Scherrate g.

Sch

ers

pan

nu

ng

τ

Bingham

t0

m

1

Viskosimeter



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


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


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



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



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


Einfluss der Art der Gesteinskörnung auf die Pumpbarkeit


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


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.


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


2. Schwerpunkt: Anwendungsbereiche

- 25 -

Industriefussböden

• Konsistenzklassen F4 bis F6

• Stahlfaserbeton (unterschiedliche Fasertypen)

• Beton mit Polymerfasern

Sonderbetone

• Hochfester Beton

• Selbstverdichtender Beton

• Hochduktiler Beton (SHCC)


[Hill-Fussbodenbau]


3. Schwerpunkt: Temperatur und Betonalter

Temperatur

• Betontemperatur 10 °C bis 30 °C

Betonalter

• beginnendes Rücksteifen

• Fahrtweg

• Wirkungen verschiedener Zusatzmittel



4. Schwerpunkt: Gerätetechnik

- 27 -

Pumpmaschinen

• Maschinentypen verschiedener Hersteller

(PM, Schwing, CIFA, Waitzinger, …)

• Offener und geschlossener Ölkreislauf

(Trichtergeometrie, S-Rohr, …)

Umpumpkreislauf

• Rohrdurchmesser

• Rohrlänge

• Förderhöhe


[Sohn, Lee und Lee]


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


5. Schwerpunkt: Numerische Modellierung


Danke für Ihr Interesse!

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Pumpen von Beton: vom Labor in die Praxis - sfb837.sd.rub.desfb837.sd.rub.de/downloads/rheologie_vortraege/... · Dissertation, TU Dresden; 2010. TU Dresden, Institut für Baustoffe,