Michael Haist

Zur Rheologie und den physikalischen Wechselwirkungen bei Zementsuspensionen

Sowohl das viskoelastische Verformungsverhalten frischer Zementsuspensionen als auch die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen werden untersucht. Das primaere Ziel der Arbeit bestand in der Entwicklung eines Stoffgesetzes zur Beschreibung des rheologischen Verhaltens von Zementsuspensionen bei geringen Scherbelastungen. Dieser weitgehend unerforschte Teilbereich der Rheologie zementhaltiger Suspensionen ist von zentraler Bedeutung fuer das Verstaendnis von Sedimentations- und Entlueftungsvorgaengen im Beton beziehungsweise langsam ablaufenden Stroemungsvorgaengen im Allgemeinen. Dem Anwender wird ein physikalisches Modell geliefert, das die im Material ablaufenden Prozesse abbildet und unter Kenntnis zentraler Eigenschaften der Ausgangsstoffe und der Zusammensetzung vorhersagbar macht. In einer Literatursichtung wird zunaechst der Kenntnisstand dargestellt und diskutiert. Es wurde ein umfangreiches experimentelles Untersuchungsprogramm durchgefuehrt, in dem erstmals die Wechselwirkung zwischen den rheologischen Eigenschaften der Suspension und der Granulometrie der suspendierten Partikel nachgewiesen werden konnte. In einer Parameterstudie wurde darauf aufbauend der Einfluss verschiedener Kenngroessen auf die rheologischen Eigenschaften der Zementleime sowie die Eigenschaften der Partikel untersucht. Die Ergebnisse belegen, dass die rheologischen Eigenschaften frischer Zement- beziehungsweise Mehlkornsuspensionen durch eine Ueberlagerung der viskosen Eigenschaften der Traegerfluessigkeit sowie der viskoelastischen Verformungseigenschaften von sich bildenden Partikelagglomeraten gepraegt sind. Entgegen der gemeinlaeufigen Vorstellung kommt es dabei nicht zu einer vollstaendigen Vernetzung beziehungsweise Agglomerierung aller Partikel. Stattdessen sind die resultierenden Agglomeratstrukturen durch fluessigkeitsgefuellte Gleitschichten durchzogen, die auch bei sehr geringen Scherbelastungen eine viskose Verformung ermoeglichen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass bei den bereits erwaehnten Agglomeratstrukturen zwischen zwei verschiedenen Arten, der Primaer- und der Sekundaerstruktur, unterschieden werden muss. Die Festigkeit und Steifigkeit der Strukturen sind wiederum eine Funktion des Strukturierungsgrads. Die Sekundaerstruktur ist massgeblich fuer das rheologische Verhalten von Zementleimen bei geringen Scherbelastungen verantwortlich und wurde hier eingehend untersucht. Grundsaetzlich koennen die Festigkeit und Steifigkeit sowohl der Primaer- als auch der Sekundaerstruktur anhand grenzflaechenphysikalischer Betrachtungen abgeschaetzt werden. Das vorgestellte physikalische Modell bildet diese Strukturen und die zugrunde liegenden Prozesse mithilfe der rheologischen Modellelemente Feder, Daempfer und St.-Venant-Reibelement ab. Die Kennwerte dieser Elemente - das heisst Daempferviskositaeten, Federsteifigkeiten und Reibspannungen - konnten wiederum auf die elektrophysikalischen Eigenschaften der suspendierten Partikel sowie die Zusammensetzung der Suspension zurueckgefuehrt werden. Untersuchungen an Zementleimen, bei denen der Zement durch verschiedene Zumahl- beziehungsweise Zusatzstoffe ausgetauscht wurde, belegen weiterhin, dass diese Stoffe zum Teil signifikanten Einfluss auf die rheologischen Eigenschaften der so hergestellten Leime besitzen. Die Wirkungsweise ist jedoch stark von der Dosierung der Stoffe und von den Eigenschaften des verwendeten Zements abhaengig. Auf Basis der Ergebnisse der Parameterstudie konnte ein Prognosemodell entwickelt werden, das die Vorhersage der Materialeigenschaften auf der Grundlage der Mischungszusammensetzung gestattet. Aufgrund seiner grundlagenorientierten Ausrichtung ist dieses Modell auch fuer die Implementierung der Wirkungsweise moderner Betonverfluessiger und Fliessmittel geeignet. ABSTRACT IN ENGLISH: Within this thesis, both the viscoelastic deformation behavior of fresh cementitious suspensions as well as the governing mechanisms were investigated. The primary target consisted in the development of a material law, describing the rheological behavior of cement suspensions, subjected to small shear-loadings. This vastly unknown aspect of the rheology of cement-suspensions is of key importance for the understanding of sedimentation and de-airing processes, i.e. for slow streaming processes in general. The thesis provides a physical modell, describing and predicting the processes taking place in fresh cementitious suspensions on the basis of the properties of the raw materials and the composition of the paste. The knowledge available in the international literature regarding all relevant aspects of rheology, boundary-layer physics and measuring techniques was studied. Within an extensive study, the influence of various parameters on the rheological properties of cement paste as well as on the properties of the suspended particles was investigated. The results prove that the rheological properties of fresh cement-pastes are characterized by a superposition of the viscous properties of the carrier-liquid and the viscoelastic properties of the suspended particle-agglomerates. These agglomerates enable the suspension to store elastic deformation work. However, as the structure is disrupted by slippage layers, the elastic deformation has to be superimposed with viscous deformations. The relation between both types of deformations is strongly load dependent. Further it could be shown that two types of agglomeration processes and resulting structures must be considered. During the shearing process dispersing and coagulating processes compete against each other, thus defining the degree of agglomeration and the strength of the resulting structure. The rheological model presented in this thesis reproduces the physical behavior of these structures using spring, dashpot and friction elements. The characteristic value of each element could be traced back to specific properties of the suspended particles as well as the composition of the suspension. Hereby the zeta-potential of the particles is of central importance. Further investigations in which the cement was replaced by certain additives such as fly-ash, limestone powder, slag or silica-fume prove that these materials have significant influence on the rheological properties of the pastes. However their effectiveness is strongly dependent on the dosage of the additive and the type of cement used. Based on the results of a parameter study, a prediction model for the rheological properties of cementitious pastes was developed. Due to its fundamental configuration, it is also highly suitable for the implementation of the mode of action of modern concrete admixtures.

Water penetration into micro-cracks in reinforced concrete

Cracks play a decisive role for durability and service life of reinforced concrete structures. In the contribution very fine micro-cracks, which are usually neglected in durability design were induced mechanically into steel reinforced mortar and concrete elements. It turned out that even finest micro-cracks are immediately water filled whenever the surface comes in contact with liquid water. lt can be concluded that micro-cracks have also to be taken into consideration in any realistic service life design. The penetration depth of micro-cracks in concrete plays a decisive role for service life. The role of micro-cracks for durability can be significantly reduced by water repellent treatment of the cracked surface. Further investigations will tell us to which degree and in which environment self-healing may reduce the influence of micro-cracks for durability of reinforced concrete. (A)

OPTIMISATION OF THE RHEOLOGICAL AND FRACTURE MECHANICAL PROPERTIES OF LIGHTWEIGHT AGGREGATE CONCRETE

ABSTRACT In this paper the basic procedure for the development of self-compacting lightweight concrete (SCLC) is presented. By using a rheological optimization approach SCLC with different unit weights could be developed. Further, the experiments carried out on hardened SCLC showed that its mechanical and fracture mechanical properties are comparable to those of LWAC with equal compressive strength. With regard to the brittle failure of LWAC and SCLC the effect of the addition of different amounts of steel, polypropylene and glass fibres on the rheological properties of fresh SCLC as well as on the properties of hardened concrete was investigated. Furthermore, a series of deformation controlled direct tension tests on notched prisms was performed in order to investigate the fracture mechanical behaviour of the developed concretes with and without fibre reinforcement.

Long-Term Safety of Well Abandonment: First Results from Large Scale Laboratory Experiments (COBRA)

A long-term safe and reliable abandonment of wells is a crucial prerequisite for a secure abandonment of underground storage sites, while considering the long-lasting environmental impact, e.g. leakage through wells. To study the impact of the cementation on the tightness of wells, both, the cementation of a well during completion and abandonment are investigated in Full-scale laboratory experiments. Different autoclaves from small to Full-scale have been developed to test cementations under various conditions and to perform long-term tests under in situ conditions of a CO2 storage site. The experiments show that the surface-texture (e.g. roughness) of the drilled well has a significant influence on the formation of mud-channels—for rough surfaces, up to 75 % of the serrations consist of non-displaced mud and only 25 % are well hardened cement, creating possible leakage pathways. Even under idealized cementation conditions using a cement recipe characterized by a very low shrinkage, micro-annuli are formed. These micro-annuli are connected throughout the whole oil-field casing in the Full-scale experiments for which the widths of the micro-annuli in the order of 10–20 µm could be deduced. Along the micro-annuli the cement is carbonated due to the flow of CO2-bearing fluid. The fluid flow could also be verified by a Spatial Time-Domain-Reflectometry (TDR) setup embedded in the cementation, which was successfully tested as an in situ monitoring system. In the Full-scale experiments, chemical reactions in the system casing—cement—rock—fluid were examined. The geochemical analyses during and after the experiment show variations in pH, conductivity and chemical composition of the brines, which are well described by an interplay of corrosive processes and precipitations of carbonate minerals.

New Types of High Performance Concretes – Potentials for Innovations in Concrete Construction

Among the new types of high performance concretes this paper deals with self-compacting concrete (SCC) and ultra high strength concrete (UHPC). Both types of self-compacting concrete, the powder type SCC and the stabilizer type SCC, are presented. Differences in the mix design and composition as well as the properties in the fresh and in the hardened state are indicated. While most of the properties of SCC are roughly similar to normal concrete (NC) – apart from the self-compacting property – this holds by far not true for UHPC. Not only the mechanical properties but also the durability of UHPC deviates significantly from normal concrete. In addition, it is shown that UHPC is more sustainable than normal concrete if the ecological impact is considered in relation to the performance of the concrete.

Betone der Zukunft - Herausforderungen und Chancen : 14. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 21. März 2018

Die Bauwirtschaft und insbesondere der Betonbau unterliegen einem rasanten Wandel. Exakte Prognosen sind schwer zu erstellen, jedoch scheinen in Zukunft einzelne Bindemittel wie Portlandzement durch Kombinationen aus mehreren, aufeinander abgestimmten Bindemitteln und Feinststoffen abgelost zu werden. Der vorliegende Tagungsband vermittelt Entwicklungsmoglichkeiten von Beton und bewertet diese hinsichtlich Ihrer Auswirkungen auf die zukunftige Betontechnologie sowie das Bauen in der Zukunft.

Bauwerkserhaltung - Instandsetzung im Beton- und Stahlbetonbau : 12. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 10. März 2016

Die Instandhaltung von Betonbauwerken ist von zentraler Bedeutung fur deren nachhaltigen und wirtschaftlichen Betrieb. Eine geeignete Instandhaltungsplanung erfordert jedoch Kenntnis der zu erwartenden Einwirkungen auf das Bauwerk, uber die Leistungsfahigkeit der Baustoffe und die Moglichkeiten der Instandsetzung. Der vorliegende Tagungsband vermittelt dieses Wissen. Die Entwicklung angepasster Instandsetzungskonzepte wird diskutiert und die gangigen Instandsetzungsprinzipien werden vorgestellt.

Betonverformungen beherrschen - Grundlagen für schadensfreie Bauwerke : 11. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung, Karlsruher Institut für Technologie, 12. März 2015

Nach der Einfuhrung in das Gebiet der Betonverformung und Verformungsbeherrschung werden die Verformungsmechanismen sowie deren Einflussgrosen behandelt sowie gezielt auf die Leistungsfahigkeit der zur Verfugung stehenden Modelle zur Vorhersage der Beton-verformung eingegangen. Anschliesend werden die Methoden zur Beherrschung des Ver-formungsverhaltens aufgezeigt und anhand ausgewahlter Beispiele erlautert sowie alltagliche und innovative Methoden der Verformungsbeherrschung vorgestellt.

Gestalteter Beton - Konstruieren in Einklang von Form und Funktion : 10. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ; 13. März 2014

Im Tagungsband zum 10. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung wird von namhaften Autoren ein historischer Uberblick uber den Werkstoff Beton gegeben und das Zusammenwirken von Architektur und Konstruktion erlautert. Anschliesend wird aufgezeigt, wie die Frischbetoneigenschaften gezielt beeinflusst werden konnen, welche Moglichkeiten Textilbeton besitzt und welches gestalterische Potential Betonfertigteile aufweisen. Abschliesend wird auf herausragende Gestaltungsbeispiele eingegangen.

Proceedings of the 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering : Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 22 - 25 July 2012, Karlsruhe, Germany

The fib International PhD Symposium in Civil Engineering is an established event in the academic calendar of doctoral students. It is held under the patronage of the International Federation for Structural Concrete (fib), one of the main international associations that disseminates knowledge about concrete and concrete structures. The 9th fib International PhD Symposium was held at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germany, from July 22 to 25, 2012.