< Terug naar vorige pagina

Project

De mechanismen van de robuustheid van vers zelfverdichtend beton

In deze thesis wordt de robuustheid van vers zelfverdichtend beton onderzocht. Omdat geen externe verdichting van het verse beton nodig is, worden vele problemen ten gevolge van een slechte verdichting vermeden bij het gebruik van zelfverdichtend beton. Door de uitgespaarde arbeidskosten, een snellere constructieduur, de betere verpompbaarheid en de mogelijkheid om toepassingen met een dichter wapeningsnet of complexere bekistingen te produceren wordt zelfverdichtend beton steeds meer toegepast. Echter, de inferieure robuustheid – de capaciteit om kleine variaties in de mengverhoudingen, de materiaaleigenschappen en procedures te weerstaan – belemmert het algemeen gebruik van zelfverdichtend beton. Een doorgedreven kwaliteitscontrole van alle bestandsdelen, voldoende toezicht en ervaren arbeidskrachten zijn noodzakelijk.

 

De samenstelling van zelfverdichtend beton is complexer dan deze van traditioneel verdicht beton: het beton is een evenwichtsoefening tussen een voldoende vloeibaarheid waardoor de lucht uit zichzelf kan ontsnappen en voldoende cohesie om problemen zoals segregatie en bleeding te vermijden. Omwille van dit delicate evenwicht zijn de gevolgen van kleine variaties op de verse eigenschappen veel groter. Deze thesis onderzoekt welke fysische eigenschappen de robuustheid beheersen en focust in het bijzonder op de rol van de verse microstructuur en het clusteren van deeltjes. Gezien het grote aantal mogelijke invloedsfactoren kon niet elk aspect van de robuustheid in detail bestudeerd worden. Tijdens de analyse van de experimentele resultaten werd gefocusd op de fundamentele mechanismen zodat de resultaten veralgemeend kunnen worden naar andere situaties of parameters. Nieuwe experimentele technieken zoals ultrasound attenuation en Small Angle Light Scattering (SALS) werden onderzocht op hun capaciteit om het clusteren van deeltjes in de cement pasta te onderzoeken.

 

Hoofdstuk 3 is de literatuurstudie van deze thesis. In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de fundamentele mechanismen en interacties die de microstructuur van vers zelfverdichtend beton beheersen. De chemische reacties tijdens de eerste uren van hydratatie, de krachten en interacties tussen de deeltjes, de werkingsmechanismen van admixtures en de impact van schuifspanningen werden in meer detail uitgewerkt om een beter begrip te bekomen van de microstructuur van vers zelfverdichtend beton.

 

Op basis van een experimenteel programma werden methodes uitgewerkt om de robuustheid van vers zelfverdichtend beton te verbeteren. Afhankelijk van het mechanisme dat de stabiliteit in het zelfverdichtend beton garandeert, moet een andere strategie toegepast worden. Omdat bij verschillende toepassingen andere verse eigenschappen nodig zijn, moet een zelfverdichtend beton met de gepaste reologische eigenschappen voor een bepaalde toepassing gebruikt worden.

 

Als de vloeispanning instaat voor de stabiliteit, is het de gevoeligheid van deze vloeispanning die de robuustheid van de betonsamenstelling bepaalt. Omdat dergelijke mengelingen een lage plastische viscositeit bezitten, hebben veranderingen in deze lage plastische viscositeit een beperkte invloed. Op basis van de experimentele resultaten en het YODEL model zijn procedures uitgewerkt om de robuustheid van de vloeispanning en dus het globale mengsel te verbeteren. Een betere maximum pakkingsdichtheid helpt en kan bekomen worden met een hogere dosis superplastificeerder, bijvoorbeeld door het pasta volume te verlagen. Een alternatieve oplossing is de combinatie van een lagere vloeispanning en een iets hogere plastische viscositeit van de pasta, bijvoorbeeld door een VMA in de samenstelling op te nemen in combinatie met een hogere dosis superplastificeerder.

 

Bij mengelingen met een lage vloeispanning waarin de plastische viscositeit de stabiliteit garandeert is het de gevoeligheid van deze plastische viscositeit die de robuustheid van de betonsamenstelling bepaald. Een klein tekort aan water kan resulteren in een onverwerkbaar kleverig beton, een klein overschot aan water kan leiden tot bleeding. De beste methode om de robuustheid te verbeteren is door de robuustheid van de plastische viscositeit van de pasta te verbeteren. Op basis van een reeks experimenten en de principes van het Krieger-Doherty model zijn concrete maatregelen voorgesteld: een verlaging van de pakkingsdichtheid van de pasta, bijvoorbeeld door de water-tot-poeder verhouding te verhogen. Ook een verlaging van de plastische viscositeit van de pasta helpt om de robuustheid te verhogen. In mengelingen die gevoelig zijn aan een hoge kleverigheid is het aangewezen om de thixotropie te verminderen, bijvoorbeeld door het water-tot-poeder verhouding te verhogen, een vervanging van cement door vliegas, of het verminderen van de hoeveelheid silica fume.

 

Als bleeding de belangrijkste hinderpaal is bij kleine variaties, is een andere aanpak nodig. Bleeding is een gevolg van een onevenwicht in de intermoleculaire krachten. Als sterische repulsiekrachten domineren over de Van Der Waals krachten voor kleine colloïdale deeltjes, wordt het colloïdale netwerk verbroken wat leidt tot syneresis: de vorming van een laagje water bovenop het betonoppervlak. Om de oorzaak van bleeding weg te nemen bestaan twee mogelijke oplossingen: de sterische repulsiekrachten verminderen door de dosis superplastificeerder te verlagen (hogere water-tot-poeder verhouding, een hoger pasta volume), of de Van Der Waalskrachten in het verse beton te verhogen, bijvoorbeeld door de vervanging van een deel van het cement door silica fume.

 

Een poging was ondernomen om de structuuropbouw en clustering van deeltjes in de cement paste meer fundamenteel te onderzoeken met vernieuwende experimentele technieken. Door de heel brede spanne aan deeltjesgroottes en de ondoorzichtige structuur van cementpasta is het niet evident om de flocculatie van individuele cement deeltjes te bestuderen. Twee technieken werden nader onderzocht: ultrasound attenuation en Small Angle Light Scattering (SALS).

 

Een attenuation spectrum is een grafiek van de gemeten van de amplitude verliezen in functie van een reeks ultrasound frequenties. De ultrasound golven kunnen doordringen in voor licht ontransparante oplossingen. Omdat geen evolutie van de attenuation spectra was waargenomen bij cement pastas in rust, kan de techniek niet gebruikt worden om de flocculatie in rust te bestuderen. Metingen op cement pastas met verschillende water-tot-poeder verhoudingen zorgden wel voor verschillende attenuation spectra. In een apparaat waarin de deeltjesgrootte verdeling bepaald wordt gebaseerd op een theorie van visceuze attenuation verliezen en scattering attenuation verliezen, werden geen realistische verdelingen berekend. In een ander apparaat waarin de deeltjesgrootte verdeling wordt berekend met behulp van een kalibratie met een poeder met gekende eigenschappen werden wel realistische maar ongeveer identieke deeltjesgrootte verdelingen bekomen. Het effect van particle clustering kon dus niet worden waargenomen in de berekende deeltjesgrootte verdelingen.

 

De invloed van superplastificeerder kon waargenomen worden op de beelden gegenereerd door Small Angle Light Scattering (SALS) op sterk verdunde oplossingen van cement paste in water. Omdat de SALS beelden onafhankelijk zijn van de opgelegde afschuifsnelheid op de monsters konden de flocculatie en deflocculatie mechanismen in cement pasta niet grondig bestudeerd worden met de SALS techniek. Een berekening van de deeltjesgrootte verdeling gebaseerd op de SALS beelden was niet succesvol. Hoewel de SALS techniek zijn nut bewezen heeft in de polymeerwetenschappen, is de toepassing in cement minder veelbelovend.

Datum:6 mei 2015 →  1 mrt 2017
Trefwoorden:SCC, Robustness, Sensitivity
Disciplines:Bouwkunde en constructietechnologie, Aardbevingsengineering, Geotechnische en omgevingsingenieurswetenschappen, Waterbouwkunde, Windtechnologie, Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie
Project type:PhD project