Opus Fluidum Futurum—Rheology of Reactive, Multiscale, Multiphase Construction Materials
Report by DFG SPP 2005 Priority Program
- Open Access
- 2026
- Open Access
- Buch
- Herausgegeben von
- Viktor Mechtcherine
- Shravan Muthukrishnan
- Daniil Mikhalev
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Dieses Open-Access-Buch stellt die kollektiven Forschungsergebnisse des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Schwerpunktprogramms (SPP 2005) Opus Fluidum Futurum - Rheologie reaktiver, mehrstufiger Baumaterialien vor, einer multidisziplinären Initiative zur Förderung der Wissenschaft rheologiebasierter nachhaltiger Bauprozesse. Dieses Buch bietet umfassende Einblicke in: (a) Wechselwirkungen reaktiver Teilchen, wobei der Schwerpunkt darauf liegt, wie Teilchen unterschiedlicher Reaktivität, Größe und Form in physikalische und chemische Wechselwirkungen eingreifen. (b) Verformungsverhalten von Frischbeton mit neuen Erkenntnissen zur rheologischen Beurteilung zementhaltiger Mischungen, die große Aggregate und Fasern enthalten. (c) Transport und Verarbeitung von Beton, wobei untersucht wird, wie Beton beim Pumpen, Füllen von Schalungen und Platzieren mittels fortgeschrittener Techniken wie 3D-Druck fließt. Alle Erkenntnisse werden durch sorgfältig konzipierte Experimente und Simulationen unterstützt, die Meso- bis Makromaßstäbe umfassen und den Grundstein für innovative Materialien und Verfahren legen, die den sich wandelnden Anforderungen moderner Bauweise gerecht werden.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
This open access book presents the collective research outcomes of the German Research Foundation (DFG) funded Priority Program (SPP 2005): Opus Fluidum Futurum—Rheology of reactive, multiscale, multiphase construction materials, a multidisciplinary initiative to advance the science of rheology-based sustainable construction processes. This book delivers comprehensive insights into: (a) Interactions of reactive particles, with a focus on how particles of various reactivity, sizes, and shapes engage in physical and chemical interactions. (b) Deformation behavior of fresh concrete with new insights into the rheological assessment of cementitious mixes containing large aggregates and fibers. (c) Concrete transport and processing, examining how concrete flows during pumping, filling formwork, and placement using advanced techniques such as 3D printing. All insights are supported by carefully designed experiments and simulations spanning meso- to macro-scales, laying the groundwork for innovative materials and processes that address the evolving needs of modern construction.
Anzeige
Inhaltsverzeichnis
-
Molecular and Microstructural Dynamics Influenicng Cement Rheology
-
Frontmatter
-
The Ion and PCE Interaction in the Aqueous Phase and Its Impact on Rheological Properties
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel befasst sich mit dem komplizierten Zusammenspiel zwischen Ionen und Polycarboxylat-Äther (PCE) in der wässrigen Phase der Zementpaste und konzentriert sich dabei auf ihre Auswirkungen auf die rheologischen Eigenschaften. Die Studie untersucht, wie unterschiedliche Ionen wie Kalzium und Kalium mit PCE interagieren und den Ertragsstress und die Viskosität von Zementsystemen beeinflussen. Es untersucht auch die Rolle der PCE-Architektur, einschließlich der Länge der Seitenkette und der Ladungsdichte, auf die Kräfte zwischen Teilchen und das rheologische Verhalten. Das Kapitel unterstreicht die Bedeutung der wässrigen Phase für das Verständnis rheologischer Effekte und früher Hydratationsprozesse. Darüber hinaus untersucht sie den Einfluss der Ruhezeit auf die rheologischen Eigenschaften von Glasperlensuspensionen und gibt Einblicke in die Mechanismen, die Veränderungen der Ertragsspannung im Laufe der Zeit zugrunde liegen. Die Ergebnisse bieten wertvolle Anhaltspunkte für die Optimierung der Betonleistung und der Produktionsprozesse und unterstreichen die Bedeutung der Anpassung rheologischer Eigenschaften an spezifische Anwendungen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThe composition of the aqueous phase significantly influences the rheology and hydration of fresh cement paste in the presence of PCE superplasticizer. In addition, the molecular structure of PCE has a decisive role on its performance in cementitious materials. It is found that the charge density of the backbone has a minimal effect on the interparticle force, and the length of the side chain plays a more significant role in determining the interparticle force. In addition, the dosage of PCE affects both the strength and the decay length of the interparticle force. In the PCE-free sample, the higher ionic strength of the aqueous phase contributes to a higher yield stress. The effect is thought to be caused by the different influences of the cations and PCE interactions. Calcium seems to support the polymer adsorption and potassium seems to affect the depletion forces. The yield stress increases with resting time when high dosages of PCE are used in pore solutions, although the surface becomes more negatively charged. The adsorbed PCE at rest tends to bridge the particles rather than disperse them. The experimental results suggest that the polymer and the ion can form complexes in the liquid phase, leading to size changes. This would increase the depletion forces and an increased bridging effect between the particles at rest, thus affecting the rheological properties. -
Viscoelasticity Related Deformability and Structural Build-Up of Fresh Cementitious Materials
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel untersucht das komplexe rheologische Verhalten zementartiger Materialien und konzentriert sich dabei auf die viskoelastischen Eigenschaften und den strukturellen Aufbau frischer Zementpasten. Die Studie untersucht den Einfluss der chemischen Zusammensetzung, der Partikelinteraktionen und externer Parameter wie der angewandten Scherung auf das Fließverhalten von Beton. Mithilfe einer mehrskaligen Methodik analysiert sie Hydratationsprozesse, Partikelgrößenverteilungen und die Rolle von Superweichmachern bei der Modifizierung der rheologischen Eigenschaften. Die Forschung nutzt fortschrittliche Techniken wie phänomenologische Rheologiemodellierung, mikrostrukturelle Modellierung und computergestützte Strömungsdynamik, um das Fließverhalten von Zementpasten zu simulieren und vorherzusagen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung kolloidaler Interaktionen für die Bestimmung der Fließfähigkeit und Verarbeitbarkeit moderner Betone, einschließlich Ökobetone und Hochleistungsbetone. Die Studie schließt mit der Betonung, wie wichtig es ist, das rheologische Verhalten zementartiger Materialien zu verstehen und zu optimieren, um maximale Festigkeit und Haltbarkeit in Bauanwendungen zu erreichen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThis study examines the rheological characteristics of cementitious paste, focusing on the impact of the colloidal phase and solid volume fraction on its non-Newtonian properties, including yield stress, structural build-up and shear-dependent viscosity. Utilizing Monte-Carlo particle-based modelling and Computational Fluid Dynamics (CFD) in combination with experimental results, it explores the time-dependent flow properties and structural build-up in cementitious paste due to colloidal cohesive interparticle forces, and the effects of cement hydration and external shear on flow behavior. Addressing current gaps in modeling the time-dependent viscoelastic behavior of blended cementitious materials with supplementary cementitious materials (SCMs), it emphasizes the need for predictive rheological models for modern sustainable concretes, facilitating the optimization of concrete mix designs for enhanced workability and placeability. -
The Development of a Unique Rheo-FTIR Set-up to Monitor Ettringite Formation in the Presence of Highly Charged Polymers
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel befasst sich mit der Entwicklung und Optimierung einer Rheo-FTIR-Anlage, einem leistungsstarken Werkzeug zur Überwachung der Bildung von Etringiten in Zementpasten. Die Studie konzentriert sich auf den Einfluss hochgeladener Polymere auf diesen Prozess und liefert wertvolle Erkenntnisse über die chemischen und physikalischen Veränderungen während der Zementhydrierung. Das Kapitel beschreibt die Synthese linearer und sternförmiger Polymere (Methacrylsäure, PMAA), die als Modellsysteme für hochgeladene Polycarboxylat-Ether (PCE) dienen. Der Aufbau von Rheo-FTIR kombiniert ein spannungsgesteuertes Rheometer mit einem Fourier-Transform Infrarot-Spektrometer (FTIR), das die gleichzeitige Messung rheologischer Eigenschaften und chemischer Veränderungen ermöglicht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen zwei unterschiedliche Regime in der Evolution des Speichermoduls auf, die den Einfluss der Ettringitbildung auf die Verfestigung von Zementmasse hervorheben. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über das Potenzial der Rheo-FTIR-Technik zur Untersuchung der Hydratation von Zementpasten und des Einflusses chemischer Zusätze auf diesen Prozess.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThe optimum processing of cementitious materials requires a fundamental understanding of their rheological properties and their microscopic origin. In this work, we report a substantial improvement of our previously developed Rheo-FTIR device which consists of a combination of a strain-controlled high-end ARES G2 rheometer with a highly sensitive Matrix-M IR-spectrometer. The core of this set-up is the unique design of the IR upper plate, which acts as an attenuated total reflectance (ATR) sampling tool. The newly developed combined technique allows correlating macroscopic rheological properties with microscopic and molecular chemical changes. To demonstrate its potential, the Rheo-FTIR was applied to monitor the formation of ettringite during the structural build-up of ordinary Portland cement (OPC) paste. To mimic the influence of highly charged polycarboxylate ether (PCE) on the formation of ettringite, two poly(methacrylic acid) (PMAA) model systems of a linear and a star topology were synthesized. Their influence on the formation of ettringite was investigated via Rheo-FTIR. -
From Micro to Macro-fundamental Rheological Modelling of Fresh Concrete Considering Interparticle Shear Rate and Microstructure Inhomogeneities Due to Processing Using a Scale-Bridging Approach
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel untersucht die grundlegende rheologische Modellierung von Frischbeton und konzentriert sich dabei auf das Zusammenspiel zwischen Scherraten zwischen Teilchen und Inhomogenitäten der Mikrostruktur aufgrund der Verarbeitung. Die Studie verwendet einen skalenüberbrückenden Ansatz, der die Berechnung der Strömungsdynamik (CFD) mit der Methode der diskreten Elemente (DEM) kombiniert, um die rheologischen Eigenschaften zementbasierter Materialien vorherzusagen. Zu den Schlüsselthemen zählen der Einfluss von Partikel- und Flüssigkeitseigenschaften auf das rheologische Verhalten der Suspension, die Auswirkungen mikrostruktureller Veränderungen unter Scherung und Ruhe sowie die Auswirkungen der scherinduzierten Partikelmigration. Das Kapitel unterstreicht auch die Bedeutung des Verständnisses der Scherraten zwischen Teilchen und ihrer Rolle bei der Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von Beton. Durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen liefert die Studie wertvolle Einblicke in das komplexe Verhalten von Frischbeton und bietet Verbesserungspotenzial für Bauprozesse und Materialdesign.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractDuring concrete processing, such as pumping or casting, its flow behaviour relies on rheological properties, e.g. time and shear-dependent viscosity and yield stress which requires a clear understanding and modelling of these properties. A scale-bridging approach is proposed, starting from the micro-scale (cement paste) to the macro-scale (concrete). The microscale analysis included the study of microstructural changes under shear and at rest, with integrated Focused Beam Reflectance Measurements (FBRM) used to assess the agglomeration state. These experimental results were combined with Computational Fluid Dynamics coupled with Discrete Element Method (CFD-DEM) simulations to develop models focusing on particle and fluid properties. Shear-induced particle migration and interparticle shear rate between larger particles were considered for upscaling. Meso-scale investigations using real-time particle tracking in model mortars provided new insights into particle motion under shear, particularly with larger sands showing more dominant migration. Meso-scale resolved CFD-DEM simulations were used to interpret the physics of particle migration, highlighting the importance of the interparticle shear rate. Shear-induced particle migration and interparticle shear rates were found to be critical parameters for upscaling from micro- to macro-scales, with estimates suggesting up to a tenfold increase in the ratio of interparticle shear rate to global shear rate for model mortars. These results highlight the importance of considering these factors for effective scale-up in concrete processing.
-
-
Rheology of Eco-friendly Cementitious Systems with Calcined Clay
-
Frontmatter
-
Shear-Dependent Rheological Behavior of Ecologically Improved Cements Containing Calcined Clays as Clinker Substitute
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel untersucht das scherabhängige rheologische Verhalten ökologisch verbesserter Zemente, die gebrannten Ton als Klinkerersatz enthalten, angetrieben durch das globale Streben nach CO2-Neutralität. Es untersucht die Eigenschaften von vier gebrannten Tonproben - Metakaolin, Metamuskovit, Metaillit und Metamontmorillonit - und ihre Wechselwirkungen mit PCE-Superweichmachern. Die Studie zeigt signifikante Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung, Oberfläche und Morphologie der gebrannten Tonerde, die wiederum ihren Wasserbedarf und ihr rheologisches Verhalten beeinflussen. Metaillit weist die feinsten Partikel und die höchste Oberfläche auf, korreliert aber nicht mit dem höchsten Wasserbedarf, während Metamuskovit den höchsten Wasserbedarf aufweist. Die Forschung untersucht auch die dispergierende Wirksamkeit von MPEG- und HPEG-PCE-Superplastifikatoren und stellt fest, dass HPEG-PCE im Allgemeinen besser ist als MPEG-PCE. Adsorptionsmessungen zeigen, dass Metaillit extrem hohe Mengen an HPEG PCE adsorbiert, ohne Sättigung zu erreichen, was auf eine mögliche Interkalation und nicht auf eine Oberflächenadsorption hindeutet. Die scherabhängige Rheologie von reingebrannten Tonsuspensionen und OPC / CC 70: 30-Zementmischungen wird untersucht und zeigt, dass Metaillit und Metamuskovit ein Scherverdünnungsverhalten aufweisen, das OPC ähnelt, während Metakaolin und Metamontmorillonit Scherverdickungseigenschaften aufweisen. Der Zusatz von HPEG PCE hat erhebliche Auswirkungen auf die Rheologie der Suspensionen, insbesondere bei Metamuskovit, wodurch Scherstress reduziert und das rheologische Verhalten verändert wird. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass gebrannte Tone komplexe Bestandteile in Zement enthalten, was weitere Forschungen erfordert, um ihre Oberflächenchemie und ihr Verhalten in Verbundzementen zu verstehen, und letztlich die weit verbreitete Anwendung umweltfreundlicher Zemente fördert, die gebrannte Tone enthalten.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractDifferent calcined clays were found to have significant impact not only on the spread flow of cement paste, but also on characteristic rheological parameters due to their individual shear-dependent flow behavior. This study aims to establish a deeper understanding of the rheological behavior of calcined clay blended cements. At first, several polycarboxylate (PCE) comb polymers were selected to provide fluidity for the calcined clay (CC) suspensions which were prepared from pristine metakaolin, metamuscovite, metaillite and metamontmorillonite, respectively. By measuring zeta potential and sorption values, the dispersing effect of the PCEs was found to derive from PCE adsorption onto positively charged surfaces of the calcined clays, which was facilitated by the uptake of Ca2+ ions from the pore solution. The methallyl ether (HPEG) based PCE showed superior dispersing performance over methacrylate ester (MPEG) based PCE. Surprisingly, metaillite could not be dispersed satisfactorily, despite its high PCE adsorption. Moreover, the shear-dependent rheological behavior of the pure calcined clays (CCs) and of CC-OPC blends was studied to further investigate into the impact of calcined clays on the rheological characteristics of cement pastes. Shear-dependent rheology was measured at 0.1–600 rpm rotational speed using a Couette type viscometer. It was revealed that calcined muscovite, illite and OPC exhibit a shear-thinning (pseudoplastic) behavior whereas metakaolin showed slight shear-thickening (dilatant) and metamontmorillonite an almost ideal Newtonian (linear) relationship. Opposite to this, in blends with OPC, all calcined clays produced Bingham Plastic fluids. The Hershel-Bulkley model was applied for the fitting of the rheological curves. -
Rheology of Low Clinker Concretes with Tailored Superplasticiser Polymers: Control and Modelling of Viscosity and Thixotropic Structural Build-up
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel befasst sich mit der Rheologie niedriger Klinkerbetone und konzentriert sich auf den Einfluss maßgeschneiderter Superweichmacherpolymere auf die Viskosität und den thixotropen Strukturaufbau. Die Studie untersucht, wie die molekulare Struktur von Polycarboxylat-Ether (PCE) -Superplastifikatoren diese Eigenschaften beeinflusst, wobei Interpartikelinteraktionen und frühe Hydratationskinetik berücksichtigt werden. Schlüsselergebnisse zeigen, dass die Polymerstruktur und der Additionsmodus die Thixotropie und Viskosität signifikant beeinflussen, wobei hochgeladene PCEs die Thixotropie erhöhen und die Viskosität verringern. Die Forschung unterstreicht auch die Rolle der Bildung von Etringiten in diesen Prozessen. Die Studie bestätigt diese Ergebnisse im konkreten Maßstab und zeigt die praktische Relevanz der Ergebnisse. Zusätzlich wird ein analytisches Modell entwickelt, um kolloidale und Kontaktinteraktionen mit thixotropen Strukturen zu verknüpfen und so ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen zu ermöglichen. Diese umfassende Analyse bietet wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung der Verarbeitbarkeit und der Eigenschaften von Beton für Bauanwendungen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThis research aimed to understand and describe the effect of the molecular structure of Polycarboxylate ether superplasticisers (PCE) on the thixotropic structural build-up and the viscosity of low clinker concretes (LCC). We investigated non-commercial PCE superplasticisers with varying side chain lengths, densities, and backbone lengths. Thixotropic structural build-up and viscosity were determined in an application-oriented approach of constant workability, i.e. slump flow, adjusted by the PCE dosage. The investigations were carried out on paste, mortar, and concrete scale. Additionally, colloidal particle interactions, hydration kinetics, and the particle microstructure were quantified. The key colloidal and contact interactions modified by the PCE were identified to bridge the gap between effects at the nano-scale (PCE molecular parameters, colloidal interactions, hydration) and the macro-scale (rheological properties, particularly viscosity and thixotropic structural build-up). The objective was to gain a comprehensive understanding of the effects of PCE molecular structure on thixotropy and viscosity in low clinker binder systems with high SCM contents, to control the fresh properties of concrete, and to enable predictions crucial for future applications of LCC. -
Quantifying Mixed Clay Composition with TG-MS and Unveiling Clay Reactivity
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel befasst sich mit der Quantifizierung der gemischten Tonzusammensetzung mittels thermischer gravimetrischer Analyse in Verbindung mit Massenspektroskopie (TG-MS) und untersucht die Reaktivität von Ton in zementgebundenen Bindemitteln. Der Text beginnt mit der Einführung in die Bedeutung des Verständnisses der Tonzusammensetzung für die Beurteilung ihrer Lebensfähigkeit als ergänzende Zementmaterialien (SCM). Er diskutiert die Herausforderungen und Grenzen traditioneller Methoden wie XRD und TGA und schlägt eine neue Entfaltungsmethode für TG-MS vor, um diese Herausforderungen zu überwinden. Das Kapitel bietet außerdem einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Forschungsergebnisse zur Reaktivität von Tonpuzzolanen, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss von gebranntem Ton auf die Rheologie und Hydratationsprozesse liegt. Er untersucht die Auswirkungen verschiedener Zusätze wie Sulfate, Karbonate und Alkalihydroxide auf die Reaktivität von Ton und diskutiert die Bildung verschiedener Hydratphasen. Der Text schließt mit einem Vorschlag für zukünftige Forschungsrichtungen, in dem die Notwendigkeit einer stöchiometrischen und kinetischen Modellierung verschiedener C-A-S-H-Zusammensetzungen und die Herstellung einer Korrelation zwischen der Entwicklung der Hydratphase und rheologischen Eigenschaften betont wird. Dieses Kapitel bietet einen detaillierten Überblick über das thermische Verhalten von Ton, den Einfluss verschiedener Additive auf die Reaktivität von Ton und die Entwicklung einer neuen Entfaltungsmethode für TG-MS, die es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute auf diesem Gebiet macht.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThis contribution introduces thermogravimetric analysis (TGA) for quantifying clay composition and highlights research findings on clay pozzolanic reactivity. By coupling with mass spectroscopy (MS), the analysis of mixed clay minerals is performed, addressing TGA quantification challenges through deconvolution methodology and MS coupling. The results are compared with quantitative-XRD (QXRD) analysis. Future research should focus on enhancing validation methods for TGA-MS quantitative phase analysis. Additionally, this paper outlines key findings and methodologies, including experimental and mathematical modeling, for correlating clay composition, calcined clay reactivity, and hydrate phase evolution. Progressing from simplified clay-portlandite systems to blended cementitious systems, future research should explore stoichiometric and kinetic modeling across diverse compositions, including carbonates, and establish the relationship between hydrate phase evolution and rheological properties in blended cementitious systems.
-
-
Advancements in Fresh Concrete Rheometry
-
Frontmatter
-
Adaptive Coaxial Concrete Rheometer (ACCR): Honest Rheological Measurements and Corrections
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel stellt das Adaptive Coaxial Concrete Rheometer (ACCR) vor, ein neuartiges Gerät, das die Beschränkungen traditioneller rheologischer Messmethoden für Beton überwinden soll. Der Text beginnt mit einer Beschreibung der Herausforderungen, die von herkömmlichen Techniken wie Flussuntersuchungen und großflächigen Rheometern ausgehen, die oft Schwierigkeiten haben, absolute Viskositätswerte zu liefern und unter Problemen der Vergleichbarkeit leiden. Das ACCR mit seinem koaxialen Design und adaptiven Profilen begegnet diesen Herausforderungen, indem es präzise, absolut rheologische Messungen anbietet. Der Artikel vertieft den theoretischen Hintergrund von Koaxial-Rheometern und erklärt die physikalischen und mathematischen Zusammenhänge, die den Betrieb des ACCR untermauern. Außerdem werden verschiedene Korrekturmethoden für nicht-newtonsches Strömungsverhalten und Wandrutsche diskutiert, wobei die Fähigkeit des ACCR hervorgehoben wird, sich durch austauschbare Profile an unterschiedliche Flüssigkeiten anzupassen. Kalibrierungsmessungen mit Modellflüssigkeiten, einschließlich einer Newtonschen Zuckerlösung, einem Crembad zur Scherverdünnung, einer Suspension und einer Ertragsspannungsflüssigkeit wie Mayonnaise, bestätigen die Genauigkeit des ACCR. Die Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des ACCR, kommerzielle Rheometer mit Abweichungen von weniger als 5% zu vergleichen. Das Kapitel schließt mit der Betonung des Potenzials des ACCR, das Verständnis des konkreten Fließverhaltens zu verbessern und den Weg für verbesserte Anwendungen in komplexen Formen, 3D-Druck und anderen High-End-Anwendungen zu ebnen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractNew technologies in the concrete industry like 3D printing, complex construction projects, or simulations, require very accurate measurements of the flow behavior, i.e., stress dependency on local shear rate and shear history. Unfortunately, most commercial systems, often called concrete viscometers, only feature relative measurements or compute pseudo-absolute values from complex flow fields which cannot be described analytically. The assumptions are usually of good quality but carry the risk of producing misleading results. Therefore, a new concrete rheometer, the Adaptive Coaxial Concrete Rheometer (ACCR), was built to measure absolute values comparable to commercial small-scale rheometers. The experimental setup of the rheometer and the necessary theory are described in detail, including some specific features to fulfill the requirements of ISO 3219 for coaxial rheometers. The important gap correction for serrated measuring systems to inhibit wall slip is explained, and examples are given for rotational plate-plate and coaxial systems. The calibration and validation measurements are presented to demonstrate the high accuracy of the ACCR and the good comparability for different flow behaviors. Then, a practical study of the flow behavior for an industrial Self Compacting Concrete (SCC) concrete is presented and discussed. Finally, the yield stress of the SCC was investigated using classical extrapolation methods and compared to an optical method using the ACCR. -
Assessing and Modeling the Buildability of Cement-Based Materials in the Context of Digital Fabrication
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel vertieft die kritischen Aspekte der Bewertung und Modellierung der Baubarkeit von zementbasierten Materialien im Kontext der digitalen Fertigung, insbesondere des 3D-Betondrucks. Im Mittelpunkt steht das Verständnis der rheologischen und mechanischen Eigenschaften, die erfolgreiche Druckprozesse gewährleisten. Zu den Schlüsselthemen zählen der Einfluss mesoskopischer Bestandteile wie Aggregate auf das rheologische Verhalten, die Entwicklung von Testmethoden für statische rheologische Parameter und die Integration von Fasern und Recyclingmaterialien zur Verbesserung von Nachhaltigkeit und Leistung. Das Kapitel stellt auch empirische Modelle zur Vorhersage des strukturellen Aufbaus von 3D-druckbaren Betonen vor und bietet praktische Erkenntnisse zur Optimierung von Mischungsdesigns. Darüber hinaus widmet sie sich den Herausforderungen und Chancen des Einsatzes recycelter Zuschlagstoffe und hebt deren Potenzial zur Verringerung der Umweltauswirkungen und zur Verbesserung der Haltbarkeit von 3D-gedruckten Strukturen hervor. Die Studie schließt mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse und betont die Bedeutung weiterer Fortschritte in der Methodik und Materialwissenschaft, um das Potenzial digitaler Fertigung im Bauwesen voll auszuschöpfen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractIn recent years, there has been a growing interest in digital construction techniques such as 3D printing with concrete by layered extrusion. While this method offers various benefits, it also imposes high requirements regarding the rheological characteristics of printable materials. With the abandonment of traditional formwork, it becomes crucial for printable mortars and concretes to swiftly adapt their consistency to each stage of the process. Accordingly, material behavior can shift by several orders of magnitude within a short period of time, posing significant challenges for both mix design and test methodology to assess the rheological behavior of fresh concrete. Attention must especially be paid to the static parameters, and their evolution over time, as they are used to define the buildability of 3D printable materials. This research addresses the structural build-up of cementitious materials in their fresh state. One goal is to develop and refine a methodology that allows the characterization of a wide range of materials, as well as their modeling. The research focusses on high-potential test methods, with particular emphasis on rotational rheometry and penetration tests. The methodology developed is further utilized to explore the mechanisms behind the influence of aggregate properties and fiber addition on the rheological behavior and process-related parameters of fresh concrete in the context of 3D printing. The findings are utilized to propose models capable of predicting the material behavior during printing processes and preventing failure. Finally, this research facilitates a rheology-based approach to mix design. -
Tailored Yield Stress for 3D Printing Using Low-Clinker Cement
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel taucht in die faszinierende Welt des 3D-Betondrucks ein und konzentriert sich auf die maßgeschneiderte Streckgrenze für den 3D-Druck mit klinkarmem Zement. Der Text untersucht das Zusammenspiel zwischen physikalisch-chemischen und physikalischen Materialeigenschaften, wobei besonderes Augenmerk auf das frühe Materialverhalten zementartiger Systeme gelegt wird. Es wird die Entwicklung nachhaltiger bedruckbarer Mörtel auf der Basis von gebranntem Ton- und Kalksteinpulver und die Validierung neuer Testmethoden zur Beurteilung der Materialeigenschaften diskutiert. In diesem Kapitel wird auch die Entwicklung zweier hochwirksamer Zweikomponenten-Systeme (2K) für den 3D-Betondruck vorgestellt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Beschleuniger mit Aluminiumsulfat nicht nur in einem reinen OPC-Mörtel, sondern auch in Mörteln mit SCM eingesetzt werden kann. Im Vergleich zum CEM-III-Mörtel wurde im LCC-Mörtel keine Verringerung der Effektivität des Beschleunigers beobachtet. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung der chemischen Eigenschaften innerhalb der ersten 24 Stunden und, besonders wichtig für den 3D-Druck, eine Verbesserung des frühen rheologischen Verhaltens. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über das Potenzial dieser Erkenntnisse zur Reduzierung der CO2-Emissionen im Bausektor und der Entwicklung nachhaltigerer 3D-Beton-Drucktechnologien.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThis paper focuses on solutions for CO2 reduction in the construction sector. It explores the use of supplementary cementitious materials (SCMs) and the development of 3D-printable mortars as one- and two-component systems. The interaction between physical and chemical material properties is examined to understand better the crucial parameters controlling early rheological properties. New test methods, including a penetration test, uniaxial compression test, and slug test, are developed, validated, and presented to adequately assess the monitoring of these early physical properties. The insights from these interdisciplinary investigations are particularly significant for additive manufacturing, as they allow for controlling material properties according to more complex requirements. The formation of ettringite, in particular, plays a significant role in this context. Based on the acquired knowledge, the investigated cementitious systems for 3D printing are tailored using selected accelerators and formulated on the principle of “setting-on-demand.” For injection-based 3D printing, an accelerator containing aluminum sulfate, which accelerates early ettringite formation, is used. Additionally, a predominantly ettringite-forming two-component system (OPC-CSA-C$), consisting of two cementitious pastes, is developed. The two pastes, retarded for several hours, exhibit rapid strength development when mixed. The substitution of OPC with calcined clay and limestone, or slag, is another topic addressed in this paper. It is observed that mortars composed of such systems are indeed suitable for 3D printing.
-
-
Application-Oriented Rheology of Cementitious Materials in Construction
-
Frontmatter
-
Component Additive Approach to Predict Cement Paste Rheology Considering Heterogeneities on Different Scales and Supplementary Cementitious Materials and Their Special Effect on Thixotropy and Concrete De-airing Behaviour (CONCERT & CONCERT-CCair)
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel vertieft sich in die komplexe Welt der Zementpastenrheologie und konzentriert sich auf die Auswirkungen ergänzender zementartiger Materialien wie gebrannter Tonerde (CCs) auf die Thixotropie und das Entlüftungsverhalten. Der Text beginnt mit der Erforschung der grundlegenden Prinzipien der Rheologie von Zementmasse, wobei die Rolle von Partikelinteraktionen und Hydratationsprozessen bei der Bestimmung der Fließeigenschaften von frischem Beton hervorgehoben wird. Anschließend wird der Einfluss von SCM auf diese Eigenschaften untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen von CCs liegt. Das Kapitel stellt außerdem innovative numerische Modelle vor, die das Aufsteigen von Luftblasen in zähflüssigen Flüssigkeiten simulieren und wertvolle Erkenntnisse über das Entlüftungsverhalten von Beton liefern. Darüber hinaus werden die praktischen Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf die Bauindustrie diskutiert, wobei die Bedeutung des Verständnisses und der Kontrolle der rheologischen Eigenschaften von Beton betont wird, um seine Haltbarkeit und Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Das Kapitel schließt mit einem Überblick über die wichtigsten Erkenntnisse und ihre möglichen Anwendungen im Bereich des Bauingenieurwesens.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThe workability and the de-airing behaviour of fresh concrete are strongly influenced by the cement paste contained therein. The rheological properties of cement pastes and concretes in general are a function of the mix composition, hydration processes, shear history and external influences (such as temperature, vibration etc.). Microscopic interparticle interactions control the macroscopic bulk rheology. In the paper at hand, the results of a 6-year project are described, in which the interactions between particles, between particles and the carrier liquid, as well as superplasticizers and variations in particle inventory and the carrier fluid composition, were studied. The work in the first step yielded in a surface complexation model for a cement paste model system, which allows to predict the particles’ zeta potential and other surface parameters as a function of the ion brine composition. Further, an in-depth analysis of the mechanisms of thixotropy in cementitious suspensions was carried out and a corresponding model was developed. This model is based on the results of combined rheological and tomographical measurements. In doing so, a prediction of the rheological properties of cement suspensions subjected to a complex shear history during the entire lifetime of fresh cement suspension is now possible. The prediction of the rheological properties becomes even more challenging when Ordinary Portland Cement (OPC) is replaced by supplementary cementitious materials (SCMs) like calcined clays, where the clay composition and its calcination conditions significantly influence the flow behaviour and the entire hydration process. The analysis of calcination conditions for varying clay mineralogy and the influence of SCMs on the hydration processes of OPC ensure an extended application of the findings for low-clinker concrete. Concerning the practical application of the results, the effect of the rheological properties of the paste on the de-airing behaviour of concrete was investigated and modelled. A proper de-airing process of fresh concrete can be achieved by tuning the predicted rheological properties of cement paste. -
Concrete Segregation Resistance and Concrete Open Channel Flow Behavior in the Presence of Obstacles and Mechanisms of Flow Blockage (OCF-Blockage)
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel geht den kritischen Aspekten des Widerstands gegen die Betonabscheidung und des Verhaltens des offenen Kanals, insbesondere bei Hindernissen, und den Mechanismen hinter der Verstopfung des Flusses nach. Die Forschung konzentriert sich auf die Vorhersage des Fließverhaltens von frischem Beton ohne wesentliche Hohlräume oder Segregation, ein entscheidender Faktor in der Bauindustrie. In umfangreichen Studien untersuchen die Autoren das Formfüllverhalten von Beton unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich dichter Bewehrungssituationen. Der Text hebt den Einsatz numerischer Simulationstechniken wie der Diskreten Elementmethode (DEM) und der Computational Fluid Dynamics (CFD) hervor, um konkretes Strömungsverhalten zu modellieren. Es untersucht auch experimentelle Untersuchungen, einschließlich des L-Box-Tests und des Slump-Flow-Tests, um die Fließeigenschaften von selbstverdichtendem Beton (SCC) zu quantifizieren. Im Kapitel wird außerdem die Entwicklung eines Multi-Task Convolutional Neural Network (CNN) diskutiert, um frische Betoneigenschaften aus Untersuchungen des offenen Kanalflusses vorherzusagen, was einen bedeutenden Fortschritt in diesem Bereich darstellt. Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die rheologischen Eigenschaften von Beton zu verstehen, um qualitativ hochwertige Bauergebnisse zu gewährleisten.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractA key requirement onto the concrete properties is that during the placement process the fresh concrete needs to completely fill the formwork while staying homogeneous. Whereas substantial research onto the flow and sedimentation behavior of fresh concrete has been presented regarding highly flowable self-compacting concretes, research regarding these properties on ordinary, vibrated concretes has been missing. In the presented research thus the sedimentation behavior of ordinary concrete as well as model systems was investigated. Here it could be shown, that even concretes which are seen as stable show significant changes in their homogeneity due to vibration compaction and that these local variations in aggregate content and particle size distribution have pronounced influence on the local rheological properties of the mix. The results could be closly linked to the nanoscopic particle inventory. Further, a novel measurement technique for the rheological properties of fresh concrete was developed which relies on the inverse analysis of the flow behavior of the concrete during the discharge process of a mixing truck. Using so-called Computer Vision Methods, video images of the concrete flow process can be used to derive rheological parameters such as the yield stress of the plastic viscosity. -
Multiphase Granular Suspension Flow During Pumping in Complex Geometries—FLOW
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel taucht ein in die komplexe Welt des mehrphasigen granularen Suspensionsflusses beim Pumpen von Beton durch komplexe Rohrgeometrien. Es untersucht die Bildung von Schmierschichten und Steckerströmen und zeigt, wie Scher- und Strömungsbewegungen von Partikeln Volumenströmung und Druckverlust beeinflussen. Der Text diskutiert die Verwendung transparenter und undurchsichtiger Modellbetone zur Untersuchung dieser Phänomene und liefert wichtige Beobachtungen und Erkenntnisse. Es untersucht auch die Auswirkungen komplexer Geometrien wie Biegungen, Düsen und Reduktoren auf Strömungssymmetrie und Stabilität. Das Kapitel schließt mit Einblicken in zukünftige Forschungsrichtungen, wobei die Notwendigkeit verfeinerter Modelle und erweiterter experimenteller Validierung zur Optimierung der Betonpumpenleistung betont wird.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractNumerous factors influence the dynamics of material flow. When pumping multiphase granular suspensions, such as concrete, through complex piping systems, many questions remain unanswered. This research, conducted as part of the Priority Program SPP 2005 Opus Fluidum Futurum—Rheology of Reactive, Multiscale, Multiphase Construction Materials, funded by the German Research Foundation (DFG), aims to deepen our understanding of flow dynamics and particle mechanics under nonlinear flow conditions. The primary objective is to characterize flow-induced particle migration (FIPM) and the formation of a lubrication layer by analyzing concrete composition and its rheological properties. These factors play a crucial role in determining the flow behavior of multiphase granular suspensions and their impact on pump pressure. While existing studies have provided insights into the behavior of complex suspensions in generic flow conditions, their behavior in intricate geometries remains largely unexplored. This project employs both experimental and numerical approaches to investigate additional effects arising from streamline curvature and particle phase mass inertia. Through innovative experimental methods, significant insights have been gained into particle behavior within dense, opaque, enclosed moving systems. These findings contribute to the development and validation of models that qualitatively and quantitatively describe the flow behavior of multiphase granular suspensions in complex geometries, such as pipelines. Such knowledge is essential for predicting flow dynamics, assessing pressure loss, and preventing blockages during pumping. It also has broader applications in modern technologies, including 3D printing and energy-efficient pumping systems. -
Multi-scale Analysis of Fully Resolved Fresh Concrete Flow Using Mesh-Free Smoothed Particle Hydrodynamics
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel vertieft sich in die mehrskalige Analyse des Frischbetonflusses mittels Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Der Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis der Wechselwirkung zwischen Feststoffaggregaten und Strömungsdynamik, die für die Modellierung der rheologischen Eigenschaften von Frischbeton von entscheidender Bedeutung ist. Der Text untersucht die Herausforderungen und Möglichkeiten der Modellierung von Suspensionen auf verschiedenen Skalen und betont die Bedeutung mikrostrukturellen Verhaltens bei der Bestimmung der allgemeinen Strömungseigenschaften. Die Analyse umfasst einen Vergleich zwischen newtonschen und nicht-newtonschen Rheologien, der Einblicke in die Bildung von Schmierschichten und den Einfluss der Gesamtgröße und -verteilung auf das Fließverhalten bietet. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Vorteile des Einsatzes von SPH für diese Art von Analyse, wobei die Fähigkeit betont wird, komplexe Interaktionen präzise darzustellen und wertvolle Daten zur Verbesserung der Eigenschaften von Frischbeton zu liefern.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThe understanding of the mechanical behaviour and rheology of suspensions is crucial to many research and application fields. The utilisation of experiments in this field can often not provide an insight into the flow behaviour and the interaction on the micro scale, or if so, only in a very complicated way. Therefore, we employ a Direct Numerical Simulation of suspended aggregates immersed in a fluid monolithically modelled with Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) particles. For the carrier fluid, we can use Newtonian or non-Newtonian rheology to include effects below the resolution of our characteristic aggregate size. Our Lagrangian simulation enables us to follow the trajectories of the immersed aggregates and to fully map the near field in the vicinity of the solid aggregates discretised by rigid bound SPH particles. We validate the near field solution of our simulation with the analytical solution for an accelerated sphere moving through a viscous fluid in a Stokes’ regime. To discuss near field phenomena in the vicinity of suspended aggregates, we investigate a boundary value problem with two slightly shifted spheres immersed in a body force driven flow between two parallel plates in a Newtonian and non-Newtonian fluid.
-
- Titel
- Opus Fluidum Futurum—Rheology of Reactive, Multiscale, Multiphase Construction Materials
- Herausgegeben von
-
Viktor Mechtcherine
Shravan Muthukrishnan
Daniil Mikhalev
- Copyright-Jahr
- 2026
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-032-15391-3
- Print ISBN
- 978-3-032-15390-6
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-032-15391-3
Die PDF-Dateien dieses Buches wurden gemäß dem PDF/UA-1-Standard erstellt, um die Barrierefreiheit zu verbessern. Dazu gehören Bildschirmlesegeräte, beschriebene nicht-textuelle Inhalte (Bilder, Grafiken), Lesezeichen für eine einfache Navigation, tastaturfreundliche Links und Formulare sowie durchsuchbarer und auswählbarer Text. Wir sind uns der Bedeutung von Barrierefreiheit bewusst und freuen uns über Anfragen zur Barrierefreiheit unserer Produkte. Bei Fragen oder Bedarf an Barrierefreiheit kontaktieren Sie uns bitte unter accessibilitysupport@springernature.com.
