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Understanding the rheological properties of cement paste as a complex fluid
Zhang, Kun
Over the past few decades, the potential of concrete construction has changed dramatically from suitable for massive applications to complex, more innovative, future-oriented, and performance-based material technologies. Today, concrete no longer consists of cement, water, and aggregates alone, in return can be significantly enhanced by using supplementary cementitious materials and chemical admixtures. The price of the technological potential is a sensitive system that is more failure-prone, particularly in terms of its rheological properties. Future technologies for additive automation processes will further increase the demands on concrete rheology.
Rheology plays an important role in almost all areas of technology. Rheological equations apply for gases, fluids, and solids, but they can vary widely depending upon the technical application. Dispersed cementitious systems often exhibit more complex behavior than what can be expressed by the most common rheological equations, since the rheological effects of cement-based materials occur at multiple scales. Once particles must be considered, the fluid properties typically deviate from Newtonian behavior and show significant yield stresses and nonlinear viscosities. In addition, time effects such as thixotropy, rheopexy, or structural build-up need to be taken into account to characterize the fluid sustainability. The more complex interactions make it difficult to estimate the underlying causes of rheological phenomena, which are often of nano- or microscopic origin.
This dissertation looks at effects on three scales: the rheology of the particle interface, the changes induced by particle interactions and polymer adsorption, and how nano- and microscopic effects influence the macroscopic scale. The observation time ranges from the first few seconds of the system to the moment of setting, i.e., the transition from a rheological system to a solid system that essentially follows Hooke's law. Specifically, the changes in rheological properties induced by plasticizing polymers and polysaccharide stabilizers during the early stages of cement hydration are evaluated by various rheological tests (penetration tests, rotational rheometric tests), adsorption tests (TOC), and isothermal calorimetry, and these changes are confirmed microscopically by electron microscopy. The explicit goal of the dissertation is to improve the level of knowledge at the interface between Physico-chemical and rheological performance correlations. This increased level of knowledge can be obtained by the application of complex and promising analytical methods ranging from chemical to physical to macroscopic properties, which can elucidate the effects occurring at the microscale and their correlation with the macroscale.
In den letzten Jahrzehnten hat sich der Betonbau dramatisch verändert, weg von massiven Anwendungen hin zu komplexeren, innovativeren, zukunftsorientierten und leistungsorientierten Materialtechnologien. Beton besteht heute nicht mehr nur aus Zement, Wasser und Gesteinskörnung, sondern kann durch den Einsatz von zementhaltigen Zusatzstoffen und chemischen Zusatzmitteln deutlich aufgewertet werden. Der Preis für das technologische Potenzial ist ein empfindliches und störanfälligeres System, vor allem in Bezug auf die rheologischen Eigenschaften. Zukünftige Technologien für additive Automatisierungsprozesse werden die Anforderungen an die Betonrheologie weiter erhöhen.
Die Rheologie spielen in fast allen Bereichen der Technik eine wichtige Rolle. Rheologische Gleichungen gelten für Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe, können aber aus technischen Gründen stark variieren. Zementäre Dispersionen weisen oft ein komplexeres Verhalten auf, als durch die gebräuchlichsten rheologischen Gleichungen ausgedrückt werden kann, da die rheologischen Effekte von zementbasierten Materialien auf mehreren Skalen auftreten. Sobald Partikel berücksichtigt werden müssen, weichen die Flüssigkeitseigenschaften typischerweise vom Newton'schen Verhalten ab und weisen erhebliche Fließgrenze und nichtlineare Viskositäten auf. Darüber hinaus müssen zeitliche Effekte wie Thixotropie, Rheopexie oder Strukturaufbau berücksichtigt werden, um das Fluid zu charakterisieren. Komplexere Wechselwirkungen erschweren allerdings die Abschätzung der zugrundeliegenden Ursachen rheologischer Phänomene, die oft auf nano- oder mikroskopischen Skalen beruhen.
In dieser Dissertation werden Effekte auf drei Maßstabsskalen untersucht: die Rheologie der Partikelgrenzfläche, die durch Partikelwechselwirkungen und Polymeradsorption hervorgerufenen Veränderungen sowie die Auswirkungen von nano- und mikroskopischen Effekten auf die makroskopische Skala. Der Beobachtungszeitraum reicht von den ersten Sekunden des Systems bis zum Zeitpunkt des Abbindens, d. h. dem Übergang von einem rheologischen System zu einem festen System, das im Wesentlichen dem Hookeschen Gesetz folgt. Konkret werden die durch Verflüssigunde Polymere und Polysaccharid-Stabilisatoren induzierten Veränderungen der rheologischen Eigenschaften in den frühen Stadien der Zementhydratation durch verschiedene rheologische Tests (Penetrationstests, rotationsrheometrische Tests), Adsorptionstests (TOC) und isothermische Kalorimetrie bewertet und diese Veränderungen mikroskopisch durch Elektronenmikroskopie bestätigt. Erklärtes Ziel der Dissertation ist es, den Wissensstand an der Schnittstelle zwischen physikalisch-chemischen und makroskopischen rheologischen Eigenschaften zu verbessern. Dieser Wissenszuwachs wird vor allem durch die Anwendung komplexer und vielversprechender Analysemethoden ermöglicht, die von chemischen über physikalische bis hin zu makroskopischen Eigenschaften reichen, so dass sie die auf der Mikroskala auftretenden Effekte und deren Korrelation mit der Makroskala aufklären können.
