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Tests der Wirkung von PCE-Fließmitteln auf Stoffe für ... Ressourcen-effizienten, nachhaltigen...

Date post: 11-May-2020
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Dr. J. Juhart 1 11.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg Tests der Wirkung von PCE-Fließmitteln auf Stoffe für Ressourcen-effizienten, nachhaltigen Beton Effect of PCE-Superplasticizers on Powders for Eco-Concrete Institute of Technology and Testing of Building Materials Institute of Applied Geosciences Laboratory for Particle Analysis (RCPE) Graz University of Technology
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Page 1: Tests der Wirkung von PCE-Fließmitteln auf Stoffe für ... Ressourcen-effizienten, nachhaltigen Beton Effect of PCE-Superplasticizers on Powders for Eco-Concrete Institute of Technology

Dr. J. Juhart 111.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Tests der Wirkung von PCE-Fließmitteln auf Stoffe für Ressourcen-effizienten, nachhaltigen Beton

Effect of PCE-Superplasticizers on Powdersfor Eco-Concrete

Institute of Technology and Testing of Building Materials

Institute of Applied Geosciences

Laboratory for Particle Analysis (RCPE)Graz University of Technology

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Dr. J. Juhart 211.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Motivation Climate Protection and Sustainable Development

N2O

CH4

CO2

Quelle: IPCC: Climate Change 2007: Synthesis Report

Cement production causes ~ 5% of world wide CO2-emission [Quelle: VÖZ]

Concrete demand worldwide ~ 7 billion m³/year [KIT 2012]

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Dr. J. Juhart 311.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Development of Eco-concrete

0%

33%

67%

100%

133%strength(fcm,28d)openporosityGWP

PEI

• reduction of GWP and PEI by - 10-30% is possible

• equal concrete performance

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Dr. J. Juhart 411.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

water layer

cement

interstitial

water

normal paste

Same workability/strength/ durabilityof eco-concrete and normal concrete

+ superplasticizerwater layer thickness

micro filler

+ superplasticizerwater layer thickness

eco-fillermicro filler

filled voids w/b-ratio e.g. HSC+ “eco-filler”CEM-clinker (w/c )

„eco“-concrete

Packing Optimization & Effect of Fillers

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Dr. J. Juhart 511.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Flowability of Different Powders

Spread flow test

Which SP do you recommend for eco-concrete and what performance will we reach with different fine powders ?

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Dr. J. Juhart 611.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Superplasticizers PCE

Quelle: SIKA Produktbroschüre

PCE ca. 10 nmCEM Ø ca. 10 µm

superplasticizer [PCE] application

‐SP 55 ready‐mixed concreteSP 108 ready‐mixed concreteSP 109 precast concreteSP 110 precast concreteSP 144 precast concreteSP 147 precast concreteSP 170 precast concreteSP 182 precast concrete

bulk density PCE content (solid)

g/cm³ M.%1,07 301,08 291,09 401,06 301,06 281,06 301,06 251,07 30

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Dr. J. Juhart 711.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Powders

Portland Cement d50 = 7,5 µmMicro-fillers d50 < 4 µmEco-fillers 5 µm < d50 < 15µm

type true densityρ0

grain sized50

location parameter x’

slopen

Blaine‐ value 

water demand (MEM) Vws/Vp

sensitivity to addition of waterEp

GWP PEI

g/cm³ µm µm ‐ cm²/g ‐ ‐ kgCO2/t MJ/tcem I 52,5 R 3,14 7,50 8,50 0,90 5110 0,92 0,0041 831 4030quartz eco  2,65 13,80 18,60 1,00 4640 0,85 0,0026 41 1338quartz micro  2,65 3,26 4,60 1,10 (12680) 0,83 0,0005 57 1788microsilica 2,20 0,20 (34908) 1,28 0,0033 (0) (0)limestone micro   2,73 2,20 3,50 1,20 9314 0,61 0,0015 36 1006limestone eco 1 2,70 9,00 15,80 1,20 5630 0,59 0,0028 25 717limestone eco 2  2,70 12,00 20,40 1,00 3689 0,69 0,0026 25 717dolomite micro 2,90 3,30 4,30 1,30 8300 0,85 0,0030 36 1006dolomite eco  2,86 15,00 33,50 0,80 2962 0,61 0,0021 25 717

inert stone powders

fact

or 1

/20

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Dr. J. Juhart 911.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Ep, quartz

Ep, limest.

0 100 200 300 400

spread flow [mm]

cement micro-filler (limestone) eco-filler (quartz)

no flow

Water Demand and Flowability of PowdersNew combination-method “MEM-ST”

Water demand for certain spread flow

Vwf/Vp

Ep,cem

Ep,quartz

Ep,limestone

„MEM“

minimumwater

demand

Vws/Vp

• Mixing energy method (MEM) • Spread flow test ST (Okamura)

water demand at saturation (Vws/Vp) ≙ void content water demand for certain spread flows (Vwf,i/Vp)

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Dr. J. Juhart 1011.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Sequence of Testing of Water-Powder mixes with SP

• water/powder mixes at minimum water demand (MEM) constant starting consistency

• addition of superplasticizers / mixing

spread flow tests rheometer test

p

sPCE

powder

solidPCE

Vm

Vm

dosageSP __

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Dr. J. Juhart 1111.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00% 0,25% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%

spread

 flow

 [mm]

mPCEsolid/VP [%]

cem I 52,5 R; d50=7,5µm

SP 108 ‐ LC

SP 144 etc. ‐ HC

Results

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Dr. J. Juhart 1211.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Results

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00% 0,25% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%

spread

 flow

 [mm]

mPCEsolid/VP [%]

cem I 52,5 R; d50=7,5µm

SP 108 ‐ LC

SP 144 etc. ‐ HC

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Dr. J. Juhart 1311.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Results

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00% 0,25% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%

spread

 flow

 [mm]

mPCEsolid/VP [%]

cem I 52,5 Rlimestone eco 1limestone eco 2; d50=12,0µm

; d50=7,5µm; d50=9,0µm

SP 108 ‐ LC

SP 144 etc. ‐ HC

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Dr. J. Juhart 1411.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Results

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00% 0,25% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%

spread

 flow

 [mm]

mPCEsolid/VP [%]

cem I 52,5 Rquartz ecolimestone eco 1limestone eco 2

; d50=13,8µm

; d50=12,0µm

; d50=7,5µm

; d50=9,0µm

SP 108 ‐ LC

SP 144 etc. ‐ HC

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Dr. J. Juhart 1511.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Results

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00% 0,25% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%

spread

 flow

 [mm]

mPCEsolid/VP [%]

cem I 52,5 Rdolomite microdolomite ecoquartz ecolimestone eco 1limestone eco 2

; d50=13,8µm

; d50=3,3µm

; d50=12,0µm

; d50=7,5µm

; d50=9,0µm

; d50=15µm

SP 108 ‐ LC

SP 144 etc. ‐ HC

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Dr. J. Juhart 1611.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Results

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00% 0,25% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%

spread

 flow

 [mm]

mPCEsolid/VP [%]

cem I 52,5 Rdolomite microdolomite ecoquartz ecolimestone microlimestone eco 1limestone eco 2

; d50=2,2µm

SP 108 ‐ LC

SP 144 etc. ‐ HC

; d50=13,8µm

; d50=3,3µm

; d50=12,0µm

; d50=7,5µm

; d50=9,0µm

; d50=15µm

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Dr. J. Juhart 1711.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Results

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00% 0,25% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%

spread

 flow

 [mm]

mPCEsolid/VP [%]

cem I 52,5 Rdolomite microdolomite ecoquartz ecolimestone microlimestone eco 1limestone eco 2

; d50=2,2µm

SP 108 ‐ LC

SP 144 etc. ‐ HC

; d50=13,8µm

; d50=3,3µm

; d50=12,0µm

; d50=7,5µm

; d50=9,0µm

; d50=15µm

limestonequartz

cement

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Dr. J. Juhart 1911.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Rheometer –Tests

assumption: linear Bingham flow-curve

torque

 [mNm]

rotational frequency [1/min]

rel. viscosity η

rel. yield value M0

Vmeasuring ~ 15 ml 

water/powder mixes with constant starting consistency(near minimum water demand, spread flow= 130 mm)

addition of superplasticizers + external pre-mixing

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Dr. J. Juhart 2011.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Specifications Rheometer Measurements

0

50

100

150

200

250

300

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450

rotatio

nal frequ

ency [1

/min]

testing time [sec]

test‐profile (rate of shear history)pre‐shearing data aquisition

measurement points

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Dr. J. Juhart 2111.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150 200 250

torque

[mNm]

rotational frequency [1/min]

dolomite powder "eco"min. water demandSP_144   0,025%SP_144   0,15%

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150 200 250

torque

[mNm]

rotational frequency [1/min]

CEM I 52,5 Rmin. water demandSP_144   0,025%SP_144   0,4%

Results Rheometer – flow curves

Yield value min. water demand M0,mwd~ const.for all water/powder mixes

SP saturation SP saturation

M0 yield value atmin. water demand

viscosityviscosity

M0 yield val. atmin. waterdemand

mwdMMMrel

,0

00.

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Dr. J. Juhart 2211.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

rel. M0 [‐]

mPCE_solid/Vp [%]

SP 144‐HC

CEM I 52,5 Rlimestone eco 1dolomite ecodolomite microlimestone microquartz ecomicrosilica

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

rel. M0 [‐]

mPCE_solid/Vp [%]

SP 108‐LC

CEM I 52,5 Rlimestone eco 1dolomite microdolomite ecolimestone microquartz ecomicrosilica

Results Rheometer –yield stress (rel. M0) vs. SP-dosage

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Dr. J. Juhart 2311.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Results Rheometer – rel. M0 vs. rel. η

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

rel. M0 [‐]

mPCE_solid/Vp [%]

SP 108‐LC

CEM I 52,5 R

limestone eco 1

dolomite micro

dolomite eco

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

rel. η [‐]

mPCE_solid/Vp [%]

SP 108‐LC

CEM I 52,5 R

limestone eco 1

dolomite micro

dolomite eco

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Dr. J. Juhart 2411.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250

torque

 [mNm]

rotational frequency [1/min]

microsilica

SP_108‐LC   0,05%

SP_144‐HC   0,05%

min. waterdemand

Influence of PCE-SP on Microsilica (d50~0,2µm)

+ SP

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Dr. J. Juhart 2511.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

Summary and Conclusion

• investigations by spread flow test and Rheometer

• SP-demand of CEM I > SP-demand of most stone powderswith similar fineness to CEM I(differs for quartz-dolomite-limestone)

• viscosity of CEM I mixes > viscosity of most stone powder mixes of similar fineness

• „SP-demand“ ↗ with increasing fineness of powdersincrease of yield stress & agglomeration of PCE with very fine powders observed

• for stone-powders: only small differences between SP-HC and SP-LC

• spread flow over time:decrease for cement (SP-HC ) > decrease for stone powders(almost no decrease over time for stone powders with all SP)

• estimation of spread flow of powder-mixes is possible when knowing the SP-demand of single ingredients (by summing up the weighted spread flows)

• Outlook: testing of the effect of SP on powders in pore solution of cement-limes is recommended (pre-tests show a big influence of pH-value and ions in pore solution on the interaction of powders and pore solution)

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Dr. J. Juhart 2611.03.2015 Rheo-Kolloquium Regensburg

[email protected]

Thank you for your attention!

Co-authors: Claudia Nickel, Prof. J. Tritthart

Data based on student works of D. Borovina, A. Schönauer, C. Maier, TU Graz 2014/2015


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