Modellierung und Numerische Simulation der Rheologie von Fasersuspensionen

Durch Zugabe von Fasern verändert sich das viskoplastische Fließverhalten von Frischbeton abhängig von Faseranteil und -geometrie. Für Frischbeton werden unterschiedliche Rheometertypen eingesetzt, welche allesamt inhomogene, komplizierte Strömungsfelder erzeugen. Dieser Umstand hat seine Ursache in der granularen Mikrostruktur des Materials. Hierin liegt ein fundamentaler Unterschied zur Rheometrie homogener Flüssigkeiten, welcher die Interpretation von rheologischen Frischbetonmessungen insbesondere bei Faserzugabe massiv erschwert. Vor allem aber sind im Stand der Forschung aus rheometrischen Messungen in Betonrheometern nur vergleichende Aussagen aber keine Ableitung objektiver Stoffparameter möglich. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Erfassung von Bingham-Stoffparametern anhand von rheometrischen Messungen in Kugelsondenrheometern. Der Zusammenhang zwischen Messdaten und Stoffparametern wird anhand einer Dimensionsanalyse in Verbindung mit einer numerischen Parameterstudie ermittelt. Der Fokus des in dieser Arbeit untersuchten Vorhersagemodells für faserbeaufschlagten Frischbeton liegt auf der Anwendbarkeit im industriellen Maßstab. Daher wird für die Modellierung der Faser-Beton-Wechselwirkung ein makroskopisches Modell gewählt, welches eine effiziente numerische Beschreibung auf der Bauteilskale erlaubt. Das gewählte Modell für den Faser-Frischbeton besteht aus einer Evolutionsgleichung für
den Orientierungstensor (statistisches Moment der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Faserorientierung) und einer Ergänzung des Matrix-Konstitutivgesetztes durch einen Anteil, welcher die Fluid-Faser-Interaktion beschreibt. Das in der Arbeit untersuchte anisotrope viskoplastische Konstitutivgesetz für Faser-Frischbeton berücksichtigt die strömungsinduzierte Faserorientierung. Es wurde in der quelloffenen Bibliothek OpenFOAM®in einen numerischen Strömungslöser implementiert und zur Untersuchung verschiedener Strömungen angewendet. Publizierte Ergebnisse rheologischer Messungen an Faser-Frischbeton weisen abhängig vom eingesetzten Betonrheometer-Typ unterschiedliche Charakteristika und scheinbare Widersprüche sowohl in der Anlaufphase als auch im stationären Zustand auf. Anhand numerischer Untersuchungen an zwei verbreiteten Betonrheometer-Typen werden die Orientierungseinflüsse der Fasern auf die Messgrößen analysiert und charakteristische Effekte erklärt. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Interpretation von Messwerten an Faser-Frischbeton, sodass diese für die Vorhersage praktisch relevanter Prozesse verwendet werden können. Das untersuchte Stoffmodell ist geeignet, den Einfluss von Faserausrichtung und -orientierung auf Verarbeitungsprozesse wie Pumpen oder die Schalungsfüllung vorherzusagen.