Verbesserung der Qualität von feuerfesten Zustellungen aus Vibrationsfeuerbetonen

Das Forschungsvorhaben untersuchte den Zusammenhang zwischen den rheologischen Eigenschaften von Vibrationsfeuerbetonen und ihrer Verarbeitbarkeit und Einsatzeigenschaften. Dazu wurden die Einflüsse mehrerer Schlüsselparameter, insbesondere der Korngrößenverteilung, Vibrationsamplitude, Vibrationsfrequenz und Auszugsscherrate, auf die Temperaturwechselbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Feuerbetonen beleuchtet. Anhand der Untersuchungen konnten Handlungsempfehlungen formuliert und an industrienahen Feuerbetonen überprüft werden.

Die gezielte Abstimmung von Vibrationsparametern und Kornstruktur bietet ein hohes Potenzial zur Optimierung des Einbauverhaltens von Vibrationsfeuerbetonen in der industriellen Praxis bei gleichzeitiger Verringerung von Entmischungsrisiken und Festigkeitsverlusten.

Die rheologischen Untersuchungen der Modellvibrationsfeuerbetone zeigten, dass die Korngrößenverteilung (q-Werte), die Vibrationsamplitude und -frequenz und die Auszugsscherrate signifikante Auswirkungen auf die rheologischen Eigenschaften des Materials haben. Im Hinblick auf die Korngrößenverteilung wurde festgestellt, dass kleine q-Werte (feineres Korn) bei niedrigen Scherraten besser fließen, während größere q-Werte (gröberes Korn) bei höheren Scherraten besser fließen. Dies zeigt, dass die rheologischen Eigenschaften des Feuerbetons von der Scherrate abhängen, wobei bei größeren Scherraten gröbere Korngrößen vorteilhafter sind, da sie die Fließfähigkeit erhö-hen und somit eine bessere Verdichtung ermöglichen.

Die Untersuchungen mit Hilfe des 3D-Ausbreitmaßes an Modell- und industrienahen Vibrationsfeuerbetonen zeigten, dass das rheologische und mechanische Verhalten in hohem Maße durch die Korngrößenverteilung sowie durch die gewählten Vibrationsparameter bestimmt wird. Hinsichtlich des Fließverhaltens konnte nachgewiesen werden, dass das 3D-Ausbreitmaß mit zunehmendem q-Wert zunächst ansteigt, bei mittleren Verteilungen (q ≈ 0,31) ein Maximum erreicht und bei gröberen Korngefügen (q = 0,34) keine weiteren signifikanten Zuwächse zeigt. Ergänzende statistische Modellanalysen zeigen zudem, dass neben der Korngrößenverteilung insbesondere die Vibrationsfrequenz einen signifikanten Einfluss auf das Fließverhalten ausübt, während die Amplitude nur einen moderaten Beitrag leistet. Optimale Bedingungen für eine gesteigerte Verarbeitbarkeit wurden in einem Parameterbereich ab etwa 60 Hz und Amplituden zwischen 0,30 und 0,35 mm identifiziert. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass sich das rheologische Verhalten von Vibrationsfeuerbetonen gezielt über die Einstellung der Korngrößenverteilung sowie durch die Anpassung der Vibrationstechnik steuern lässt. Insbesondere gröbere Versätze reagieren empfindlicher auf eine Erhöhung der Vibrationsenergie und profitieren stärker von optimierten Frequenz-Amplituden-Kombinationen. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse wurde durch vergleichende Untersuchungen an industrienahen Versätzen bestätigt, was die Relevanz der Erkenntnisse für die praxisorientierte Verarbeitung und Formgebung unter industriellen Bedingungen unterstreicht. Generell deutet sich auch an, dass die Vibrationsparamerter nicht wie normativ gefordert (ISO 1927-4) konstant gehalten werden sollten, sondern an die Feuerbetonrezepturen angepasst werden sollten, um optimale Verarbeitungseigen-schaften zu erzielen.

Für das Auszugsviskosimeter zeigten sich als wichtige Parameter die Vibrationsamplitude und Frequenz. Der Vergleich zwischen Standardvibration (0,25 mm, 50 Hz) und Maximalvibration (0,45 mm, 80 Hz) zeigte, dass stärkere Vibrationen tendenziell zu einer Verringerung der dynamischen Viskosität und weniger dilatantem Verhalten führten. Dabei ist die Effektgröße der Frequenz besonders hoch, während die Amplitude nur eine geringere Wirkung zeigt. Der Einfluss einer erhöhten Vibration beruht auf der Reduktion der inneren Reibung zwischen den Feststoffpartikeln. Eine stärkere Vibration (mit höherer Amplitude und Frequenz) bewirkt, dass mehr Wasser zwischen die Partikel gelangt und somit die Viskosität verringert wird.

Die systematische Analyse der Grüneigenschaften zeigt, dass feinere Korngrößenverteilungen im Bereich eines q-Werts von 0,28 bis 0,31 tendenziell mit höheren Kaltbiegefestigkeiten und einer geringeren offenen Porosität einhergehen. Dieses Verhalten ist auf eine dichtere Partikelpackung und eine verbesserte Gefügeausbildung im Frischzustand zurückzuführen. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der Vibrationsbeschleunigung bei nahezu allen Versätzen zu einem leichten Anstieg der offenen Porosität sowie einem Rückgang der Festigkeit führt. Diese Trends bestät-gen, dass die mechanischen Eigenschaften empfindlich auf zu hohe Vibrationseinwirkung reagieren können. 

In Bezug auf die Temperaturwechselbeständigkeit zeigte sich, dass die stärkere Vibration die Verdichtung des Materials und die Dichte der Porenstruktur beeinflusste, was zu einer leichten Veränderung der Temperaturwechselbeständigkeit führen konnte. Jedoch waren diese Unterschiede so gering, dass sie in der Praxis keine signifikanten Auswirkungen auf die Leistung des Feuerbetons in wechselnden Temperaturbedingungen haben dürften. Auch die Untersuchung der Korngrößenverteilung und der Vibrationsparameter ergab keine signifikanten Unterschiede in der Temperaturwechselbeständigkeit, was darauf hinweist, dass diese rheologischen Veränderungen keinen entscheidenden Einfluss auf das Verhalten des Materials bei hohen Temperaturen haben.

Bei der Korrosionsbeständigkeit ist die Wirkung der Schlüsselparameter ebenfalls marginal. Die Korrosionsbeständigkeit des Feuerbetons zeigte nur leichte Veränderungen in Bezug auf die Korngrößenverteilung und die Vibrationsbedin-gungen.

Zusammenfassend zeigt sich, dass die angewandten Methoden, insbesondere das Kugelauszugviskosimeter, geeignet waren, um die rheologischen Kennwerte von Vibrationsfeuerbetonen unter definierten Scher- und Vibrationsbedingungen systematisch zu erfassen. Trotz vereinzelter Überlagerungseffekte durch die Auszugsscherrate konnten belastbare Aussagen zu den Wirkmechanis-men zentraler Parameter getroffen und der rheologische Charakter erfasst werden. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine fundierte Anpassung von Rezepturen und Prozessparametern zur gezielten Steuerung der Verarbeitbarkeit und Verdichtungseigenschaften im industriellen Maßstab. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die Kornstruktur (q-Wert) und die Frequenz die dominanten Stellgrößen zur Steuerung der rheologischen Eigenschaften in Vibrationsfeuerbetonen sind. Während grobkörnigere Versätze eine gute Fließfähigkeit begünstigen, sind die mechanischen Grüneigenschaften im Rahmen eines Zielkonflikts zwischen Verarbeitbarkeit und Festigkeit auszubalancieren, da überhöhte Vibrationsbeanspruchung die Festigkeit beeinträchtigen kann. Ein optimierter q-Wert im Bereich von 0,31–0,32 in Kombination mit moderat erhöhter Frequenz (60–70 Hz) und einer Amplitude von 0,30–0,35 mm stellt einen robusten Parameterbereich dar, um sowohl ein gutes Fließverhalten als auch ausreichende Grüneigenschaften sicherzustellen.