Arbeitsmethoden

Rezepturentwicklung unter Verwendung moderner Prüfmethoden

Mit geringstmöglichem Rohstoffbedarf entwickle ich komplette Rezepturen von zement- und gipsgebundenen Mörteln.
Übliche Prüfmethoden wie Ausbreitmaß, Vicatgerät und Festigkeitsmessungen an 4x4x16 Prismen benötigen Probemengen im Kilogramm-Maßstab. Ich arbeite stattdessen mit Rheometer und Wärmeflusskalorimeter, die beide mit jeweils wenigen Gramm Probe auskommen und sehr detaillierte Daten über das Probenverhalten liefern.

Verarbeitungseigenschaften messen statt fühlen

Die Verarbeitbarkeit von Mörteln ist für die Anwendung in der Baustellenpraxis von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Prüfmethoden (z.B. das Ausbreitmaß) oder subjektive Beurteilungen durch den Handwerker reichen zur Charakterisierung und Optimierung der Verarbeitungseigenschaften nicht aus. Rheologische Messungen liefern dagegen objektive Messdaten, zum Beispiel über die Fließgrenze, die Viskosität in Abhängigkeit von der Scherrate, die Thixotropie und die Ruhestrukturfestigkeit, aus denen Rückschlüsse auf eine Vielzahl von Mörteleigenschaften möglich sind.Meine Erfahrungen in der angewandten Mörtelrheologie reichen bis in die 1990er Jahre zurück. Meine erste Veröffentlichung war ein Vortrag auf einer internationalen Konferenz im Jahr 1994.

Spezielle Mörtelrheometer wie der Viskomat NT benötigen für meine Zwecke immer noch zu viel Material, daher arbeite ich mit einem luftgelagerten Forschungsrheometer mit profiliertem Platte-Platte-Messsystem. Jede Messung benötigt damit nur wenige Gramm Frischmörtel.

Rheometer (Bohlin Gemini 150)

Messsysteme

Wärmeflusskalorimetrie statt Festigkeitsmessungen

Ein Wärmeflusskalorimeter erfasst den zeitlichen Verlauf der Hydratationsreaktion und hilft bei der Auswahl des Bindemittels genauso wie beim Vergleich von Additiven hinsichtlich ihres Einflusses auf die Erhärtung oder bei der Auswahl der besten Beschleuniger-Verzögerer-Kombination. Der Materialbedarf pro Messung liegt bei maximal drei Gramm Frischmörtel.

Wärmeflusskalorimeter (sog. Erlanger oder Kuzel-Kalorimeter)

Die Festigkeitsentwicklung in zementgebundenen Mörteln ist eng mit der Hydratationswärme verknüpft. Aus den Wärmeflussdaten lassen sich Festigkeitsprognosen ableiten und verschiedene Rezepturen lassen sich sehr exakt miteinander vergleichen.

Charakterisierung des Versteifungsverhaltens von Gipsmörteln

In Gipsmörteln ist der Versteifungsverlauf anhand der Wärmeflusskurven sehr gut zu messen und zu optimieren.

Abb3_Arbeitsmethode

Zeitlicher Hydratationsverlauf verschiedener Gipsmörtel

Statistische Versuchsplanung statt Trial-and-Error

Die statistische Versuchsplanung (engl.: Design of Experiments, DoE) ist ein effizientes Werkzeug komplexe, multidimensionale Versuchsräume mit einem Minimum an Ressourcen zu erkunden und, trotz Zufallsstreuung der Messergebnisse, statistisch abgesicherte Ergebnisse zu liefern. Durch die konsequente Verwendung von DoE kann ich den Versuchsaufwand nicht nur minimieren, sondern ihn gleichzeitig präzise schätzen. Die zu erwartenden Kosten und der Rohstoffbedarf sind dadurch schon im Vorfeld bekannt.

Die Vorteile der DoE-Methodik:

  • Kurze Entwicklungszeiten und damit geringe Kosten.
  • Komplexe Zusammenhänge in Rezepturen mit Black-Box-Additiven lassen sich aufklären und beherrschen.
  • Präzise kalkulierbarer Zeitaufwand und dadurch ein entsprechend exakter Kostenvoranschlag.
  • Nachvollziehbare und datenbasierte Entscheidungen.

DoE verkürzt die Entwicklungszeit indem es die Anzahl der nötigen Versuche minimiert. Das minimiert den sowieso schon geringen Rohstoffbedarf noch weiter. Typischerweise benötige ich weniger als 15 kg ihrer lokalen Rohstoffe (Bindemittel, Füllstoffe, Gesteinskörnungen, Additive).