title: Rheological Characterization of Clay Pastes for Sustainable Pourable Clay Concrete
Creators: name: Bakovic, Toni
name: Robisson, Agathe
name: Gruber, Roland
name: Preinstorfer, Philipp
name: Liberto, Teresa
Publisher: name: TU Wien
Year: 2024
Subjects: Clay
Concrete
Rheology
Basalt fibres

description: Die Suche nach nachhaltigen Baumaterialien hat die Forschung zu innovativen Alternativen zu herkömmlichem zementbasiertem Beton vorangetrieben. Die Produktion von Zement trägt mit etwa 7 % zu den globalen CO2-Emissionen bei, was die Erforschung umweltfreundlicherer Alternativen vorantreibt [1]. Angesichts der jährlichen Nachfrage von etwa 4,1 Milliarden Tonnen pro Jahr besteht ein dringender Bedarf an nachhaltigeren Alternativen, insbesondere im Hinblick des rasanten Bevölkerungswachstums in Gebieten, in denen mehr Baumaterialien benötigt werden (Ostasien, Indien, Afrika...) [2]. Unter diesen Optionen hat der Lehmbeton aufgrund seiner weltweit reichlich vorhandenen Verfügbarkeit und seines Potenzials, CO2 Emissionen und Materialbedarf zu minimieren, erhebliche Aufmerksamkeit erlangt. Lehm wird seit Jahrtausenden weltweit als Baumaterial verwendet und wird auch heute noch in der Bauindustrie eingesetzt [3]. Diese Studie ist Teil eines multidisziplinären Projekts namens BasaltClayCrete, dessen Hauptziel die Entwicklung eines neuen und besonders zugänglichen und fließfähigen Lehm-basierten Baumaterials ist. Dieses wird nicht als direkter Ersatz für zementbasierten Beton dienen, sondern ist speziell für geringe bis mittlere Leistungsanforderungen ausgelegt, wobei das Hauptaugenmerk auf die Minimierung des ökologischen Einflusses liegt. In this context, this study investigates the fresh properties of clay pastes with a variable chemical and mineralogical composition. In particular, rheological measurements were conducted to characterise the fresh behaviour of clay pastes. The use of rheology, particularly small amplitude oscillatory shear (SAOS), serves as a valuable tool in measuring the viscoelasticity of clay pastes “at rest” (i.e., without disrupting the existing microstructure), as well as their cohesion development over time (i.e., reactivity). This approach enables rapid assessment of clay paste performances within the initial hours, supporting the selection of promising formulations to create several clay-matrix that will be reinforced with basalt fibres for the production of low-CO¬2 composites (e.g., panels, walls, two-story houses…). In the first stage of this project the properties of fresh clays were investigated determining the key parameters for accurate and reproducible measurements. The effect of calcination was also explored, and it confirms previous findings about the physical activation of clay via milling (REF). In diesem Zusammenhang untersucht diese Studie die Eigenschaften von Frischleimen aus Ton mit variabler chemischer und mineralogischer Zusammensetzung. Insbesondere wurden rheologische Messungen durchgeführt, um das Verhalten von Frischleimen aus Ton zu charakterisieren. Die Verwendung rheologischer Untersuchungen, insbesondere der Methode der oszillatorischen Scherung im Bereich kleiner Amplituden (SAOS), dient als wertvolles Werkzeug zur Messung der viskoelastischen Eigenschaften von Tonleimen "im Ruhezustand" (d.h. ohne die vorhandene Mikrostruktur zu stören), sowie ihrer Kohäsionsentwicklung im Laufe der Zeit (d.h. Reaktivität). Dieser Ansatz ermöglicht eine schnelle Bewertung der Leistung von Tonleimen in den ersten Stunden und unterstützt die Auswahl vielversprechender Formulierungen zur Erstellung mehrerer Ton-Matrizen, welche mit Basaltfasern verstärkt werden, um Verbundwerkstoffe (z.B. Platten, Wände, zweistöckige Häuser...) mit einem geringen CO2-Fußabdruck herzustellen. In der ersten Phase dieses Projekts wurden die Eigenschaften von Frischleimen aus Ton untersucht, wobei die Schlüsselparameter für genaue und reproduzierbare Messungen bestimmt wurden. Auch der Effekt der Kalzinierung wurde untersucht und bestätigt frühere Erkenntnisse zur physikalischen Aktivierung von Ton durch Mahlen. [4] Um ein klimafreundliches und umweltverträgliches Material herzustellen, ist es entscheidend, die Grundlagen zu schaffen und die richtigen Parameter für die Messungen der oszillatorischen Scherung im Bereich kleiner Amplituden (SAOS) festzulegen, was durch diese Studie erreicht wurde. Zunächst wurden eine Reihe von Parametern untersucht, um die geeignetste Versuchsvorschrift, wie zum Beispiel das Wasser-Ton-Verhältnis, die Luftfeuchtigkeit, das Mischen und das Beladungsverfahren, zu beurteilen. Sobald die Versuchsvorschrift optimiert war, wurde eine vergleichende Analyse zwischen rohem Ton und kalziniertem Ton durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigten frühere Erkenntnisse und deuteten darauf hin, dass Veränderungen des Speichermoduls von der physikalischen Aktivierung durch Mahlen oder Kalzinieren abhängen. In einer vorherigen Studie [4] wurde gezeigt, dass mit zunehmender Mahldauer die Reaktivität des rohen Tons ebenfalls zunahm, bis sie bei einer Mahldauer von 60 Minuten ihren Höhepunkt erreichte. Über diesen Schwellenwert hinaus führte eine weitere Verlängerung der Mahldauer zu einer Verringerung der Reaktivität, möglicherweise aufgrund erhöhter Temperaturen, die zur Degradation der Probe führten. In dieser aktuellen Studie wurde die rheologische Charakterisierung erweitert, um das viskoelastische Verhalten der Leime im Laufe der Zeit bei verschiedenen Konzentrationen für sowohl kalzinierten als auch rohen Ton zu beschreiben. Insbesondere wurde die statische Fließgrenze (d.h. von fest zu flüssig) gemessen, um die Eigenschaften der Leime im Ruhezustand zu charakterisieren. Des Weiteren wurden Fließmessungen sowohl an kalziniertem als auch an rohem Ton durchgeführt, um die dynamische Fließgrenze (von flüssig zu fest) der Leime im Laufe der Zeit zu bestimmen, was in der Bauphase des gießbaren Tons von entscheidender Bedeutung ist.