Zum Beton in realer und simulierter Mikrogravitation
In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von Betonproben von 8 verschiedenen Mischungen, die im Rahmen des MASON (Material Science on Solidification of Concrete) Projekts in Mikrogravitation (μg) auf der internationalen Raumstation (ISS)hergestellt wurden, untersucht und mit Proben gleicher Zusammensetzung von der Erde verglichen. Zusätzlich zu den unter Normalschwere (1g) auf der Erde hergestellten Proben wurden ein Klinostat und eine Random Positioning Machine (RPM) eingesetzt, um Proben unter simulierter Mikrogravitation erstarren zu lassen. Diese Instrumente wurden bereits für viele medizinische oder biologische Versuche verwendet und zeigten übereinstimmende Simulationsergebnisse im Vergleich zu realer Mikrogravitation. Da es zuvor nur vereinzelte Anwendungen dieser Geräte in den Materialwissenschaften gab, musste ein geeigneter Versuchsaufbau entwickelt und eine zutreffende Rotationsgeschwindigkeit für Betonproben hergeleitet werden. Über umfangreiche Frischbetonuntersuchungen wurden die komplexen rheologischen Eigenschaften der MASON Mischungen untersucht und die optimalen Einstellungen für die Simulation von Mikrogravitation abgeschätzt.
Als Probekörperform wurden Zylinder mit 30 mm Durchmesser und ca. 50 mm Länge verwendet. Um diese Probekörper auf der ISS herstellen zu können, musste eine spezielle Hardware, der MASONConcrete Mixer (MCM), entwickelt werden, um die betontechnologischen und sicherheitstechnischen Anforderungen zu erfüllen. Die Betonzylinder wurden im Februar 2022 vom deutschen ESA Astronauten Matthias Maurer auf der ISS mit dem MCM erfolgreich gemischt.
Die Festbetonproben wurden hinsichtlich des Erscheinungsbilds, der Porosität und der Porenkennwerte, der Homogenität der Bestandteile und der Druckfestigkeit untersucht. Die μg-Proben der Mischungen ohne Zusatzmittel wiesen unter Berücksichtigung aller Porengrößen eine höhere Porosität, tendenziell größere Poren mit heterogener Verteilung, eine geringere Roh- und Skelettdichte sowie überwiegend geringere Druckfestigkeiten für die Zylinderprobekörper im Vergleich zu den 1g-Proben auf. Die Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen zeigten teilweise große Unterschiede, die nur zum Teil auf die zugehörige Porosität zurückgeführt werden konnten.
Teilweise war die Porosität der μg-Proben von Mischungen mit Fließmittel kleiner und die Druckfestigkeit höher als die der 1g-Proben. Der Luftporenbildner zeigte in Mikrogravitation eine erheblich reduzierte Wirksamkeit als unter Normalschwere. Daher war die Porosität der μg-Proben von Mischungen mit Luftporenbildner teilweise geringer und die Druckfestigkeit tendenziell höher als von den 1g-Proben.
Die Proben, die unter simulierter Mikrogravitation mit dem Klinostaten und der RPM hergestellt wurden, wiesen größtenteils ähnliche Eigenschaften auf. Die Proben mit Fließmittel waren sehr porös, da sich einzelne sehr große Hohlräume bildeten, die zudem zu sehr niedrigen Druckfestigkeiten führten. Die Eigenschaften der Klinostat und RPM Proben der Mischungen ohne Fließmittel lagen überwiegend im Bereich zwischen denen der 1g- und μg-Proben.
In this work, the properties of concrete samples of 8 different mixtures produced under microgravity (μg) on the International Space Station (ISS) as part of the MASON (Material Science on Solidification of Concrete) project were investigated and compared with samples of the same composition from Earth. In addition to the samples produced under terrestrial gravity (1g) on Earth, a clinostat and a Random Positioning Machine (RPM) were used to simulate microgravity during the solidification process. These instruments have been used for many medical or biological experiments and showed consistent simulation results compared to real microgravity. So far there were only few known applications of these instruments in materials science before, so a suitable experimental setup had to be developed and an applicable rotation speed for concrete specimens had to be derived. The complex rheological properties of the MASON mixtures were analyzed with fresh concrete tests to estimate the optimum settings for the simulation of microgravity.
The specimen’s geometry was a cylinder with a diameter of 30 mm and a length of about 50 mm. In order to be able to produce these specimens on the ISS, a special hardware, the MASON Concrete Mixer (MCM), had to be developed to fulfill the requirements for safety and science. The concrete cylinders were successfully mixed with the MCM by the German-ESA astronaut Matthias Maurer on the ISS in February 2022.
The hardened concrete specimens were analyzed in regard of appearance, porosity and pore characteristics, homogeneity of constituents and compressive strength. Taking into account all pore sizes, the μg-samples of the mixtures without admixtures showed higher porosity, tended to have larger pores with heterogeneous distribution, lower bulk and skeletal density, and predominantly lower compressive strengths for the cylindrical specimens compared to the 1g-samples. Some of the results of the compressive strength tests showed large differences, which could only partly be attributed to the associated porosity.
In some cases, the porosity of the μg-samples of mixtures with superplasticizer was smaller and the compressive strength was higher in comparison to the 1g-samples. The air entraining agent showed significantly reduced effectiveness in microgravity than under normal gravity. Therefore, the porosity of the μg-samples of mixtures with air entraining agent was partly smaller and the compressive strength tended to be higher in comparison to the 1g-samples.