bluuebunny/crossref_metadata_2025 huggingface dataset:
The influence of the temperature on the hydration behavior and hardening process of PCC
Authors: Flohr Alexander , Osburg Andrea
Published: December 2023

PCC exhibit improved durability, chemical resistance and adhesion strength compared to unmodified variants. Commonly, the modifiers consist of thermoplastics. Despite the distinct temperature‐dependent behavior of these polymers, the properties of PCC were barely investigated within different temperatures. To make statements about the effect of different temperatures on the hardening process and therewith on the load bearing and deformation behavior of PCC, the properties of the materials have to be experimentally assessed at a defined temperature range. Accordingly, the degree of hydration, the structure development, the compressive and flexural strength as well as dynamic and static modulus of elasticity of different PCC were characterized while the samples were exposed to service temperatures of ‐20 °C, 20 °C, and 60 °C. After the specimens were thermally conditioned, the samples were tested in the proposed temperature scope. The results reveal influential changes in all tested attributes for the PCC within the applied service temperature range compared to a reference. This knowledge is essential to further investigate the temperature impact on the material and develop appropriate prediction models for the application of PCC and the integration in guidelines.
Osmotische Prozesse im System zementärer Werkstoff ‐ Reaktionsharzbeschichtung
Authors: Vogt Franziska , Osburg Andrea
Published: December 2023

Kurzfassung

Blasenbildung bei Reaktionsharzbeschichtungen auf zementgebundenen Untergründen ist ein seit vielen Jahrzehnten bekanntes und in der Literatur kontrovers diskutiertes Phänomen. Insbesondere nach dem Aushärten der Beschichtung auftretende Blasen können zu umfangreichen Schadensfällen führen, die eine Erneuerung des gesamten Beschichtungssystems nach sich ziehen. Im Beitrag liegt der Fokus auf der Untersuchung von Blasenbildung zwischen Betonuntergrund (Substrat) und Kunstharzbeschichtung aufgrund osmotischer Prozesse in diesem System. Hypothese ist, dass die Wirkung des zementären Werkstoffs als semipermeable Membran im Verbund mit der darüber liegenden Reaktionsharzbeschichtung unter bestimmten Randbedingungen der Zusammensetzung und des Feuchte‐ und Stofftransports zu Schäden führt. Hierzu werden systematische Untersuchungen mit verschiedenen Substratmörteln, die in Zementart, w/z‐Wert, Zusatzstoffen und Gesteinskörnung variieren, durchgeführt. Des Weiteren kommen vier verschiedene Beschichtungssysteme zum Einsatz. Die Verbundprobekörper werden bei verschiedenen (praxisrelevanten) Umgebungsbedingungen gelagert, um ggf. eine Blasenbildung zu forcieren, und auf diese Weise Ursachenklärung zu betreiben.
Concrete Strength Enhancement due to High‐Performance Fibre‐Reinforced Concrete Jacketing Solution
Authors: Betar Mark , Wagner Eckhard , Morbi Alessandro
Published: December 2023

High‐Performance Fibre‐Reinforced Concrete (HPFRC) jacketing technique provides a sustainable solution to the constantly growing infrastructure degradation. This paper investigates the effect of HPFRC jacketing solution on strength enhancement of plain concrete. The experimental work included 23 samples, 15 of which were jacketed with HPFRC, and the remaining 8 were used to measure the unconfined strength. The key parameters were jacket thickness (25 mm, 35 mm, and 45 mm) and pre‐damage level (40% and 80%). The results show that jacketed columns exhibit a ductile behaviour. It is found that a 25 mm HPFRC jacket increases the compressive strength by 31%. Moreover, increasing the jacket thickness further enhances the compressive strength. However, the enhancement rate gradually decreases with increasing the jacket thickness. The results from sensor technology used on each concrete layer revealed that the lateral strain of jacketed concrete at a given axial strain was greater than that of unjacketed concrete, indicating an increased rate of dilation for the jacketed concrete. The results show that strengthening of existing columns at their mid‐service life (i.e., 40% pre‐damaged) is as effective as strengthening of new columns. The obtained knowledge suggests that HPFRC jacketing solution has a great potential to revolutionise infrastructure rehabilitation techniques.
Concrete with Recycled Aggregates ‐ Update of the Application Rules in Germany and Outlook
Authors: Breit Wolfgang , Burgmann Sophie
Published: December 2023

In Germany the use of recycled aggregates is possible within certain limits since the introduction of the DAfStb guideline in 1998. Due to increasing demands of concretes fulfilling requirements regarding sustainability, conservation of resources and avoidance of waste the topic of recycled aggregates has again become the focus of public, economic, and political interest in recent years. Although the results of the BMBF research project “R‐Beton” have led to positive changes with respect to the regulation gap in environmentally relevant characteristics several certain barriers still prevent the broad use of recycled aggregates in the German concrete market. In the forthcoming DIN 1045, regulations will be created which, particularly in concrete class BK‐N in the application range of up to 25 % volume fraction, will permit simple and thus practical use of recycled aggregates. In addition, fine recycled aggregates of type 1 may be used, which was previously not permitted. Here, changes in the regulatory framework of DIN 1045 will be discussed in the sense of a broader use of recycled aggregates in Germany as well as the context of other national regulations. An outlook regarding further need of research is also given.
Separability of cement stone and aggregates in concrete recycling
Authors: Anders Steffen , Otto Jasmin , Gurski John
Published: December 2023

Based on a growing demand for mineral aggregates and high CO2‐emissions of the cement industry, an entire separation of cement stone and original aggregates from concrete waste is desirable. As described in literature, aggregates can be reused e.g. in ready‐mixed concrete and ground cement stone can substitute limestone for clinker production. Thus, extensive test series were carried out to determine specific energies needed to crush concrete waste aggregates. Concrete mixtures with different compressive strengths and maximum grain sizes were thermally damaged using different temperature levels and numbers of thermal cycles. To evaluate the separability quantitatively, different properties from impact‐tests and static tests were derived and compared. An increasing number of thermal cycles, increasing temperature level, low compressive strength and small max. grain size enhance separability. It is found, that parameters from impact‐tests and static tests can be used equally good, even if the both tests include different deterioration mechanisms. From the knowledge of the specific crushing energy a model to estimate ball‐sizes for mills is proposed. Finally, grinding/milling of small grain fractions (e.g. 2/4 or 8/16) improves the quality of recovered aggregates and cement stone.
Verbesserung der Karbonatisierung der Betonrezyklaten durch statistische Versuchsmethodik
Authors: Li Feng , Linß Elske
Published: December 2023

Kurzfassung

Im Vergleich zu natürlichen Gesteinskörnungen weisen rezyklierte Gesteinskörnungen (RGK) als Baustoff eine schlechtere Festigkeit und höhere Porosität auf. Durch einen künstlich beschleunigten Karbonatisierungsprozess reagiert das Kohlenstoffdioxid mit dem Calciumhydroxid und Calcium‐Silikat‐Hydrat im alten Mörtel, der an der Oberfläche der Betonrezyklate haftet, und bildet das dichtere Karbonat. Zur Optimierung der Prozesse wurde die statistische Versuchsmethodik (DoE) angewendet, indem zweistufige teilfaktorielle Versuchspläne (24‐1) implementiert wurden. Dabei wurden die CO2‐Konzentration, die Temperatur, die Probefeuchte und die Verweilzeit als Hauptfaktoren berücksichtigt. Als Rohstoff wurden RGK verwendet, die in der Industrie produziert und lange Zeit in der Luft gelagert wurde. Die Experimente ergaben, dass Temperatur, Probefeuchte und Verweilzeit signifikant die CO2‐Aufnahme nach Karbonatisierung beeinflussen, während der Einfluss der CO2‐Konzentration nicht besonders signifikant war. Es gab jedoch eine gewisse Wechselwirkung zwischen der CO2‐Konzentration und der Probefeuchte. Die idealen Bedingungen für eine beschleunigte Karbonatisierung waren eine Temperatur von 50 °C, eine Verweilzeit von 6 Stunden, eine Probefeuchte von 2 % und eine CO2‐Konzentration von 40 %.
Optimisation and prediction of compressive properties for concrete containing recycled aggregates and rice husk ash using response surface methodology (RSM)
Authors: Ma Wenzhuo , Wang Yutong , Huang Liang , Yan Libo , Kasal Bohumil
Published: December 2023

Rice husk ash (RHA), an agricultural by‐product, has been added as supplementary cementitious material (SCM) in concrete mixture to improve the compressive properties of recycled aggregate concrete (RAC) in recent years. This study aimed to optimise the mixture design of RAC considering two variables: the replacement ratio (wt.%) of recycled aggregate (RA) to natural aggregate (NA) with three levels (0%, 50% and 100%) and the replacement ratio (wt.%) of RHA to cement with three levels (0%, 10% and 20%). Compression test was implemented at concrete age of 28 days based on the full factorial experiment. By means of response surface methodology (RSM), the optimised RA replacement ratio and RHA replacement ratio can be calculated with respect to the compressive strength and E‐modulus at 28 days, and vice versa the compressive strength and E‐modulus at 28 days of RAC containing RHA can also be predicted. According to response surface modelling, the compressive strength reaches the maximum value when the RA replacement ratio is 0% and the RHA replacement ratio is 7%, and the E‐modulus would reach the maximum when the RA replacement ratio is 17% and the RHA replacement ratio is 7%. The determination coefficient (R2) and adjusted coefficient (R2adj) for the compressive strength model are 0.9632 and 0.9544 respectively, and for the E‐modulus model are 0.9319 and 0.9157 respectively, showing that the models developed by RSM are relatively well correlated with the experimental results.
Some developments in the field of non‐destructive testing ‐ new devices and techniques, industrial training and academic education
Authors: Grosse Christian U. , Algernon Daniel , Arndt Ralf , Feistkorn Sascha , Niederleithinger Ernst , Taffe Alexander
Published: December 2023

Non‐destructive testing in civil engineering is a fast‐emerging field. This includes not only new devices, sensors, and techniques for the inspection of materials, components, and structures contributing to building information modeling (BIM) but also efficient concepts for structural health monitoring in the frame of digital twins. The paper highlights some of these new developments and examples for applications covering the design of new construction materials, quality control during construction, contributions to predictive maintenance, and finally the rehabilitation and repair of structures.

The new demands and techniques require new training concepts for the qualification of experts for the construction industry but also well‐structured courses for the academic education of students. Some new standards for training and education will be introduced. This paves the way for modern, efficient, and reliable applications of non‐destructive testing and structural health methods.
Bauwerksdiagnostik ‐ Gefügeforensik mit zerstörungsfreien Prüfverfahren an Bauwerken
Authors: Voigt Chris , Harke Torsten , Fritsch Christina
Published: December 2023

Kurzfassung

Mit dem Begriff der Forensik wird meist ein Fachgebiet der Medizinwissenschaften verbunden. Die Forensik bezeichnet jedoch viel mehr ein wissenschaftliches und technisches Arbeitsgebiet, in dem kriminelle Handlungen systematisch untersucht werden. An Bauwerken ist es, zum Glück, meist nicht erforderlich kriminelle Handlungen zu untersuchen, sehr wohl aber Schäden, Mängel und unbekannte Zustände. In diesem Kontext leistet man mit herkömmlichen und modernen Untersuchungsmethoden der Bauwerksdiagnostik durchaus forensische Arbeit. Grundlage für die Ermittlung der tatsächlichen Schadensursachen ist eine systematische Untersuchung der Konstruktion, der Materialien und Zustände am Bauwerk. Diese beginnt mit einer Sichtung der Bestandspläne und visuellen Inspektion der Gesamtkonstruktion. Aus den daraus abgeleiteten Schadenshypothesen wird eine Untersuchungsplanung aufgebaut. Auf deren Basis wird das Bauwerk zunächst zielgerichtet und systematisch mit zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) untersucht, gefolgt von minimalinvasiven zerstörungsarmen Untersuchungen zur Verifizierung und Kalibrierung der ZfP‐Daten.

Anhand von aktuellen Beispielen werden der Ablauf und die Bedeutung derart systematischer Untersuchungen unter Zuhilfenahme von ZfP‐Verfahren verdeutlicht.
Investigation of Bauxites of Various Deposits as Raw Materials for Special Alumina Cements
Authors: Taranenkova Viktoriia , Tymoshenko Iryna
Published: December 2023

The study deals with the bauxites of deposits of Turkey, Guinea and Guyana, which are used in alumina production, as raw materials for special alumina cements. The chemical and mineralogical compositions of bauxites of various deposits have been determined and bauxites quality relative to alumina cements obtaining has been analyzed. It is ascertained that: Turkish bauxite contains more than 9 wt. % SiO2; Guinean bauxite (deposit Kindia) has a reduced content of Al2O3 (below 45 wt. %); and Guyanese bauxite (deposit Aroaima) complies with requirements for alumina cement completely. Cements of different purity, based on the bauxites being studied, have been obtained and the possibility of using the low‐grade bauxites as raw materials for special alumina cements has been proved. Medium‐purity cements with high content of Al2O3 can be used for heat‐resistant concretes, and low‐purity cements with high content of Fe2O3 can be applied for a new kind of functional materials – sacrificial binders in passive safety systems (core‐catchers) of nuclear power plants.
Characterisation of cement‐based materials by 2D and 3D analytical SEM
Authors: Rößler Christiane , Kleiner Florian , Matthes Christian , Hoffmann Christopher , Dieminger Hanna , Nguyen‐Tuan Long , Kocis Jackson , Sowoidnich Thomas , Ludwig Horst‐Michael
Published: December 2023

The demands on modern building materials are constantly increasing. Innovative solutions produce a multitude of binders and concretes that often have a very complex, multiscale heterogeneous composition. Multi‐scale imaging of structural characteristics is still a challenge but will provide basic understanding of essential material properties.

Over centuries scanning electron microscopy (SEM) has been applied to characterize unhydrated and hydrated cements as well as concretes. Continuous development of microscopes soft‐ and hardware steadily gives new insights into the materials microstructure. Here we give an overview of current characterisation possibilities such as high‐resolution chemical‐crystallographic analysis in the SEM using energy dispersive X‐ray spectroscopy (EDX) in combination with electron backscatter diffraction (EBSD), 3D imaging in the SEM using focused ion beam (FIB) serial sectioning and image reconstruction, cryo‐FIB‐SEM as well as high resolution imaging on argon broad ion beam (BIB) sectioned surfaces.
CO2‐armer Ökomauerstein
Authors: Hlawatsch Frank , Kurkowski Harald , Eden Wolfgang , Istanbuly Zakaria , Ufermann‐Wallmeier Daniel
Published: December 2023

Kurzfassung

Vor dem Hintergrund des fortschreitenden Klimawandels und zur Erreichung des Klimaziels, dass Deutschland bis 2045 klimaneutral wird, gilt es natürliche Ressourcen zu schonen und CO2‐Emissionen zu reduzieren.

Im praxisorientierten Forschungsvorhaben „CO2‐armer Ökomauerstein“ werden beide Zielstellungen zugleich verfolgt, indem stoffeigene hydrothermale Härtungspotenziale mineralischer Brechsande aus der Bauschuttaufbereitung für die Produktion wandbildender Formsteine mit ähnlichen Eigenschaften zum Kalksandstein ausgelotet werden. Im Fokus stehen dabei Betonbrechsande. Diese enthalten konzeptbedingt die für die hydrothermale Härtung erforderlichen Bestandteile:

– Kalk aus der atmosphärischen Hydratation der Klinkerphasen und aus Umkristallisationen der CSH‐Phasen im Zuge der hydrothermalen Härtung

– Quarzitische Sande des Betons und/oder anderer mineralischer Gesteinskörnungen. Für die erforderliche Erweiterung der Untersuchungen des Betonbrechsandes innerhalb der Werkseigenen Produktionskontrolle wird zur Sicherstellung der hydrothermalen Reaktivität eine Untersuchungsmethode vorgestellt.

Aus dem laufenden Vorhaben zum Einfluss der Ausgangsstoffe und Steuerparameter der Autoklavhärtung auf das erreichbare Festigkeitspotenzial werden Zwischenergebnisse dargelegt.
Intelligente Sortierung von Mauerwerkbruch mit Hilfe von maschinellen Lernmodellen
Authors: Walz J. , Linß, E , Hunhold P. , Mehta M. , Moayedi E. , Petereit S. , Giese R.
Published: December 2023

Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen ist die optische Unterscheidbarkeit verschiedener Ziegelarten mit Partikelgrößen < 8 mm, welche im Mauerwerkbruch enthalten sein können, mithilfe von Computer Vision und künstlicher Intelligenz. Dafür wurde ein Bilddatensatz von verschiedenen neuen und recycelten Ziegelarten mit Hilfe eines RGB‐Kamerabasierten Bilderfassungssystems erstellt. Die Bilddaten wurden nach entsprechender Vorverarbeitung hinsichtlich signifikanter Merkmale ausgewertet, um anschließend mit verschiedenen Klassifikationsmodellen des maschinellen Lernens eine optimale Erkennungsroutine ermitteln zu können. Die erzielten Erkennungsraten zeigen, dass sowohl die klassischen Klassifikatoren als auch ein Faltungsneuronales Netzwerk hervorragende Ergebnisse erzielen können.
Nahinfrarotspektroskopie zur Bestimmung des Wassergehalts von rezyklierten Baustoffen
Authors: Reichert Ina , Linß Elske
Published: December 2023

Das Recycling von mineralischen Bau‐ und Abbruchabfällen ist in der heutigen Zeit unausweichlich. Zum einen ist die Deponierung von Bauabfällen zu vermeiden und zum anderen trägt die Baustoffproduktion nicht unerheblich zur Emission von Treibhausgasen bei. Aus diesen Gründen sollte die Ressourcenschonung eine hohe Priorität bei der Herstellung von Baustoffen haben. Eine Möglichkeit diese umzusetzen, ist die Verwertung von Bauschutt. Dafür werden Kenntnisse über die baustofftechnischen Parameter des rezyklierten Materials benötigt. Darunter fällt auch die Kenntnis über den vorhandenen Wassergehalt, zum Beispiel, um die Wasser‐ und Fließmittelzugabe oder die Zugabe anderer Zusätze bei der Herstellung von Recyclingbeton ermitteln zu können. In diesem Beitrag soll der Wassergehalt berührungslos und zerstörungsfrei mittels der Nahinfrarotspektroskopie abgeschätzt werden. Hierfür werden rezyklierte Proben von verschiedenen Baumaterialien einer spektralen Analyse im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2300 nm zugeführt. Drei Verfahren zur Bestimmung des Wassergehaltes werden formuliert und miteinander verglichen. Zu diesen zählen die Mittlere Absorption, der Wasserindex und die Absorptionsdifferenz. Mithilfe einer regressionsbasierten Evaluierung wird der Zusammenhang zwischen den Parametern der vorgenannten Methoden und dem Wassergehalt der betrachteten Materialien untersucht.
On using the DFOS for damage identification in civil engineering structures
Authors: Alkam Feras , Ganß Martin , Lieboldt Matthias , Lahmer Tom
Published: December 2023

The application of distributed fiber optic sensing (DFOS) technologies to the monitoring of civil engineering structures has been widely developed in recent years. In particular, fiber optic sensing (FOS) using the Rayleigh backscattering phenomenon of the laser frequency spectrum has been used to continuously measure strain along the fiber optic sensor with high spatial resolution. However, the practical implementation of fiber optic sensorsin the field is still a challenge. These include, but are not limited to, the bonding between fiber sensor cables and the surrounding medium, the practical way in which fiber optic sensors can be installed in concrete structures, and the analysis of crack width using the strain distribution along the fiber. Compared to classical discrete sensors, the DFOS has a great potential to detect, localize and quantify crack formation even in the early stages of microcracking. This paper discusses the potential and challenges of using distributed fiber optic sensors for crack detection in concrete structures. In this sense, different types of mechanical tests on concrete structures using different fiber optic sensors, and different bonding techniques are presented to explore the possibilities of crack detection in concrete structures and its potential for practical structural health monitoring (SHM) systems of civil structures.
Feinstmaterialien für die Zementherstellung – ein Schritt in neue Leistungsklassen
Authors: Ludwig Horst‐Michael , Wulfert Holger , Ruhkamp Winfried , Bätz André , Otto Paul
Published: December 2023

Um die CO2‐Emissionen signifikant zu senken, wird zukünftig der Portlandzement‐klinkeranteil in den Zementen auf ein Minimum reduziert werden. Leider liegen die Frühfestigkeiten dieser Zemente deutlich unterhalb des Festigkeitsniveaus klinkerreicher Zemente. Eine Möglichkeit, die Frühfestigkeiten zu steigern, stellt der Einsatz von reaktiven Feinststoffen dar. Die Fa. Loesche hat eine Multizyklonanlage entwickelt, in der mit relativ geringem Energieaufwand, entsprechende Feinstmaterialien herstellbar sind. Am Beispiel des Hüttensandes konnte gezeigt werden, dass der Einsatz des erzeugten Feinsthüttensandes die Frühfestigkeit von hüttensandreichen Zementen signifikant erhöhen kann. Damit können diese Zemente auch in bislang schwierigen Anwendungen, wie in der Fertigteilindustrie oder im Spritzbeton, problemlos eingesetzt werden. Die Grobfraktion kann ohne nennenswerte Qualitätsverluste in den konventionellen hüttensandhaltigen Zementen (z.B. für den Transportbetonbereich) eingesetzt werden. Darüberhinausgehende Untersuchungen mit anderen Kompositmaterialien (calcinierte Tone, Stahlwerksschlacken, Kalksteinmehle) zeigen ebenfalls das große Potential des erzeugten Feinstmaterials zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit klinkerarmer Zemente.
Long‐term deformations of concrete under cyclic‐mechanical and cyclic‐hygric exposures
Authors: Podhajecky Anna‐Lena , Kern Bianca , Oneschkow Nadja , Lohaus Ludger , Müller Harald , Haist Michael
Published: December 2023

Long‐term deformations of concrete structures are actually calculated by creep models using the mean stress level and the time‐average ambient humidity. However, temporally varying mechanical and hygric exposures which occur in practice are suspected to increase the time‐dependent strains. Nevertheless, these influences have not been sufficiently investigated so far.

Therefore, the influences of cyclic‐mechanical and ‐hygric loadings, respectively, as well as their coupled influence on the long‐term deformations of concrete are systematically investigated within the scope of a joint research project funded by the German Research Foundation (DFG). In this paper, time‐dependent strains due to cyclic‐mechanical and/or ‐hygric loading of a normal strength concrete are presented in comparison to those at corresponding constant loading.

The results demonstrate that the time‐dependent strains are significantly increased due to cyclic‐mechanical and ‐hygric loading compared to those due to the corresponding constant mean loading. This indicates an underestimation of strains by using the constant mean loading in creep models and may cause severe safety risks in prestressed concrete constructions. Therefore, existing models should be modified considering the influences of cyclic exposures.
Experimentelle Untersuchungen zum Stauchverhalten stark porosierter Betone
Authors: Plückelmann Sven , Breitenbücher Rolf
Published: December 2023

Kurzfassung

In Sonderfällen des Betonbaus wird ein Materialverhalten angestrebt, das sich durch ein hohes plastisches Stauchvermögen auszeichnet. Zwar liegen bereits erste Ansätze für solche Betone vor, abgesicherte Kenntnisse zum Stauchverhalten sowie zu den maßgeblichen Einflussgrößen sind aufgrund fehlender experimenteller Studien jedoch bisher äußerst begrenzt. Der vorliegende Beitrag beschreibt experimentelle Untersuchungen zum Stauchverhalten stark porosierter Betone. Das Ziel war es, das Stauchverhalten grundlegend zu charakterisieren und relevante material‐ sowie versuchstechnische Einflussparameter zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Porosierung der Betone erfolgte durch die Verwendung von Blähglas und Schaumstoffperlen in Kombination mit einem Schaumbildner. Durch die Variation des Wasserzementwertes wurde auch der Einfluss der Matrixfestigkeit berücksichtigt. Das Stauchverhalten wurde in einaxialen Druckversuchen unter Voll‐ und Teilflächenbelastung untersucht. Des Weiteren wurden die Stauchversuche sowohl mit als auch ohne Umschnürung durchgeführt, um den Einfluss der Querdehnungsbehinderung zu ermitteln. Die wesentlichen Untersuchungsergebnisse werden anhand der ermittelten Spannungs‐Verformungskurven sowie der erfassten Struktur‐ und Gefügeänderungen von gestauchten Proben dargelegt.
Abbindebeschleuniger für Betone auf Basis von CSH‐Reststoffen ‐ effizient, ökonomisch und ökologisch.
Authors: Schneider Hans‐Jürgen , Koval David , Tatarin René , Landmann Mirko , Leydolph Barbara , Hölscher Tobias
Published: December 2023

Die Beschleunigung der Zementhydratation durch den Zusatz von Calcium‐Silicat‐Hydrat‐Partikeln (CSH) bietet ökonomische und ökologische Vorteile, wie beispielsweise eine Kompensation der reduzierten Hydratationsaktivität klinkerreduzierter Bindemittelsysteme (SCMs) oder der Produktionssteigerung bei der Betonfertigteilherstellung. Das Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Abbindebeschleunigers für Beton unter Verwendung von Produktionsreststoffen aus Calcium‐Silicat‐Hydrat der Firma Calsitherm Verwaltungs GmbH, welche als Schleifstäube und Verschnittreste anfallen. Dabei sollen die CSH‐Partikel als heterogene Keimbildner wirken und zusätzliche Wachstumsoberflächen für die Hydratationsprodukte bereitstellen. Zunächst wurde die Eignung der CSH‐Reststoffe aus der Produktion als Betonzusatzstoff bzw. Betonzusatzmittel untersucht. Hierbei konnte bereits eine beschleunigende Wirkung der Zementhydratation festgestellt werden. Nach weiterer Aufbereitung der Ausgangsstoffe wurde eine flüssige CSH‐Dispersion entwickelt, deren Wirkung auf die Zementhydratation als Betonzusatzmittel untersucht und deren Effizienz gegenüber konventionellen Betonen ohne Zusatzmittel nachgewiesen wurde. Die Forschungsergebnisse wurden im Rahmen eines vom BMWK geförderten ZIM‐Projekts erarbeitet.
Durability of concretes with ternary cements
Authors: Schulze Simone Elisabeth , Rickert Joerg
Published: December 2023

The production of cements with calcined clay is becoming increasingly important for the cement industry for ecological and economic reasons. Especially the combination of the cement constituents granulated blast furnace slag (S) and calcined clay (Q) next to Portland cement clinker (K) is very promising in terms of cement properties, durability and CO2 saving potential. Due to a lack of knowledge and experience, such KSQ cements have not yet been produced in Europe.

With the help of design of experiments and statistical evaluation, both the influence of the cement composition and the reactivity of the clinker and calcined clays used on the cement and concrete properties were determined. For this purpose, a total of 64 different cement compositions consisting of at least 20 wt.% clinker (two different qualities), a maximum of 59 wt.% granulated blast furnace slag and a maximum of 49 wt.% calcined clay (two different qualities) were investigated.

It could be shown that in a wide range of compositions, the production of KSQ cements of strength class 42,5 acc. EN 197‐1 is possible, whereby the water demand of the cements was mainly determined by the amount of calcined clay. Most of the corresponding concretes exhibited a high resistance to carbonation, chloride and freeze thaw attack.
Verknüpfung & Automatisierung computergestützter Methoden zur quantitativen Rissanalyse von Beton
Authors: Patzelt Max , Erfurt Doreen , Hadlich Christiane , Vogt Franziska , Ludwig Horst‐Michael , Osburg Andrea
Published: December 2023

Kurzfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war die Verknüpfung und Automatisierung zweier sich ergänzender, computergestützter Methoden zur quantitativen Rissanalyse von Beton. Zunächst erfolgte die separate Weiterentwicklung für die Verfahren in 2D (Mikroskopie) und 3D (Computertomographie, kurz: CT) unter Verwendung kommerzieller und freier Software. Im Anschluss wurden erste Schritte für die Verknüpfung der beiden Verfahren durchgeführt. Hierzu wurde ein erster Entwurf für den Workflow entwickelt. Dieser beinhaltet sowohl Aufnahmeeinstellungen als auch die verwendeten Softwarepakete, geeignete Dateiformate, Artefaktreduzierung, Segmentierung und vor allem die Analyse und Quantifizierung der Mikrostrukturen in den Datensätzen. Der Einfluss der Strahlaufhärtung während der CT‐Aufnahmen konnte mittels entsprechender Bildvorverarbeitung auf ein Minimum reduziert werden. Es wurden zylindrische, frostgeschädigte Modellprobekörper verwendet, die zunächst gescannt und aus denen Dünnschliffe präpariert wurden. An ersten Kombinationsversuchen konnte gezeigt werden, dass eine manuelle Registrierung der binarisierten Mikroskopiedaten möglich ist, wenn die ungefähre Position des Dünnschliffes im 3D‐Datensatz bekannt ist.
Investigation of ion transport in hardened cement paste by LA‐ICP‐MS
Authors: Stoklosa Agnieszka , Hilbig Harald , Machner Alisa
Published: December 2023

This study examined the impact of two different transport mechanisms and water/cement (w/c) ratios on the ingress depth of damaging ions into hardened cement paste (hcp). In addition, the effect of sample preparation, i.e. drying before and after exposure, is considered within this study. We applied Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA‐ICP‐MS) as an analytical method to determine the ion ingress depth. The results show that post‐drying of the samples (after exposure) significantly affects the ion ingress depth in hcp as determined by LA‐ICP‐MS. Our results confirmed, as previous studies, that ions ingress the hcp faster due to capillary suction than diffusion. This work shows that although LA‐ICP‐MS is not commonly applied in the analysis of construction material, it has a vast potential to examine the profile ingress of damaging ions.
Zur Anwendbarkeit des Formationsfaktors als Gefügekennwert für Mörtel aus verschiedenen alternativen Bindemittelsystemen
Authors: Raupach Michael , Achenbach Rebecca , Ludwig Horst‐Michael , Kraft Bettina I. E.
Published: December 2023

Kurzfassung

Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, DFG, geförderten Forschungsprojektes zum Einfluss alternativer Bindemittelsysteme auf das Korrosionsverhalten der Stahlbewehrung werden derzeit in Zusammenarbeit mit dem F. A. Finger‐Institut für Baustoffkunde der Bauhaus‐Universität Weimar und dem Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes, wurde auch untersucht, inwiefern der sogenannte Formationsfaktor als eine einfach zu ermittelnde Kenngröße zur Charakterisierung des Gefüges geeignet ist.

Der Formationsfaktor wird in der Geophysik seit Jahrzehnten zur Charakterisierung poröser Sandsteine und Böden verwendet. Er wird als Quotient des elektrischen Widerstandes der porösen Probe und dem elektrischen Widerstand des in den Poren enthaltenen Fluids ermittelt. Untersuchungen verschiedener Forscher zeigen, dass der Formationsfaktor unter bestimmten Randbedingungen für herkömmliche Betone sehr gut mit relevanten Transportkenngrößen und Schädigungsvorgängen korreliert. Im Rahmen dieses Beitrags soll herausgearbeitet werden, ob der Formationsfaktor auch als Gefügekennwert für Betone mit alternativen Bindemittelsystemen geeignet ist.
Concrete with clinker‐efficient cements ‐ Robustness to variations in water content and temperature
Authors: Schack Tobias , Strybny Bastian , Deiters Macielle , Haist Michael
Published: December 2023

The use of multi‐component cements (CEM II‐CEM VI), which contain main constituents other than Portland cement clinker in significant quantities, can significantly help to reduce the CO2 footprint of the cement or concrete industry. Clinker‐efficient cements (CEM II/C‐M) have been standardized in the current version of DIN EN 197‐5. In a systematic experimental program, the influence of water content variations and temperature on the robustness of concrete with clinker‐efficient cements with high contents of granulated blast furnace slag or fly ash and limestone (CEM II/C‐M (S‐LL) and CEM II/C‐M (V‐LL)) was studied. As a reference, concretes representative for construction elements used indoor (XC1) or in protected outdoor environment (XC3) with standard Portland composite cement (CEM II/A‐M) and blast furnace slag cement (CEM III/A) were investigated. The influence of variations in water content and temperature on fresh (rheological properties, bleeding) and mechanical concrete properties (compressive strength, elastic modulus) were investigated. The results obtained show similar performance and robustness of such concretes with clinker‐efficient cements compared to the reference concretes.
Adaption von AKR‐Prüfverfahren für Wasser‐ und Meerwasserbauwerke
Authors: Reschke Thorsten , Frentzel‐Schirmacher Anka , Seyfarth Katrin , Giebson Colin , Ludwig Horst‐Michael
Published: December 2023

Kurzfassung

Ein besonders hohes Risiko für das Auftreten einer schädigenden Alkali‐Kieselsäure‐Reaktion im Beton (AKR) besteht bei Meerwasserbauwerken, da über die im Wasserbau sehr langen Nutzungszeiträume eine permanente Alkalizufuhr von außen erfolgt. Es hat sich gezeigt, dass unter diesen Randbedingungen trotz Einhaltung bestehender Regelungen eine AKR nicht in allen Fällen sicher vermieden werden kann. Für laufende und künftige Baumaßnahmen vor allem im Meerwasserbereich wurde daher ein umfangreiches Forschungsvorhaben gemeinsam von der Bundesanstalt für Wasserbau und der Bauhaus‐Universität Weimar durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war insbesondere die Entwicklung einer geeigneten Performance‐Prüfung mit praxisrelevanten Einwirkungen zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Betonen für Wasser‐ und Meerwasserbauwerke. Begleitend wurden Untersuchungen zur Charakterisierung der Alkaliempfindlichkeit der verwendeten Gesteinskörnungen durchgeführt. Aus den Ergebnissen wurden Erkenntnisse für die zukünftige Vorgehensweise zur Schadensvermeidung solcher langlebigen Infrastrukturbauwerke abgeleitet.
Freeze‐thaw resistance of concretes with low‐clinker cements
Authors: Tałaj Michał , Dziuk Damian , Golda Artur , Giergiczny Zbigniew
Published: December 2023

The effective use of low‐clinker cements in concrete applied in a climate with freeze‐thaw cycles is a major challenge in terms of frost durability. One of the main factors affecting the frost resistance of concrete is proper air entrainment. The use of new cement types requires constant improvement of the process of air entrainment of the concrete mix, because the application of new components to their composition significantly affect the effect of air‐entraining admixtures. This forces constant control of the effectiveness of concrete air entrainment.

The article compares the possibilities of shaping the frost resistance of low‐clinker concretes with the use of polymer microspheres and traditional air‐entraining admixtures. In the tests ternary low‐clinker cements (≤ 65% of Portland clinker) made with non‐clinker main components such as silica fly ash (V), ground granulated blast furnace slag (S) and limestone (LL) were used.

On the basis of the conducted tests, it was found that polymer microspheres ensure greater repeatability in shaping the correct air‐entrainment structure of low‐clinker concretes compared to traditional air‐entraining admixtures and cause a smaller decrease in compressive strength, while ensuring a high degree of frost resistance in water.
Use of two‐stage mixing to further improve the performance of composite cements
Authors: Herrmann Jens , Rickert Jörg
Published: December 2023

Clinker‐ and resource‐efficient composite cements, with their great variety of concrete technology advantages, suffer most from early compressive strength. The literature postulates that the early cement hydration can be increased by more intensive two‐stage mixing.

The extent to which different two‐stage mixing processes can increase the early hydration reactions and thus accelerate the compressive strength development of ternary composite cements containing granulated blast furnace slag and limestone was systematically investigated. In addition, the effects of a reduced w/c ratio were determined. Concrete durability was tested.

The results show that reducing the w/c ratio improves the performance of composite cements much more significantly than energy‐intensive and more complex two‐stage mixing processes.
Use of residues as fillers in alkali‐activated binders
Authors: Firdous Rafia , Hirsch Tamino , Hähnel Anton , Stephan Dietmar , Buchwald Anja
Published: December 2023

The demand for resource saving and recycling of waste materials to achieve a circular economy is increasing. In Europe, nearly all blast furnace slag and fly ash are used as supplementary cementitious material. Furthermore, there is urgent need to reduce the CO2 emissions of building materials industry. Like in OPC‐based concretes, the reduction in the binder content by the use of fillers can be a way to reduce the CO2 emissions of alkali‐activated binders even further. Therefore, this study aims at the use of industrial residues as a filler in alkali‐activated materials to reduce the CO2 emissions of alkali‐activated binders. In this study, three industrial residues including municipal solid waste incineration ash (MSWIA), steel slag (SS) and ash formed by the thermal treatment of tar‐containing asphalt (EcoF) are used as fillers for alkali‐activated binders and are compared with fine quartz powder as an inert reference filler. The binder is ground granulated synthetic slag, which is replaced with the four filler materials at a 32 vol.% replacement level. The samples are reacted with 15 and 25 wt.% NaOH solution. The results show a potential advantage of using SS and EcoF as a filler in concrete as they exhibited a slightly higher compressive strength at all tested ages compared to quartz powder.
Lehmstabilisierung mittels eines Biomasseasche basierten Alkali‐Aktivators und kalziniertem Ton
Authors: Manninger Tanja , Werder Julia von , Rübner Katrin
Published: December 2023

Kurzfassung

Lehm sowie Lehmziegel sind jahrtausendealte Baustoffe, die sich durch lokale Verfügbarkeit, Umweltverträglichkeit und geringe CO2‐Belastung auszeichnen. Diese Eigenschaften machen sie zu Baustoffen der Zukunft. Wasserbeständigkeit ist ein wichtiger Aspekt, der beim Einsatz beachtet werden muss. Es gibt verschiedene Ansätze zur Stabilisierung, idealerweise sollen dabei die positiven Aspekte des Lehms, wie beispielsweise die Luftfeuchteregulierung, bewahrt werden. Zement ist hierfür nur bedingt geeignet. Als Alternative zur Stabilisierung mit Zement wurden in einer Versuchsreihe Mischungen mit calcinierten Tonen untersucht. Diese bei 600 °C auf CO2 sparende Weise erzeugten, lokal verfügbaren Rohstoffe, können mittels Alkali‐Aktivierung zu einem festen „Geopolymer” vernetzt werden. Zur Aktivierung wurde eine lokal verfügbare Biomasseasche aus Hackschnitzelholz, sowie industriell hergestelltes KOH genutzt, da das in beiden enthaltene Kalium das umweltverträglichste Alkaliion ist. In einer Versuchsreihe wurde das Verhalten des reinen Lehms mit dem stabilisierten Material verglichen. Es wurden Festigkeitswerte, Wasserlagerungsbeständigkeit und Wasserdampfdiffusionswiderstand geprüft.
Investigations on the Suitability of Alternative and Supplementary Cementitious Materials to produce High Performance Aerogel Concrete
Authors: Welsch Torsten , Schnellenbach‐Held Martina
Published: December 2023

High Performance Aerogel Concretes (HPAC) are produced by embedding silica aerogels in high‐performance matrices, which were previously based on finely ground Portland cement CEM I 52.5 R and microsilica. On the one hand, this ensured a comparatively high compressive strength, but on the other hand it was associated with large shrinkage strains and a high global warming potential (GWP). In the following, approaches are presented on how these disadvantages can be counteracted by replacing Portland cement with alternative (ACM) or supplementary cementitious materials (SCM). In the experimental investigations, calcium aluminate cement, calcium sulfoaluminate cement, calcium sulfoaluminate belite cement and a CSH phase binder were used as ACMs; limestone powder, calcined clay, fly ash, glass powder, rice husk ash, brick dust and ground granulated blast‐furnace slag were used as SCMs. Based on extensive fresh and hardened concrete tests, it could be shown that with the (partial) replacement of Portland cement by ACMs or SCMs, High Performance Aerogel Concretes can be produced that have significantly reduced shrinkage deformations and a lower GWP with an unchanged good relationship between compressive strength and thermal conductivity.
Titanhaltige Alumosilicate für die photokatalytische NOx‐Oxidation an Verkehrsinfrastrukturbauwerken
Authors: Wiegand Torben , Schneider Jens , Halmanseder Thomas , Osburg Andrea
Published: December 2023

Stickoxide sind Luftschadstoffe, die durch Verbrennungsprozesse, hauptsächlich aus Verkehr und Industrie, gebildet werden. Sie stellen die Ursache für verschiedene Atemwegs‐, aber auch Herz‐Kreislauferkrankungen dar. Es ist möglich, Stickoxide photokatalytisch unter Zuhilfenahme von bspw. titanhaltigen Katalysatoren zu Nitrat zu oxidieren und sie so der Luft zu entziehen.

Das Ziel der Forschungsarbeit ist es, photokatalytisch aktive Aggregate zu entwickeln, die dann gezielt im oberflächennahen Bereich von Infrastrukturbauwerken eingesetzt werden können. Alumosilicate erwiesen sich als stabile Matrix für die Einbindung von Titanoxid. Weiterhin lässt sich über die Syntheseroute mittels chemischer Vorläufersubstanzen (Precursoren) eine sehr gute Verteilung der Titanoxidkomponente erreichen.

Mit Hilfe einer definierten Reaktionsführung der Pechini‐Methode ist es gelungen, titanhaltige Alumosilicate zu synthetisieren. XRD‐Untersuchungen zeigten, dass die hergestellten Materialien bis zu etwa 99 % amorph sind. Die photokatalytische Aktivität wurde in Anlehnung an DIN 19279 untersucht, wobei Proben mit erhöhten Titan‐Gehalten eine vergleichsweise hohe Katalyseaktivität zeigen.
Wechselwirkung zwischen Methylcelluloseether und Tricalciumsilikat
Authors: Hecker Andreas , Sowoidnich Thomas , Ludwig Horst‐Michael
Published: December 2023

Methylcellulose (MC) wird verwendet für Putze, Farben und andere Bauanwendungen. Oftmals wird eine Verzögerung der Zementhydrattation beobachtet. Die vorliegende Studie erforscht die Ursachen dieser Verzögerung. Untersucht wurde der der viskositätserhöhenden Wirkung von wässrigen Methylcelluloselösung in geringer Konzentration. Um zu evaluieren, ob der Verzögerungseffekt eher auf der Lösungsoder der Kristallisationsseite angesiedelt ist, wurden getrennt voneinander die Auflösung von C3S und die Fällung von Zementhydratphasen in Gegenwart von Methylcellulose (MC) betrachtet. Nachgewiesen wurde eine sehr starke Verzögerung der Kristallisation von Portlandit und C‐S‐H durch die MC. Ein verzögernder Effekt der MC konnte auch auf der Auflösungsseite festgestellt werden, allerdings deutlich geringer ausgeprägt als bei der Kristallisation und auch nur in deionisierten Wasser. Mit der Wärmeflusskalorimetrie wurde abschließend die Hydratation von C3S untersucht. Die Ergebnisse belegen den stark verzögernden Effekt der MC auf die Reaktionskinetik des Zementes.
Transfer von modifizierten Titandioxid Nanoröhren auf Baustoffoberflächen
Authors: Hartwich Patrick , Marczewski Mateusz , Pritzel Christian , Killian Manuela S.
Published: December 2023

Kurzfassung

Aufgrund einer verschärften Einstufung von Titandioxidpulvern als vermutlich krebserregender Gefahrenstoff, ist mit einer eingeschränkten Nutzbarkeit des fotokatalytisch aktiven Stoffes in allen Sektoren zu rechnen. In dieser Arbeit wird daher eine alternative Anwendung von Titandioxid als fotokatalytisch aktive Bauteilbeschichtung in der Form von angeordneten Nanoröhren vorgestellt, da diese aufgrund ihrer Geometrie nicht von der Neuregulierung betroffen sind. Dies wird durch den direkten Transfer einer durch Anodisation hergestellten Nanoröhrenstruktur auf das zementbasierte Bauteil bewerkstelligt. Die fotokatalytischen Eigenschaften bleiben dabei erhalten.

Im Rahmen dieser Arbeit werden dazu Titandioxid‐ und dotierte Titandioxidnanoröhren, welche aus einer Titan‐Eisen‐Legierung synthetisiert wurden untersucht. Zunächst werden sowohl der Herstellungsprozess der Nanoröhren als auch deren Nachbehandlung, um einen Transfer auf den Baustoff zu bewerkstelligen, beschrieben. Anschließend wird gezeigt, dass ein Transfer der Nanoröhren auf den Baustoff in der Fertigteilbauweise erfolgen kann. Die Charakterisierung des Verbundwerkstoffes erfolgt anschließend anhand morphologischer und kristallographischer Daten. Die fotokatalytische Aktivität der Nanoröhren wird mittels eines Farbstoff‐Degradations‐Versuches untersucht.
A single‐sided 1H NMR study of the self‐drying properties of a ternary self‐levelling underlayment
Authors: Holthausen Robert Schulte , Glawe Clarissa , Sieksmeier Jörg , Raupach Michael
Published: December 2023

Self‐leveling underlayments (SLU) are used for smoothing and levelling sub‐floors before any flexible flooring is applied. Though being comparatively simple in its requirements, commercial SLUs have become one of the most complex cementitious mixtures in dry‐mortar technology. By using ternary binders, most SLUs are designed to be self‐drying, binding most of the mixing water in crystalline cementitious phases, allowing a fast work progress. In this study, the simultaneous hydration and drying of a commercial SLU are monitored with single‐sided 1H nuclear magnetic resonance (NMR). This technique allows the quantification of chemically bound water and water in different pore environments with superior time and depth resolution. The technique is combined with conventional testing techniques enabling a more comprehensive view on the processes at hand. Results allow quantification of hydration and self‐drying, superimposed by physical drying effects over time. Additionally, the drying of a PVC adhesive through water absorption into a well‐dried SLU are visualized with this technique. The results are discussed in the context of moisture transport processes and floor‐laying readiness of the material.