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Concrete with Recycled Aggregates ‐ Update of the Application Rules in Germany and Outlook
Authors: Breit Wolfgang , Burgmann Sophie 
Published: December 2023

AbstractIn 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

AbstractBased 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

KurzfassungIm 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

AbstractRice 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

AbstractNon‐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

KurzfassungMit 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

AbstractThe 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

AbstractThe 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

KurzfassungVor 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

AbstractGegenstand 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

ZusammenfassungDas 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

AbstractThe 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

AbstractUm 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

AbstractLong‐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

KurzfassungIn 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

ZusammenfassungDie 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

AbstractThe 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.