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Forschungsansätze für Recycling von Calciumsulfat‐Fließestrichen
Authors: Hecker Andreas , Schnell Alexander , Ludwig Horst‐Michael 
Published: December 2023

KurzfassungGips ist ein wichtiger Baustoff und wird vor allem im Hochbau im Innenbereich eingesetzt. Neben Gipskarton‐ und Gipswandbauplatten werden calciumsulfathaltige Baustoffe in Form von Estrichen für Fußböden und auf Wand‐ und Deckenoberflächen als Putz verwendet. Die Nachfrage an Rohgips wird momentan noch zu ca. 60 % mit Rauchgasentschwefelungsgips (REA‐Gips, Nebenprodukt aus der Kohleverstromung) gedeckt. Etwa 40 % werden durch den Abbau von Naturgips zugeführt [1]. Entsprechend den nationalen und internationalen Klimaschutzzielen und der damit verbundenen Energiewende wird die Versorgung der Gipsindustrie mit REA‐Gips sehr stark zurückgehen. Das Recycling von Gipsbaustoffen wird ein eher kleiner aber wichtiger Beitrag zur effektiven Ressourcennutzung und ‐ schonung werden. Momentan sind Gipskartonplatten die wichtigste Versorgungsquelle für das Gipsrecycling [1]. Eine zweite, massenmäßig interessante Quelle könnten ausgebaute Calciumsulfatestriche sein. Diese Ressource wurde bis jetzt weder bilanziert noch verwertet. In einem Verbundforschungsprojekt (Wandel durch Innovation in der Region) beschäftigen sich Unternehmen und Hochschulen damit, verschiedene Calciumsulfatressourcen zu bewerten und anwendungstechnisch zu untersuchen. Erste Ergebnisse zur Wiedernutzung von Calciumsulfatestrichen liegen jetzt vor.
Rheology of low‐clinker suspensions: Multiscale comparison of the effect of PCE on thixotropy
Authors: Nicia David , Fobbe Nicholas , Jansen Daniel , Lowke Dirk 
Published: December 2023

AbstractAddressing climate change requires reducing the carbon footprint of cement‐based building materials on a global scale. One promosing approach involves decreasing the clinker content by incorporating fine supplementary cementitious materials (SCM), which, however, can increase the stickiness of fresh concrete. Along with viscosity, thixotropic structural build‐up is a critical rheological parameter that impacts the stickiness of the SCM‐rich suspensions. Thus, it is essential to gain a precise understanding of how the molecular structure and mode of addition of polycarboxylate ethers (PCE) affect the thixotropic structural build‐up in low‐clinker suspensions. To address this issue, we investigate key parameters affecting thixotropy, specifically PCE adsorption and early hydration kinetics at the cement paste and mortar level, using a multiscale approach. In an application‐oriented concept, we maintain a constant yield stress by varying the PCE dosage to achieve constant workability. Our results demonstrate that higher thixotropy correlates with increased PCE charge density and direct addition in cement pastes and mortars. Moreover, it is indicated that increasing specific surface area and ettringite contents promote additional thixotropy‐enhancing mechanisms.
Decarbonisation and preservation of natural resources along the cement and concrete value chain
Authors: Rickert Joerg 
Published: December 2023

AbstractThere are major challenges which the cement industry in Germany and the entire cement and concrete value chain are facing in their quest for climate neutrality and preservation of natural resources. The studies on decarbonisation and resource conservation recently published by VDZ underline the claim of German cement manufacturers to actively promote decarbonisation and to further significantly reduce the use of primary raw materials in the value chain of cement and concrete. Within the context of a 2050 scenario, various potentials for decarbonisation and resource conservation are being identified and quantified. In addition, the necessary prerequisites and action strategies for implementing the savings potential are explained.
Effect of Grain Size and Layer Thickness on Hardened State Properties in Selective Cement Activation
Authors: Mai Inka , Herding Friedrich , Lowke Dirk 
Published: December 2023

AbstractThis article demonstrates the effect of varying the maximum grain size and the layer thickness of the particle bed on hardened state properties in Selective Cement Activation (SCA). The compressive strength and geometry (deviation from nominal geometry, surface roughness) are analyzed. Supplementary investigations (μCT, μRFA) are performed to explain the causes of the observed effects. It is found that the compressive strength of the manufactured specimens increases with decreasing layer thickness. This is attributed to reduced process‐induced segregation of the particle bed and fewer process‐induced voids. The geometric precision as well as the surface roughness of the printed test specimens do not differ significantly. As the grain size increases, the amount of compaction required to achieve the target packing density decreases. The compressive strength was found to increase when the grain size in the specimen is reduced. As the finer particle mixtures tend to have less void formation as a result of water application, an increased density of the specimen can be observed. The lower porosity as well as the smaller pores also have a favorable effect on geometric precision, which tends to increase with reduced grain size. At the same time, a lower surface roughness is also present.
Integrating Wire Arc Additive Manufacturing into Selective Paste Intrusion for Reinforced Concrete Elements: Effect of Temperature on the Mechanical Performance
Authors: Straßer Alexander , Kränkel Thomas , Gehlen Christoph 
Published: December 2023

AbstractThis research aims to integrate the Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) process into the Selective Paste Intrusion (SPI) process to enable the production of reinforced concrete elements with complex geometries. However, the high temperatures generated during the steel melting process in WAAM can locally lead to a full stop of hydration which consequently is linked to a decrease of the mechanical properties of the concrete in the bonding zone around the reinforcing bar. This study aims to determine the maximum allowable temperature at which concrete retains sufficient hardening conditions which allows strength development when combining SPI with WAAM. In practical application, this temperature limit can directly be affected by e.g. the protruding length of the WAAM‐reinforcing bar above the SPI particle bed or external cooling strategies. As continuation of previous research, this study establishes a link between actual and targeted temperatures in the steel bar to allow the combination of WAAM and SPI processes. Temperature limits without compromising mechanical performance are investigated, and the need for and extent of additional cooling measures are evaluated. The results show that temperatures of the concrete in the fresh state can reach up to 70°C without weakening its mechanical performance.
Rheologisches Verhalten von faserbewehrtem LC3‐Feinkornbeton im Kontext der additiven Fertigung
Authors: Reißig Silvia , Bedolla Carolin , Meyer Tamara , Mechtcherine Viktor 
Published: December 2023

KurzfassungIn den letzten Jahren wurde die Entwicklung digitaler Bauverfahren, wie der 3D‐Druck mit Beton, mit zunehmendem Interesse von der Bauindustrie verfolgt und erprobt, da er einen vielversprechenden Ansatz für viele aktuell in dieser Branche bestehende Probleme darstellt. Gleichzeitig wird der Ruf nach nachhaltigen Bindemitteln immer lauter. Es erscheint logisch, beide Herangehensweisen zusammenzuführen, um eine zukunftsfähige Baumethode zu etablieren. Darüber hinaus soll die Integration einer Bewehrung im Kontext der additiven Fertigung weitere Vorteile bringen. Der praktischste Ansatz ist die Einbringung von kurzen, im Beton dispergierten Fasern, als Teil des Extrusionsprozesses. Aus technischer Sicht kann die Umsetzung dieses ökologisch und ökonomisch vorteilhaften Konzepts aber nur gelingen, wenn die 3D‐druckbaren Materialien im Frischzustand rheologische Eigenschaften aufweisen, die den hohen Anforderungen der komplexen Prozesskette des 3D‐Drucks entsprechen. Aus diesen Gründen wird in diesem Beitrag ein erster Einblick in das rheologische Verhalten von PE‐faserbewehrten 3D‐druckbaren Feinkornbetonen (printFRC) auf Basis eines nachhaltigen Bindemittels vorgestellt.
Additive manufacturing technology for the continuous production of precision concrete elements
Authors: Funke Henrik , Lindner Marco , Rudolph Enrico , Gelbrich Sandra 
Published: December 2023

AbstractThis work reports about a combined additive manufacturing technology – concrete spraying and extrusion – for a continues production of precision concrete elements for modular civil construction. In order to achieve the goal, a fine‐grained concrete mix was developed that covers the technical production properties for both spraying and extrusion. In a next first step, a spray‐extrusion multi‐tool nozzle was developed and tested for spraying and extrusion of the fine‐grained concrete mixture. In addition to complete the robot‐assisted flow production process, force transmission elements were developed, which can be automatically integrated into the extruded concrete matrix in the non‐cured green state in accordance with the load. This holistic automated production technology opens new fields of application in the construction industry that were previously not possible with classic methods.
Opportunities and barriers of pozzolanic cements
Authors: Canonico Fulvio , Mutke Sabine , Martín Araceli Pablos , Pellegrino Alberta 
Published: December 2023

AbstractNatural pozzolans have been used as building materials since ancient times. They are used as a supplementary cementitious material in combination with portland clinker to produce cements, characterized by high mechanical strengths and good durability performance. In the past the production of pozzolanic cement was mostly restricted to countries with natural pozzolan availability (Italy, Turkey, Greece, Philippine for example) and considered or even rejected in other countries that had the possibility of using other types of SCMs such as slag or fly‐ash. The market acceptance of natural pozzolanic cement also shows regional dependency. Colour and water demand strongly affect the perception and rheological properties of concrete containing natural pozzolan resulting in poor acceptancy in regions not used to working with this type of cement. Although, this SCM has been studied for very long time, today it makes sense to look closely at new pozzolanic binders. Innovative types of pozzolanic cement with very low clinker content are approaching the traditional cement market, due to the need for clinker factor reduction, and to the availability of separate grinding technology. New applications are being investigated with the aim of exploiting the behaviour of certain pozzolanic material to act as CO2 adsorbers for the removal of the exhaust gas during the production process. This paper will provide an overview of the most recent research work dealing with natural pozzolanic cement and the possible future opportunities and barriers offered by this very traditional and long‐used building material.
Near‐Nozzle Mixing for Additive Manufacturing of Cementitious Mortar: A Homogeneity Study
Authors: Hechtl C. Maximilian , Kränkel Thomas , Gehlen Christoph 
Published: December 2023

AbstractThis paper investigates the Near‐nozzle Mixing (NNM) technique for 3D printing cementitious mortar, focusing on achieving continuous and homogeneous material properties. The NNM's ability to print Natural Sand Mortar (NSM), Recycled Aggregate Mortar (RAM), and Lightweight Mortar (LWM) was assessed. Fresh and hardened properties of each mortar were examined, emphasizing standard deviation (STD) and coefficient of variation (CV) to measure material homogeneity. Fresh properties included slump flow, yield stress, air void volume, density, and water‐to‐cement ratio, while hardened properties covered compressive strength, flexural strength, hardened density, and thermal conductivity. Results showed low CV values for all mortar types, indicating high consistency and homogeneity. NNM showed is capability to print of various materials with customized properties. NSM showed the highest compressive strength, RAM balanced strength and sustainability, and LWM provided the best thermal insulation. The study highlights NNM's versatility and potential for construction applications requiring tailored properties, proving it a promising additive manufacturing solution. The research serves as a foundation for future studies on graded multi‐material printing.
Influence of the load frequency and moisture content on fatigue deterioration of high‐strength concrete
Authors: Ali Mohamed Abubakar , Oneschkow Nadja , Lohaus Ludger , Haist Michael 
Published: December 2023

AbstractWith the expansion of offshore wind energy systems, the number of fatigue‐loaded concrete structures exposed to high moisture contents has significantly increased in the last decades. Investigations in the literature show a strong reduction of fatigue resistance with increasing moisture content of the concrete. However, a detailed quantified understanding of the influence of the moisture content and the underlying damage mechanisms is still lacking. In a conjoint project as part of the priority program SPP 2020 funded by the German Research Foundation (DFG), the water‐induced fatigue damage are investigated. In this paper, the results of compressive fatigue testes on high‐strength specimens with different moisture contents are presented. The cyclical loading was carried out at three different load frequencies and maximum stress levels, respectively. The results show that the damaging effect due to fatigue loading at high moisture content is more pronounced with decreasing stress levels and decreasing frequencies. Considering the strain development and acoustic emissions the results indicate that different damage mechanisms are acting with increasing moisture content of concrete. These mechanisms are elaborated in this paper.
Leichte Gesteinskörnungen hergestellt aus Bau‐ und Abbruchabfällen – Applikation in der Denkmalpflege
Authors: Seher Julia , Rübner Katrin , Müller Constanze , Pniok Nicole , Dreisow Bianca 
Published: December 2023

KurzfassungIm Rahmen des BMBF‐geförderten Forschungsprojekts ReMin – REALight werden in einem Projektteam aus Industriepartnern und Forschungseinrichtungen unter Koordination der Bauhaus‐Universität Weimar leichte Gesteinskörnungen aus Bau‐ und Abbruchabfällen und industriellen Nebenprodukten auf thermischem Weg hergestellt. Die Aufgabe der Bundesanstalt für Materialforschung und ‐prüfung (BAM) ist es, diese im Drehrohrofen erzeugten Blähgranulate für gebundene Anwendungen in Beton und Mörtel umfassend zu charakterisieren. Gemeinsam mit der Opus Denkmalpflege GmbH wird die Applikation feiner, gebrochener Blähgranulate in leichten Steinergänzungsmörteln für die Restaurierung von Sandsteinobjekten untersucht. Hierzu wird ein zweischichtiges Mörtelsystem bestehend aus einem Füll‐ und einem Deckmörtel entwickelt. Erste Ergebnisse der Rezepturentwicklung verschiedener kalkhaltiger Leichtmörtel mit gebrochenen Blähgranulaten werden vorgestellt. Die neuen Leichtmörtel sind hinsichtlich der entwickelten Druckfestigkeit gleichwertig gegenüber herkömmlichen Restauriermörteln.
REALight ‐ Leichtgranulate und REA‐Gips aus feinkörnigen sulfatbelasteten Bau‐ und Abbruchabfällen
Authors: Schnell Alexander , Rübner Katrin , Seher Julia , Müller Anette , Liebezeit Steffen , Fenner Jacob , Martin Falk , Pniok Nicole 
Published: December 2023

KurzfassungZiel des Projekts REALight ist die Entwicklung einer Referenzanlage zur Herstellung von Leichtgranulaten (leichte Gesteinskörnungen) aus Bau‐ und Abbruchabfällen und zur Gipsrückgewinnung. Als Rohstoffe werden bisher ungenutzte oder auf niedrigem Niveau eingesetzte Bau‐ und Abbruchabfälle und industrielle Nebenprodukte verwendet. Als Produkte werden leichte Gesteinskörnungen hergestellt. Die Sulfatabtrennung durch eine thermische Zersetzung bildet die Grundlage für die zusätzliche Gewinnung von Rauchgasentschwefelungs‐Gips (REA‐Gips). Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Bauen und Mineralische Stoffkreisläufe (ReMin)” gefördert. ReMin ist eine Maßnahme zur Umsetzung des BMBF‐Forschungskonzepts „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft” als Teil der BMBF Strategie „Forschung für nachhaltige Entwicklung – FONA”. Ziel der Förderung ist es, den Ausbau der Kreislaufwirtschaft voranzutreiben. Im Mittelpunkt steht dabei die Bauwirtschaft mit ihrer hohen Nachfrage nach Rohstoffen und gleichzeitig großen Mengen an anfallenden mineralischen Abfällen. Am Projekt REALight sind 12 Partner aus verschiedenen Bereichen der Baustoffherstellung und ‐anwendung, Abfallaufbereitung, Verfahrenstechnik sowie Forschung und Entwicklung beteiligt.
Der Einfluss der Morphologie der Impfkristalle auf die Hydratation von Halbhydrat
Authors: Sakalli Yilmaz , Pritzel Christian , Trettin Reinhard , Killian Manuela S. 
Published: December 2023

KurzfassungDer am häufigsten eingesetzte Beschleuniger für Halbhydrat sind Gipsimpfkristalle. In wieweit die Art dieser Kristalle (Morphologie und Größe) einen Einfluss auf die technischen Eigenschaften des entstehenden Gipssteins hat ist bislang nicht ausreichend geklärt. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss verschiedener Impfkristalle, deren Morphologie durch Zusatzmittel beeinflusst wurde, untersucht. Impfkristalle auch in kleinen Mengen wirken beschleunigend, Neben den Impfkristallen kommt es während der Halbhydrat‐Hydratation zur Neubildung von Dihydratkristallen. Es konnte gezeigt werden, dass Impfkristalle in der vorgegebenen Morphologie weiterwachsen. Neu gebildete Kristalle sind nicht davon betroffen. Damit lassen sich ggf. Gefüge aus verschiedenen Kristallmorphologien einstellen.
A Bogue approach applied to BOF slag
Authors: Zepper Jonathan , Schollbach Katrin , van der Laan Sieger , Brouwers H.J.H 
Published: December 2023

AbstractAn industrial by‐product of the steel industry called basic oxygen furnace (BOF) slag has recently undergone extensive research for high‐end applications outside of road load and landfill. In contrast to the Bogue methodology used with regular Portland cement, BOF slag lacks a quick and straightforward quantitative phase analysis procedure that would allow it to be employed as a high‐end raw material. The main phases of BOF slag (C2S, C2(A,F), Ff, RO‐Phase, and f‐C) can be calculated using the method presented in this paper based on chemical composition.
The influence of the temperature on the hydration behavior and hardening process of PCC
Authors: Flohr Alexander , Osburg Andrea 
Published: December 2023

AbstractPCC 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

KurzfassungBlasenbildung 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

AbstractHigh‐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.