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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

KurzfassungZiel 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

AbstractThis 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

KurzfassungIm 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

AbstractThe 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

KurzfassungEin 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

AbstractThe 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

AbstractClinker‐ 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

AbstractThe 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

KurzfassungLehm 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

AbstractHigh 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

ZusammenfassungStickoxide 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

AbstractMethylcellulose (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

KurzfassungAufgrund 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

AbstractSelf‐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.
Regulation of Contact Interactions to Increase the Water Resistance of Air Binders
Authors: Borziak Olga , Plugin Andrii , Plugina Alla 
Published: December 2023

AbstractComposites based on mineral binders are highly concentrated polydisperse systems. These systems consist of a dispersed phase in the form of particles of filler and binder, hydration products, as well as a dispersion medium in the form of a porous electrolyte (mixing water). The properties of such systems are determined by the action of forces that manifest themselves in interfacial interactions and act within each phase between atoms, ions, or molecules. To increase the strength and water resistance of materials, it is necessary to ensure the formation of contacts in which electrostatic attraction with the maximum interaction energy is realized. A significant role is played by the electric charges and potentials of the surface of the particles of the components of the structure. The introduction of chemical additives provides the synthesis of additional crystalline hydrates with certain surface properties, which contributes to an increase in the number of electroheterogeneous contacts in the system. The introduction of polydisperse mineral fillers, taking into account their surface charges, ensures the formation of a dense structure of a composite material with a large number of electroheterogeneous contacts. Based on the research results, composite materials based on mineral binders of various functional purposes with specified physical‐mechanical, hydrophysical, electrophysical properties have been developed. The use of these materials made it possible to increase the reliability and durability of building structures.
Verbesserung der CO2‐Bilanz von Kalksandsteinen durch den Einsatz von Sägeschlamm als Optimierungszuschlag
Authors: Laabs Marcel , Istanbuly Zakaria , Eden Wolfgang , Middendorf Bernhard 
Published: December 2023

KurzfassungRund 20% der aus den Rohstoffen Kalk, Sand und Wasser hergestellten Kalksandsteine (KS) in KS‐XL‐Formaten werden zur Vorkonfektionierung gesägt. Dabei fallen in den KS‐Werken insgesamt rd. 20.000 t Sägeschlämme pro Jahr an, die derzeit keiner gezielten Verwendung zugeführt werden. Allerdings handelt es sich dabei bereits unter Einsatz von CO2‐intensivem Branntkalk gehärtetes Material, welches als Optimierungszusatz genutzt werden kann.Insgesamt 13 verschiedene Sägeschlämme (SäS) wurden hinsichtlich ihrer Eignung chemisch‐mineralogisch charakterisiert. Anschließend wurden diese zur Reduzierung der Branntkalkdosis für die KS‐Herstellung genutzt. Dazu wurden Versuchsbedingungen und Rezepturen systematisch variiert, wobei die Versuche auf Labor‐, Technikums‐ und Werksebene durchgeführt wurden.Im Optimalfall können bis zu 2 M.‐% des eingesetzten Branntkalks durch SäS substituiert werden, ohne die Eigenschaften der KS negativ zu beeinflussen. In manchen Fällen können Eigenschaften wie Druckfestigkeit und Porosität sogar positiv beeinflusst werden. Durch den vergleichsweise geringen zusätzlichen Aufwand, um die entsprechenden SäS in den Herstellungsprozess einzubinden, können so Produktionskosten und CO2‐Emissionen gesenkt werden.
Industrielle Fertigung von großformatigen Lehmsteinen für nachhaltige und wirtschaftliche Gebäude
Authors: Liebrich Christoph , Fröhlich Susanne 
Published: December 2023

KurzfassungFür die Erreichung der Klimaziele müssen Gebäude möglichst klimaneutral sein. Tragende Lehmsteine bieten das Potential Gebäude energie‐ und ressourcenschonend zu errichten. Die industrielle Fertigung von großformatigen Lehmsteinen im Formpressverfahren ist eine wirtschaftliche und ökologische Alternative zu den bisher etablierten Mauerwerkssteinen aus Ziegel, Kalksandstein oder Porenbeton. Die Akzeptanz in der Baupraxis kann durch den Nachweis einer hohen und gleichmäßigen Fertigungsqualität aufgezeigt werden. Das DBU‐Forschungsprojekt von KIMM und CLAYX stellt die dazu notwendigen Entwicklungsschritte im Rahmen der industriellen Fertigung über den Bauablauf bis hin zur Ökobilanzierung vor.