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Mastering the rheology of fresh concrete: New knowledge from a DFG priority program SPP 2005
Authors: Mechtcherine Viktor 
Published: December 2023

AbstractThe processing of cement‐based building materials represents the technological core in the construction and maintenance of structures. However, a scientific framework for mastering rheology‐based processes is still in an early stage of its development. The reason for this is the extremely high complexity of cementitious systems. This complexity includes the high chemical reactivity of mineral binders, the complex multi‐phase nature of fresh concrete or mortar, and a wide range of deformation rates during various technological processes, which result in extremely high demands for characterization and simulation methods. The goal of the DFG Priority Program SPP 2005 “Opus Fluidum Futurum – Rheology of reactive, multiscale, multiphase construction materials” is to ascertain and describe the scientific fundamentals for understanding and, subsequently, designing rheology‐based construction processes as well as for developing innovative, sustainable building materials and associated pioneering processing technologies. The article at hand presents the purpose and the structure of the collaborative research as well as the achievements of the priority program. Furthermore, it offers some insights into ongoing and planned research.
Rückführung von Gipsformenabfällen in den Produktionskreislauf der Porzellanindustrie
Authors: Dreuse Heike , Nowak Saskia , Geithe Rigo , Zier Hans‐Werner 
Published: December 2023

KurzfassungIm Rahmen eines zweijährigen Forschungsprojektes hat die Materialforschungsund –prüfanstalt an der Bauhaus‐Universität Weimar (MFPA) gemeinsam mit der Porzellanmanufaktur Reichenbach (PMR) Lösungen dafür entwickelt, inwiefern Gipsformen, die zur Herstellung von Porzellangegenständen verwendet werden, nach ihrem Verschleiß durch mechanische und thermische Aktivierung wieder zur Herstellung neuer Gipsformen genutzt werden können. Im Ergebnis der umfangreichen Untersuchungen konnte aus mehreren geeigneten Aufbereitungsschritten eine optimierte Verfahrensweise herausgearbeitet werden, um praxisnah Recycling‐Gips zu gewinnen, daraus wieder ein verarbeitungsfähiges Bindemittel herzustellen und robuste Gipsformen aus 100 % Recycling‐Gips mit einwandfreier Oberfläche zu fertigen. Ein solcher Kreislauf ist unter Beachtung der erarbeiteten Kriterien mehrfach ohne Qualitätseinbußen durchführbar und lohnt sich für den Betrieb trotz des etwas schnelleren Verschleißes der Gipsformen aus RC‐Gips.
KI‐gestützte Klassifikation von Gipsgesteinen auf Basis der hyperspektralen Bildgebung im SWIR
Authors: Hunhold Patrick , Linß Elske , Nowak Saskia 
Published: December 2023

KurzfassungDer effiziente Einsatz begrenzter Ressourcen spielt eine immer wichtigere Rolle, wenn es um das nachhaltige Wirtschaften geht. Mit der Beendigung der Kohlever‐stromung bis zum Jahr 2038 und dem damit verbundenen Wegfall von REA‐Gips, verliert die Gipsindustrie eine wesentliche Quelle für ihre Produkte. Dieser Wegfall kann nicht annähernd mittels Gipsrecycling kompensiert werden. Ein vermehrter Abbau von Naturgips und –anhydrit ist in Bezug auf den Naturschutz kritisch zu hinterfragen. Diese Arbeit setzt sich daher insbesondere mit der Klassifikation von bisher ungenutzten Gipsgesteinen (Übergangsgesteine) auseinander, welche ohnehin beim Abbau von Naturgips anfallen. Als Methode der Wahl wird auf die hyperspektrale Bildgebung zurückgegriffen, mit dessen Hilfe es möglich ist räumliche und spektrale Informationen zu gewinnen und diese mit Verfahren des maschinellen Lernens zu kombinieren. Die bisherigen Ergebnisse von mehr als 99 % Erkennungsrate machen zuversichtlich, dass diese Methode sich durchaus eignet. Optimierungsbedarf besteht dagegen in der Erkennung der Mineralphasen im Übergangsgestein selbst.
Rheological Investigation of a Set of PCE Superplasticizers in Cement
Authors: Wagner Thomas , Gädt Torben 
Published: December 2023

AbstractThe importance of polycarboxylate ethers (PCE) as concrete superplasticizers has significantly increased in recent decades, both technically and commercially. At the least, three descriptors describe the average PCE structure: the side chain length (P), the charge density (N), and the number of repeating units (n). The synthesis parameters determine the average composition of the PCEs and, consequently, their performance in cementitious materials. This study examines the rheological properties of 27 different PCE structures, which were synthesized using redox‐initiated free‐radical copolymerization. We independently varied the parameters P and N and produced three PCEs with different molar weights for each combination of P and N. Cement pastes with low PCE dosages of 0.035 wt% were tested in a rheometer using a plate‐plate geometry. It turns out that when the PCE is added directly to the mixing water, the PCE has a complex influence on the very early hydration. Consequently, the obtained rheology data is not entirely in line with available structure‐activity relationships. Additionally, we attempted to model the observed rheology data based on three structural PCE descriptors. While a multivariate linear regression model failed to accurately describe the relationship, a random forest model delivered a better model. In summary, we conclude that the impact of PCEs on early hydration significantly affects the rheology of the paste. The changed hydration pathway causes a deviation of our results from existing structure‐activity relationships and makes it challenging to statistically model the sparse rheology data with a minimal set of three structural descriptors.
Leichter Schaumstein aus groben Porenbetongranulaten im zweiten Nutzungszyklus – RC‐Schaumstein
Authors: Hlawatsch Frank , Peters Maike , Ufermann‐Wallmeier Daniel 
Published: December 2023

KurzfassungSchüttungen aus groben Porenbeton‐Granulaten lassen sich durch eine mineralische Schaummörtelmatrix zusammenfügen und bilden so den „Schaumstein aus groben Porenbetongranulaten“, dessen Eigenschaften dem Primärprodukt Porenbeton stark ähneln. Porenbetonbruch kann so vor der Deponierung verschont bleiben und bietet stattdessen die Möglichkeit zur Herstellung eines ressourceneffizienten, klimaschützenden Recyclingbaustoffes mit beachtlichem Wertschöpfungspotenzial. Im Zuge der Weiterentwicklung des Schaumsteines ist es gelungen den Nachweis dafür zu führen, dass das Recycling‐Produkt „Schaumstein” mit derselben verfahrenstechnischen Vorgehensweise abermals recycelt werden kann zum „RC‐Schaumstein“ wobei dessen Baustoffeigenschaften auf selbem Niveau bleiben.
Sanieren und Verstärken mit Carbonbeton – Materialkennwerte und Anwendungsgebiete des CARBO‐refit®‐Verfahrens
Authors: May Maximilian , Schumann Alexander , von Daake Henning 
Published: December 2023

KurzfassungDas CARBOrefit®‐Verfahren steht für nachhaltiges und ressourcenschonendes Sanieren und Verstärken mit dem innovativen Hochleistungsbaustoff Carbonbeton: Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit der Carbongitter können bestehende Stahlbetonbauwerke im Vergleich zu konventionellen Methoden mit sehr dünnen Carbonbetonschichten instandgesetzt werden. Mit der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung (abZ) / allgemeinen Bauartgenehmigung (aBG) Z‐31.10‐182 ist das CARBOrefit®‐Verfahren bauaufsichtlich geregelt und anwendbar. Den planenden und ausführenden Unternehmen steht ein anerkanntes Verfahren zur Verfügung, mit welchem effiziente Lösungen realisiert werden können. Der Erhalt von Bauwerken und deren Weiternutzung hat oft nicht nur einen historischen Mehrwert, auch ökonomische und ökologische Vorteile gehen damit einher. Verschiedenste Stahlbetonkonstruktionen, sei es im Hochbau oder Ingenieurbau, wurden bereits mit diesem Verfahren saniert und die Anwendbarkeit konnte nachgewiesen werden. Statische Defizite des Bestandes können mit CARBOrefit® behoben und die Tragfähigkeit erhöht werden. Daneben kann auch die Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauwerken mit Carbonbeton verbessert werden.
Removal of asbestos as an intrusive contaminant from concrete construction waste
Authors: Thakur Jha Rani Kumari , Zimmermann Nico , Schaudienst Falk , Vogdt Frank Ulrich 
Published: December 2023

AbstractThe construction industry is the world's largest and fastest‐growing industry due to the increase in population, standards of living, and the higher demand for infrastructure. This fast growth generates huge amounts of construction and demolition waste (C&D waste), which amounts to more than 25% of the total generated waste, which has become a serious environmental challenge that needs to be addressed. The asbestos content in C&D waste poses a health risk and is entitled to special care, however, disposal of asbestos as hazardous waste is the only option by law. The present paper suggests the selective demolition of asbestos‐containing demolished waste rubble to be disposed of in compliance with all local and state regulations and proposes non‐asbestos rubble fraction to be recycled as an alternative sustainable management option that mitigates different adverse environmental impacts of the presently used conventional C&D waste management method.
Hydration mechanism of special‐purpose cements
Authors: Shabanova Halyna , Korohodska Alla 
Published: December 2023

AbstractDuring baking of the raw mixture, a weak crystallization of hydraulically inert compounds is observed for these materials, providing a substrate for the growth of hydraulic compound crystals with limited solid solutions. As a result of grinding, cleavage of crystals will occur along the growth steps and intercrystalline boundaries, creating additional mechanical stress concentrators, which provides an increase in hydraulic activity. It appears that the full destruction of solid solutions does not occur, which results in strength enhancement of resulting hardened cement stone. The electron defects can also occur, having the form of deviations from distribution of electric charge corresponding to the regular structure of crystals. Upon hydration of the cements obtained from clinkers, highly basic hydrated newgrowths and active hydroxides are formed. At the same time, some leaching occurs on the surface of hydraulically inert compound resulting in a gelatinous hydroxide. With the lapse of time, gelatinous hydrate newgrowths transform to a crystalline state with decrease of basicity and lattice rearrangement into a more closely packed one. Amorphous hydroxides undergo crystalline aging and form a compactive crystallization frame around the grains of alkaline‐earth hydroaluminates.
Influence of Carboxylic Acids on the Nucleation of Cementitious Phases Studied by Titrimetric Methods
Authors: Vohburger Andreas , Gädt Torben 
Published: December 2023

AbstractIt is important to accurately control the setting of concrete and mortars. Functional admixtures such as hydroxy carboxylic acids can modify the hydration mechanism by influencing the dissolution of clinker phases and the crystallization of hydrate phases. While the crystallization of phases like CaCO3 under the influence of various additives has been studied intensively, there is substantially less understanding with regard to the main products of cement hydration, i.e., C‐S‐H, portlandite, ettringite, etc. In this work a potentiometry based setup was used to study the influence of succinic, tartaric, and citric acid on the nucleation and growth of portlandite and C‐S‐H. We found that the investigated molecules not only lead to a significant delay in nucleation by stabilization of prenucleation clusters, but also show a strong influence on the process of crystal growth. Further the effect of these molecules on the hydration reaction of tricalcium silicate was examined using ex‐situ calorimetry. We found a decent retarding effect on this reaction, even when there was almost no observable effect on the nucleation process in the previous experiments.
Einfluss der Granulometrie von klinkereffizienten Zementen auf die Hydratation
Authors: Wedekind Luise , Ludwig Horst‐Michael , Severins Katrin , Müller Christoph 
Published: December 2023

KurzfassungAktuelle Untersuchungen, in einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekts, verdeutlichen das Potential von klinkereffizienten Zementen mit Kalkstein, Hüttensand oder Recyclingziegel, wenn diese eine granulometrische Optimierung erfahren. Durch die gezielte mechanische Aufbereitung der Klinkerersatzprodukte Hüttensand, Kalkstein und Ziegel sowie der Klinkerkomponente selbst, werden definierte Feinheiten und Partikelgrößenverteilungen erzeugt. So zeigen die Ergebnisse, dass Zemente mit 50 M.‐% Klinker in Mischungen mit Kalkstein, Hüttensand oder Ziegel trotz ihrer identischen stofflichen Zusammensetzung unterschiedliche Wärmeentwicklungen und Hydratationsgrade bei der Zementhydratation aufweisen, die wiederum Effekte auf die Festigkeitsentwicklungen bewirken. Die Untersuchungen zur Hydratation von klinkereffizienten Zementen ermöglichen die chemisch‐physikalischen Vorgänge für das Erreichen der zulassungsrelevanter Mörtel‐ und Betoneigenschaften zu verstehen und dieses Wissen für weitere granulometrische Optimierungen zu nutzen.
Mechanochemical Activation of the C‐S‐H binder Celitement
Authors: Hinder Daniel , Zimmermann Adrian , Fylak Marc 
Published: December 2023

AbstractThe hydraulic binder Celitement is produced by a mechanochemical activation of an X‐ray amorphous CSH phase. This process step not only chemically activates the material, but also reduces its specific surface area. Thus, both strength and workability of Celitement based systems can be controlled. In this paper the effect of the duration of the activation milling on chemical and microstructural changes of Celitement is focused. Therefore ATR‐FTIR Spectroscopy, Thermogravimetry, Heatflow Calorimetry, Scanning Electron Microscopy and BET (N2) specific surface area measurements are used aside classical experiments on the flow spread and compressive strength of Celitement based mortars. As a result, it is shown that micro structural changes and chemical activation occur already at the beginning of the activation milling and significantly influence the practical performance of mortars.
Zur beschleunigten Verfestigung durch Suspensionsmischprozesse
Authors: Landmann Mirko 
Published: December 2023

KurzfassungEs konnte aufgezeigt werden, dass bei Suspensionsmischprozessen innerhalb 2‐stufiger Mischverfahren neben einer verbesserten Partikeldispergierung auch eine beschleunigte Ver‐festigung als Begleiteffekt zu beobachten ist. Voraussetzung hierfür ist die Verwendung eines verfahrenstechnisch optimierten Suspensionsmischers, in dem die Suspensionsbestandteile durch eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge suspendiert werden. In Hinblick der industriellen Anwendung von Suspensionsmischern wurden die wesentlichen system‐, betriebs‐ und betontechnologische Anforderungen systematisiert. Die beschleunigte Verfestigung kann unter anderem auf eine bessere Partikeldispergierung sowie verstärkte Keimbildungsprozesse zurückgeführt werden, wobei nicht alle Ursachen vollständig geklärt werden konnten.
The peculiar behaviour of low‐carbon concretes under salt frost exposure
Authors: Müller Matthias , Ludwig Horst‐Michael , Ehrhardt Dirk , Unbehau Sophie , Kraft Bettina 
Published: December 2023

AbstractSince the early days of concrete construction, the deterioration of concrete due to the combined action of frost, water and de‐icing salts had been observed. This salt frost attack is typically associated with surface scaling. The underlying mechanism for that damage was unresolved for many decades and many conflicting damage theories exist. In the past, that knowledge gap was primarily of academic interest, as a good salt frost scaling resistance of clinker rich concretes was easily achieved with air entrainment. However, as that approach increasingly reaches its limit for “low‐carbon concretes”, an in‐depth knowledge of the damage mechanisms can help to identify alternative measures to ensure good salt frost scaling resistance of such concretes. Based on a novel theory, which can explain important characteristics of salt frost attack and the generation of scaling damage, an additional cause for the unfavourable influence of clinker reduction on salt frost resistance were identified.
Untersuchungen zur Ladungsmessung als Prüfmethode zur Bestimmung des Chloridwiderstandes von Beton
Authors: Drenkard Hannah , Fischer Christian 
Published: December 2023

KurzfassungDer Widerstand eines Betons gegen Chlorideindringen ist eine wichtige Kenngröße zur Bewertung seiner Dauerhaftigkeit. Zur Ermittlung dieser Größe wird häufig der sog. Rapid Chloride Migration (RCM) Test angewendet. Daneben gibt es auch Vorschläge für einen Modified Chloride Migration (MCM) Test, bei welchem der Ladungsfluss durch den Probekörper ermittelt wird. Die Ermittlung des Chloridmigrationskoeffizienten erfolgt anschließend über eine Regressionsfunktion, die den Zusammenhang aus der im Versuch gemessenen spezifischen Ladungsflussrate und den Ergebnissen aus RCM‐Tests herstellt. Die Datenlage zu dem Zusammenhang der einzelnen Verfahren muss jedoch noch weiter ausgebaut werden. Bei den hier dargestellten Untersuchungen werden daher für Betone und Mörtel herkömmliche RCM Tests angewendet und zusätzliche Messungen für die Ermittlung des Ladungsflusses sowie des spezifischen Elektrolytwiderstandes ergänzt. Dabei werden u.a. verschiedene Versuchsrandbedingungen wie beispielsweise die Variabilität der Chloridkonzentration im Test‐Setup betrachtet. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass bestehende Zusammenhänge zwischen den einzelnen Prüfverfahren in Abhängigkeit gewisser Versuchsrandbedingungen formuliert werden müssen.
Entwicklung verschiedener Baumaterialien auf der Basis der Paludikultur Rohrkolben
Authors: Krus M. , Theuerkorn W. , Großkinsky Th. , Kraft R. 
Published: December 2023

AbstractAusgehend vom bereits in mehreren Gebäuden eingesetzten Typhaboard mit seinen zahlreichen umwelttechnischen und bauphysikalischen Vorteilen wurden inzwischen neue Baustoffe auf Basis von Rohrkolben entwickelt. Neben Magnesit als Bindemittel wurden mit Erfolg andere Kleber getestet, die ebenfalls nachhaltig sind und einer Kompostierung nicht im Wege stehen. Selbst unter Verwendung von Lehm können für Einsatzzwecke, die keiner besonderen Feuchtebelastung ausgesetzt sind, stabile und zugleich dämmende Platten hergestellt werden. Als Baustoff‐Neuentwicklung ist zum einen die Entwicklung eines Boards zur Aufdachdämmung zu nennen, das aufgrund einer speziellen Partikelgeometrie und ‐anordnung eine geringere Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit besitzt. Des Weiteren wurde eine staubarme Schüttdämmung aus Rohrkolben und eine Art OSB‐Ersatz mit vergleichbaren Festigkeiten entwickelt sowie ein spezieller sehr schlanker Deckenaufbau aus Typha. Die Entwicklung eines hoch tragfähigen Holzersatzes ist ebenfalls in Arbeit.
Thermodynamisch‐analytische Modellierung der Karbonatisierung in Betonen aus klinkerreduzierten Zementen
Authors: Steiner Sarah , Winnefeld Frank , Proske Tilo , Lothenbach Barbara 
Published: December 2023

KurzfassungDas Bestreben, die Umwelteinwirkungen von Zement und Beton zu verringern, wird zukünftig zum vermehrten Einsatz klinkerreduzierter Zemente führen. Etablierte Modelle zur Vorhersage der Karbonatisierungstiefe (xc) sind aber häufig auf Betone aus handelsüblichem Zement beschränkt. In diesem Beitrag werden die Karbonatisierungsraten von Beton aus Zement mit bis zu 60 Gew.‐% Kalksteinmehl (LS) und w/z‐Werten von 0,3 bis 0,75 untersucht. Zur Abschätzung der xc wurde ein gekoppeltes analytisch‐thermodynamisches Modell entwickelt. Der vorgeschlagene Modellierungsansatz beinhaltet die thermodynamische Berechnung der effektiven CO2‐Bindekapazität und einen analytischen Ansatz zur Abschätzung des CO2‐Diffusionskoeffizienten. Die gute Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentell (XRD und TGA) ermittelten Phasenzusammensetzungen zeigt, dass thermodynamische Teilmodelle eine Möglichkeit bieten die Vorhersagegenauigkeit der xc zu verbessern. Die größten Abweichungen zwischen simulierten und tatsächlichen xc wurden bei dichtem Beton beobachtet. Die Untersuchungen und Modellierungen ergaben, dass die betontechnologisch optimierten, klinkerreduzierten Betone mit bis zu 60 Gew.‐% Kalksteinmehl ähnlich hohe Karbonatisierungswiderstände aufweisen können wie Beton aus CEM I 52.5 R.
Cu(II) Promoted C(sp3)−H Activation in Unactivated Cycloalkanes: Oxo‐Alkylation of Styrenes to Synthesize β‐Disubstituted Ketones
Authors: Das Krishna Mohan , Pal Adwitiya , Surya T Lakshmi , Roy Lisa , Thakur Arunabha 
Published: December 2023

AbstractWe report the Cu(II) catalyzed synthesis of β‐disubstituted ketones from styrene via oxo‐alkylation with unactivated cycloalkanes as the alkylating agent in presence of tert‐butylhydroperoxide (TBHP) and 1‐methylimidazole as oxidant and base respectively. β‐disubstituted ketones are known to be synthesized by using either expensive Ru/Ir complexes, or low‐cost metal complexes (e. g., Fe, Mn) with activated species like aldehyde, acid, alcohol, or phthalimide derivatives as the alkylating agent, however, use of unactivated cycloalkanes directly as the alkylating agent remains challenging. A wide range of aliphatic C−H substrates as well as various olefinic arenes and heteroarene (35 substrates including 14 new substrates) are well‐tolerated in this method. Hammett analysis shed more light on the substitution effect in the olefinic part on the overall mechanism. Furthermore, the controlled experiments, kinetic isotope effect study, and theoretical calculations (DFT) enable us to gain deeper insight of mechanistic intricacies of this new simple and atom‐economic methodology.
Interspecific killing of wolverines by one wolf pack
Authors: Young Kiana B. , Saalfeld David T. , Brandt Colette , Smith Kyle R. , Spivey Timothy J. , Stantorf Cory J. 
Published: December 2023

AbstractInteractions between different species of predators are not uncommon, yet they are generally understudied in North America. Across their range, gray wolves (Canis lupus) and wolverines (Gulo gulo) occupy similar habitats and dietary niches. However, due to the elusiveness and relatively low density of these two species, interactions between them are not well documented. Here, we describe three instances of a single wolf pack killing a wolverine in the span of 13 months. None of the wolverines killed by wolves were consumed, suggesting that food was not the primary motivation behind the killings. Alternatively, defense of a food resource, territoriality, interspecific competitive killing, or some combination of those behaviors appear to be the cause of these actions. Documentation of these occurrences improves our understanding of wolf and wolverine ecology, interspecific predator interactions, and potential future changes to this aspect of community ecology.