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Organisationseinheit der BAM
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- 4 Material und Umwelt (5)
- 7.4 Baustofftechnologie (5)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (4)
- 7.7 Modellierung und Simulation (2)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 7.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 7.2 Ingenieurbau (1)
Paper des Monats
- ja (1)
Baustoffe
(2002)
A sustainable approach for the conservation of the Timur Shah Mausoleum in Kabul, Afghanistan
(2005)
Nanotechnologie im Bauwesen
(2007)
Mikrorissbildung in Hochleistungsbeton - Vom Modell zu den Auswirkungen auf Betoneigenschaften
(2007)
Nanotechnologie im Bauwesen
(2008)
Zu den Zielen der Nanotechnologie gehört die Entwicklung, Produktion und Anwendung von Materialien und Werkstoffen mit völlig neuartigen Leistungsspektren. Für die Baupraxis und die Materialforschung lassen sich über den Einsatz der Nanotechnologie Ziele wie die Optimierung von Baustoffeigenschaften, Vermeidung von Schäden und neue Funktionalitäten definieren. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über mögliche Anwendungsbereiche der Nanotechnologie im Bausektor, wie z. B. zementgebundene Baustoffe, Außen- und Dachfassaden, Fenster und Verglasungen, Brandschutz, Inneneinrichtung und Infrastrukturbau. Zudem werden aktuelle Forschungsarbeiten mit nanowissenschaftlichem und nanotechnologischem Schwerpunkt im Bereich baustoffbezogener Materialien der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin vorgestellt. Die Forschungstätigkeiten beziehen sich zum einen auf die Modifikation der Hydratphasen in Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) und zum anderen auf die Weiterentwicklung von Anti-Graffiti-Systemen.
Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Microcon wurden wirtschaftliche und ökologische Ansätze zur Verwendung von Feinstfüllstoffen so genannten Microfillern in Bauprodukten, die auf zementgebundenen Systemen basieren, untersucht. Hauptzielsetzung war die Entwicklung von modifizierten Bindemitteln und Zusätzen für die Transportbeton- und Fertigteilindustrie bis hin zur Marktreife. Eine der Neuentwicklungen war eine leicht handhabbare Werktrockenmischung für selbstverdichtenden Beton (SVB), die alle Schlüsselkomponenten bis auf das Bindemittel und die grobe Gesteinskörnung enthält und eine hohe Robustheit in der Anwendung gewährleistet.
Varying ambient temperatures in plants or on construction sites during casting of SCC can cause serious problems affecting the fresh concrete performances, such as rheological properties and setting time, with consequences for the hardened properties in the structure. By sensible choices of the components, the robustness of SCC mixtures against temperature variations can be improved. However, this aspect has not been the focus of intensive research yet. In this study the effects of varied ambient temperatures on the early performance of differently composed SCC mixtures are investigated, with emphasis on changes in rheology, early deformations, heat evolution and setting. Focus is placed on the study of the influence of the polycarboxylate ether molecule type as well as different viscositymodifying agents on the temperature robustness. Effects on the relevance for practical concrete applications are evaluated, which will provide a reliable framework of possible actions on the appropriate use of admixtures for SCC.
Computational modeling of fresh SCC flow is a comprehensive and time consuming task. The computational time is additionally increased when simulating casting of reinforced sections, where each single reinforcement bar has to be modeled. In order to deal with this issue and to decrease the computational time, an innovative approach of treating a reinforcement network as a porous medium is applied. This contribution presents the model for concrete flow through reinforced sections, based on Computational Fluid Dynamics (CFD), coupling a single-phase flow model for SCC and a continuum macroscopic model for porous medium. In the last part of this paper, numerical simulations are compared with experimental results obtained on model fluids.
Der Einfluß der Mischungszusammensetzungen auf das frühe autogene Schwinden der Bindemittelmatrix von Hochleistungsbetonen wurde durch Korrelation mit der Hydratationskinetik untersucht. Durch die Analyse der Verformungsgeschwindigkeiten konnte eine Unterscheidung zwischen plastischen und spannungsinduzierenden Verformungen vorgenommen werden.
Einsatz innovativer Verfahren der Bauwerksdiagnose für die Bestandserfassung - ausgewählte Beispiele
(2007)
Ingress of moisture and harmful ions (e.g. Chloride, sulfate) into cementitious materials is one of the major factors in defining their durability. Modifications of building materials by targeted deposition of surface functional agents that make the surface hydro- and/or oleophobic aim to minimize moisture and ion ingress, and thus extend Service life of the cement based structures. Water repellent and easy-to-clean coatings for inorganic Substrates have gained strong attention during the last few years and various formulations based on silicones or alkylpolysiloxanes have been developed. Cementitious building materials are highly complex Systems with many components and changing properties in the course of a building’s Service life. The interactions between the Chemical agents and the cement based materials depend on many factors. The Chemical properties of the material Substrate appear to be the most important but in the context of their influence on the functionality of silanes and/or siloxanes these characteristics have not been well understood yet. The aim of this study was to evaluate the effect of different blended cements on water repellent agents’ performance. Two organosilicon compounds
were applied on fresh blended cements containing limestone (L), fly ash (F), slag (S) and trass (T), and investigated in terms of their functionality.
The surface properties of functionalized blended cements were studied based on wettability, i.e. contact angle measurements, before and after exposure to artificial and natural weathering. The first results indicate that slag and trass more distinctly affect the water repellent Surface performance after aging.
Stabilising admixtures are commonly used additives in repair mortars and grouts. Beyond this, such type of admixture is increasingly used in concrete and other cementitious materials. In particular when fresh mortar or concrete properties have to be adjusted reliably, stabilising agents can be beneficially used to improve workability and robustness of the mixture. The mode of operation of these admixtures varies, rather affecting either the liquid phase or the solid particles in the dispersion, both causing strong interactions with the mortar or concrete system, and significant changes in their rheological behaviour. Furthermore, these are strongly affected by the environmental temperature during the casting process. In the paper the effect of temperature on the performance of stabilising agents in cementitious systems is presented and how performance changes affect fresh and hardening mortar or concrete properties. Particular attention is placed on interactions between stabilising agents and superplasticizers. Results are discussed with special focus on self-compacting concrete.
Concrete is the most applied building material in modern times. It is present in all kinds of structures and no other material secms to rcplace concrete as the most selected building material in the near future. The prime advantages are the high performance, the easy production and a facile processability. The sustainability and durability are important requirements to concrete. Even if concrete is significantly less susceptible against factors promoting a damage, compared to other materials, there are still mechanisms affecting it. In particular, high-ways and hydraulic structures made of concrete worldwide show cases of alkali-silica reaction (ASR) damages. This article refers to experience at BAM Federal InstituteforMaterials Research and Testing for several decades to ASR research and darnage assessment. ASR is a severe darnage mechanism that can occur in concrete, when certain conditions related to composition and cxposition arise in a critical combination. The chemical reaction is based on the alkalis and the silica in the concrete and was first identified by Stanton in highway structures in California (Stanton, 1940). Actually three components are needed to initiate ASR: alkali-sensitive siliceous aggregates, alkalis coming from internal (cement or other components) or external sources (de-icing salt or sea water) and water. If all of these components are sufficiently present an alkali-silica gel could be formed (Hobbs, 1988). This gel itself needs additional space when it is formed. Furthermore it is able to swell in the presence of humidity, both processes generating an expansion pressure inside the concrete. As a consequence of intensive expansion, cracks can occur, which significantly lowers thc strength of the material. Parameters like amount and chemical composition of the gel as weil as the pattern and width of cracks can help to classify the ASR darnage (Swamy, 1992). The objective of this article is to demoostrate the microscopic work on ASR affected concrete samples, carried out to assess the damaging process or to evaluate various alkali-sensitive aggregates. It will explain the approach of ASR investigation from the macroscale to microscale, starting briefly with the condition assessment, over treatment and investigations of samples in the laboratory, to the use of different microscopical and analytical techniques. In the main part the characteristic features for identifying ASR in concrete are presented by using microscopic images. Especially the emphasis lies on the role of the aggregate.
Innovative admixture technology has significantly widened up the ränge of possibilities of concrete engineers. For many decades the water to cement ratio (w/c) was the major influencing factor for the performance of concrete. Due to the need to adjust a consistency, which still allowed reasonable workability, the w/c was typically significantly higher than technologically reasonable. Rheology modifying admixtures Support adjusting the concrete consistency largely independent of the w/c. It was only after the invention of the first superplasticizers that modern concrete technology significantly evolved in terms of flowability, strength, and durability, and only due to the steady evolution of the technology modern innovations, such as Self-Compacting Concrete, Ultra-High-Performance Concrete, or Engineered Cementitious Composites were made possible. Today’s superplasticizers are extremely versatile and can be adjusted to individual technologicalspecifications. However, the other side of the coin of versatility is that cementitious Systems incorporating superplasticizers have become more sensitive against environmental influences, such as the environmental temperature, which may cause unwanted effects or demand for supplementary admixture use such as stabilizing admixtures. Hence, concrete mixture composition with admixtures demands for a high level of expertise and offen there is lack of awareness about the mode of Operation of rheology modifying admixtures among concrete technologists. The paper gives a comprehensive overview about rheology modifying admixtures such as superplasticizers or stabilizing agents, and how they can be used depending upon the application in the most favourable way. Based on experiences with the sub-Saharan African concreting boundary conditions, which exhibit many challenges in terms of environmental boundary conditions and construction site logistics, conclusions are finally drawn, how admixtures can be used in the most beneficial way to improve the concrete casting Situation.
Pathway of a damaging mechanism - Analyzing chloride attack by synchrotron based X-ray diffraction
(2015)
Typically, the changes of the phase compositions due to the chemical attack are studied in-situ only by chemical analysis or microscopy. In this study, the chloride transport and binding in the cement matrix in different cementitious materials was analyzed by synchrotron based X-ray diffraction (SyXRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Sample materials consisting of cement paste were embedded in high concentrated sodium chloride solution over different time spans. Afterwards, the phase and chemical compositions were determined. The high spatial resolution and the information about the chloride distribution offer a detailed view of chloride binding in the cement matrix and allow the conclusions about the degradation mechanisms. The results are discussed related to the influence of different supplementary cementitious materials on the damaging mechanism.
In Betonbauteilen unter gleichzeitiger zyklischer Beanspruchung und externer Alkalizufuhr ist die Gefahr von Schäden infolge oder unter Mitwirkung einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) besonders hoch. Dies betrifft insbesondere Fahrbahndecken, bedingt durch den zunehmenden Schwerlastverkehr und den winterlichen Auftrag des Enteisungsmittels NaCl. Speziell die Rolle einer mechanischen Vorschädigung des Betons infolge der Verkehrsbeanspruchungen auf den Ablauf einer AKR ist dabei aber noch nicht in ausreichendem Umfang geklärt. Ein Teil der dazu seit 2012 durchgeführten Untersuchungen im Rahmen der DFG-Forschergruppe 1498 soll im Folgenden vorgestellt werden. Es zeigte sich, dass eine AKR in definiert mechanisch vorgeschädigten Betonprobekörpern mit alkalireaktiven Gesteinskörnungen und unter äußerer Alkalizufuhr vor allem früher beginnt als in äquivalenten Probekörpern ohne Vorschädigung. Grund dafür ist das schnellere und tiefere Eindringen von Wasser und insbesondere gelöstem NaCl in den Beton, wodurch Na-Ionen als Reaktionspartner für eine AKR früher und langfristig auch in größerer Menge verfügbar sind.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
In concrete elements, simultaneously subjected to cyclic loadings and external alkalis, the risk for damages caused by or under participation of an alkali-silica reaction (ASR) is particularly high. This concerns especially concrete pavements due to the increasing heavy load traffic and the wintry application of NaCl deicer. Notably the role of a mechanical pre-damage of concrete caused by traffic loadings on the course of the ASR is largely unclear. A part of the investigations that has been conducted since 2012 into this issue within the scope of the DFG (German research foundation) funded research group 1498 shall be introduced in the following. It was evident that an ASR in defined mechanically pre-damaged concrete prisms with alkali-reactive aggregates and under an external supply of alkalis started earlier than in equal prisms without a pre-damage. The reason for this is the faster and deeper ingress of water and particularly of dissolved NaCl into the concrete, by what Na ions as reaction partner for an ASR are available earlier and, in the long-term, in greater amounts too.
In Germany, a quantity of more than 10 million metric tons of masonry rubble is generated per year. With regard to a sustainable closed substance cycle waste management, these rest masses have to be recovered if possible. The end-of-life (EOL) phase of masonry includes the planning steps of demolition, processing and application. The choice of the most sustainable solution raises questions regarding material technology, plant engineering, economic efficiency and ecological issues. For this purpose, a methodological concept for a holistic assessment of the EOL phase of masonry is developed within the scope of a doctoral thesis. For the assessment the Cost-Effectiveness Analysis (CEA) is adapted. The assessment concept enables a holistic comparison of different EOL scenarios for masonry while integrating all planning steps. It combines Material Flow Analysis (MFA), Life Cycle Analysis (LCA), Life Cycle Working Environment (LCWE), economic evaluation methods and material testing. In future, various scenarios can be evaluated with regard to the goals of the European and German waste management industry.
Auf Grundlage der Zielsetzung der Forschergruppe 1498 beschäftigt sich dieser Beitrag mit den Auswirkungen einer zyklischen mechanischen Belastung im Vierpunktbiegeversuch auf das Transportverhalten in Betongefüge. Hierzu wurde zunächst die Degradation des Mikrogefüges mittels Ultraschallmessungen sowie rissmikroskopischen Untersuchungen an Dünnschliffen charakterisiert. Mit dem Ziel der numerischen Modellbildung wurden Untersuchungen zum Wassereindringverhalten durchgeführt. Es wurden u. a. das Wassereindringverhalten über die Zeit und der Einfluss von Vorschädigungen experimentell geprüft. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen zu den Einzelprozessen des Ionentransports in poröses Gefüge wurde ein mikromechanisches Mehrskalenmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die Wirkung der Vorschädigung auf gekoppelte Feuchte- und Ionentransportprozesse vorherzusagen. Das Modell berücksichtigt die Topologie und räumliche Verteilung der Mikrorisse und deren Einfluss auf die Ionendiffusivität. Die numerische Simulation liefert bei anisotroper Verteilung der Mikrorisse eine erhöhte Alkali-Eindringtiefe. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
According to the goals of the research group 1498, this paper deals with the effects of cyclic flexural loading in a four-point bending test on the fluid transport processes within a concrete structure. Therefore, the degradation of the microstructure is characterized through ultrasonic wave measurements as well as microscopic crack analysis. In order to numerically model these processes, experiments on the penetration behavior of water into the concrete were carried out. The penetration behavior over time as well as the influence of degradation on the water transport were investigated. To predict the influence of concrete degradation on alkali diffusivity, a multi-scale continuum micromechanics model is incorporated into the numerical model, which accounts for the topology and the three-dimensional distribution of microcracks. As expected, the numerical simulation predicts larger alkali-penetration in pre-damaged concrete. Regarding the micro-crack distribution, an anisotropic distribution of micro-cracks tangential to the direction of the alkali and water flux increases their penetration depth.
The complex matter of external sulphate attack on cement-based construction materials is still not completely understood. The concentration of sulphate is a crucial factor for the formation of secondary phases and phase transitions of cement hydrates due to sulphate ingress into the microstructure. The sulphate attack on building materials for high and low sulphate concentrations was monitored by laboratory experiments. Hardened cement paste consisting of ordinary Portland cement (CEM I) were exposed to aqueous solutions of sodium sulphate for 18 months. Three sample compositions were used for this research, including different supplementary cementitious materials (SCM). The phase composition was determined for different time spans by high resolution synchrotron X-ray diffraction. Cross sections of exposed cement prisms were investigated as a representation of the microstructural profile. Based on the data, a temporal and spatial determination of the stages of the sulphate attack and the deterioration course was possible. Cement matrices blended with slag showed the highest resistance against sulphate attack.
Mittels Wärmebehandlung lassen sich die hervorragenden Eigenschaften von UHFB nochmals verbessern. Die für eine optimale Umsetzung relevanten Randbedingungen werden aktuell in der Fachwelt diskutiert. In dieser Veröffentlichung werden die Ergebnisse eines Forschungsprojekts vorgestellt, das die Wirkung verschiedener Einflussgrößen bei der Wärmebehandlung auf die Eigenschaften von UHFB zum Thema hatte. Dabei wurden die Art des Schutzes gegen das Austrocknen, die Vorlagerungszeit und die Haltezeit variiert. Um die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen, wurde der Phasenbestand mittels Röntgendiffraktometrie untersucht. Die höchsten Druckfestigkeiten des UHFB ließen sich bei einer Wärmebehandlung mit Wasserlagerung erzielen, da hierbei eine weitere Hydratation begünstigt wird. Vergleichsweise niedriger waren die Steigerungen bei einer Behandlung mit Schutz vor Austrocknung, während eine ungeschützte Behandlung zu deutlich geringeren Festigkeiten führte. Die Vorlagerungszeit beträgt im Idealfall einige Tage, um die Ausbildung eines offenbar günstigen Ausgangsgefüges sicherzustellen. Die Haltezeit sollte möglichst ausgedehnt sein, weil die Hydratation entsprechend lange gefördert wird. Im oberflächennahen Bereich war unter bestimmten Bedingungen eine Zonierung zu beobachten, deren Ursachen und Folgen, insbesondere in Bezug auf die Dauerhaftigkeit, weitere Forschung erfordern.
A significant number of German concrete motorway pavements have shown damage only a few years after construction. The alkali-silica-reaction (ASR) is often one of the reasons for this damage. German guidelines and regulations focus on the optimisation of the concrete composition to avoid damage due to ASR. Moreover, diverse research projects have dealt with the development and optimisation of ASR performance test methods with and without external alkali supply. However, the influence of other parameters on the occurrence and intensity of a damaging ASR had not yet been taken into account. Such parameters include, e.g., insufficient curing and the modifications of concrete’s porosity due to the use of slip form pavers. Likewise, the increased traffic loading had not yet been considered. The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) assesses these parameters and processes in a number of projects. These projects aim primarily to increase the durability of the concrete pavements, in particular by improving preventive measures that may be taken before or after the construction of concrete pavements. This paper gives a short overview of BAM’s projects concerning ASR in concrete pavements. Furthermore, results regarding the influence of the cyclic traffic loading on ASR are presented.
Unilateral thermal exposure of concrete building components induces moisture transport processes that have a significant influence on the spalling behaviour of dense high-strength concrete (HSC). These transport processes are based on evaporation and condensation mechanisms of liquid and gaseous water in the pores as well as the chemically bound water within the concrete. The low permeability of HSC and the formation of a saturated zone within building components (also known as a moisture clog) leads to high water-vapour pressures, which contributes to explosive spalling. The formation of these pressures has already been verified by means of pore-pressure measurement techniques. In addition, the redistribution of the moisture within concrete specimens subject to unilateral thermal exposure has been demonstrated on fractured surfaces. Investigations by means of the nuclear magnetic resonance (NMR) relaxometry technique and neutron radiography have shown one-dimensional changes in moisture distribution during thermal exposure.
However, none of these methods has been able to depict the moisture distribution in three dimensions (3D), so the link between pore size, concrete micro-structure and moisture content is missing. The research project presented in this paper aims to fill this gap by developing a new multi-level test methodology to characterise non-destructively the temporal course of spatial moisture distribution during unilateral thermal exposure. The procedure used during this programme included the collection of X-ray 3D-computed tomography (CT) measurements using a miniaturised specimen subjected to in-situ thermal exposure and the comparison of those CT results with the results of one-dimensional NMR-relaxometry before and after the heating process.
In the first step, a mobile heating device was developed, built and tested. To simulate a unilaterally-heated construction component, a cylindrical specimen made of HSC (Ø = 40 mm, L = 100 mm) was cast into an impermeable glass ceramic shell. The ceramic shell ensured a one-dimensional moisture flux and limited the thermal expansion of the concrete. An additional high-temperature wool (HTW) insulating shell ensured a one-dimensional heat flux. The heating device, which operated using infrared radiation (IR), allowed the unilateral heating of the specimens up to 300 °C using variable heating regimes.
In the second step, the mobile heating device was integrated into the CT-scanner, which enabled the collection of measurements before, during and after heating. By subtraction of successive 3D-CT images, X-ray attenuation differences could be resolved three-dimensionally in the specimen and interpreted as changes in the moisture content.
Initial results show that this test methodology can monitor the 3D changes of moisture content inside the specimen during thermal exposure. It enables the researcher to visualise areas with moisture accumulation as well as dehydrated areas inside the specimen. Comparative one-dimensional NMR-relaxometry measurements confirm the results of the CT image analysis.
Ermüdungsbedingte Degradation und ihre Auswirkungen auf den Stofftransport in Fahrbahndeckenbeton
(2017)
Im Rahmen des Beitrags soll aufgezeigt werden, welchen Einfluss eine mechanisch induzierte Vorschädigung (Ermüdungsbeanspruchung) auf den Ablauf und die Intensität des AKR-Schädigungsprozesses hat. Dies erfordert eine ausführliche Beschreibung der vielfältigen interagierenden Schädigungs- und Transportprozesse und aufbauend eine enge Verknüpfung von Experimenten mit einer mehrskaligen Modellierung.
Die experimentelle Basis bildete die mechanische Vorschädigung (Ermüdungsbeansprochung) großformatiger Balken aus einem Fahrbahndeckenbeton bei Einsatz alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen. Aus diesen großformatigen Balken wurden nach erfolgter Ermüdungsbeanspruchung kleinformatige Probekörper gewonnen. An diesen wurde detailliert untersucht wie sich die mechanische Vorschädigung auf das Betongefüge und die daraus resultierenden Transport- und Schädigungsprozesse auswirkt. Von der mechanisch induzierten Vorschädigung bis zum AKR Schädigungsprozess sollten in diesem Kontext die Rissbildungsprozesse und der interagierende Eintrag bzw. die Auslaugung der Alkalien ganzheitlich betrachtet werden. Der Beitrag fokussiert auf die Charakterisierung der infolge der mechanischen Vorschädigung induzierten Rissbildungsprozesse. Ferner wird detailliert auf die Auswirkungen der mechanischen Rissbildung auf den Stofftransport eingegangen.
Ende der 1990er-Jahre beauftragte die Philipp Holzmann AG das Institut für Bauforschung der RWTH Aachen (ibac) mit der Durchführung von Untersuchungen zur Eignung von Hochleitsungsbetonen bei chemischem Angriff. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollte geprüft werden, inwieweit die Möglichkeit besteht, durch betontechnische Maßnahmen die Widerstandsfähigkeit des Betons zu erhöhen, wodurch evtl. erforderliche Schutzmaßnahmen entfallen können. Aus diesem Grund wurden Hochleistungsbetone mit sehr niedrigen Wasserbindemittelwerten unter Verwendung von anorganischen (Silicastaub und Steinkohlenflugasche) und organischen (Polymerdispersion auf Basis von Styrolacrylat) Betonzusatzstoffen hergestellt, in verschiedenen betonangreifende Medien (5%ige Ammoniumnitratlösung, Essigsäure (pH 3,5), sowie Müll-, Klärwasser und Sulfatläsung) eingelagert und das Ausmaß der Schädigung ermittelt. Der Beitrag fasst die bisher noch nicht veröffentlichten Ergebnisse dieser Untersuchungen zusammen.
A further improvement of the excellent properties of UHPC can be realized with thermal Treatment. Like for normal concrete, it accelerates the hardening and prevents shrinkage after the treatment. Additionally, an increase in strength can be achieved. Aim of this study was the optimisation of the thermal Treatment conditions of UHPC for very different Treatment methods; heat Treatment at 90 °C for unprotected and sealed samples, hot water bath at 90 °C and hydrothermal Treatment at 185 °C/1.1 MPa. The pre-storage time and the dwell time were systematically varied for each method to gain a higher strength. The compressive strength depends on the manner of Treatment at which higher water accessibility leads to higher strengths. The Phase composition changes considerably with different Treatment tempereatures. Finally, it can activate unhydrated binder components forming additional C-S-H, leading to higher strength.
A further improvement of the excellent properties of UHPC can be realized with thermal Treatment. Like for normal concrete, it accelerates the hardening and prevents shrinkage after the treatment. Additionally, an increase in strength can be achieved. Aim of this study was the optimisation of the thermal Treatment conditions of UHPC for very different Treatment methods; heat Treatment at 90 °C for unprotected and sealed samples, hot water bath at 90 °C and hydrothermal Treatment at 185 °C/1.1 MPa. The pre-storage time and the dwell time were systematically varied for each method to gain a higher strength. The compressive strength depends on the manner of Treatment at which higher water accessibility leads to higher strengths. The Phase composition changes considerably with different Treatment tempereatures. Finally, it can activate unhydrated binder components forming additional C-S-H, leading to higher strength.
In concrete elements, simultaneously subjected to cyclic loadings and external alkalis, the risk for damage caused by or under participation of an alkali-silica reaction (ASR) is particularly high. This is of particular concern for concrete pavements due to the increasing heavy vehicle traffic and the application of sodium chloride (NaCl) de-icer during winter. Since 2004, the climate simulation concrete prism test (CS-CPT) has been used successfully to evaluate job mixtures for pavements by considering the impact of alkali-containing de-icers. However, the role of mechanical predamage on ASR is largely unclear. In a joint research project, the CS-CPT has been used to investigate the influence of preexisting microcracks on ASR. It was evident that an ASR initiated earlier in the predamaged concrete prisms due to the more rapid ingress of NaCl solution through the microcracks.
Im Gegensatz zur Druckfestigkeit weisen zementgebundene Werkstoffe i. a. nur geringe Zugfestigkeiten auf. Ein Weg, Zugfestigkeiten zementgebundener Werkstoffe zu erhöhen und Rissbildung aufgrund von Zugspannungen zu verringern, besteht in der Einarbeitung von Fasern, die diese Spannungen aufnehmen. Häufig eingesetzt werden Stahlfasern, obwohl synthetische Polymerfasern leichter und meist beständiger gegenüber chemischen Angriffen und Korrosion sind. Die Polymerfasern zeigen allerdings meist einen deutlich schwächeren Haftverbund, was an der hydrophoben Faseroberfläche liegt. Um nun eine Anbindung der Fasern an die mineralische Matrix zu erreichen, müssen die Faseroberflächen modifiziert werden, ohne dass die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Eine Herausforderung besteht somit in einer Oberflächenmodifikation durch eine schonende Behandlung der Fasern zur Erzeugung von anbindungsfähigen Gruppen.
Durch eine Behandlung von modifizierten Fasern mit geeigneten Polymerlösungen werden die Oberflächeneigenschaften verändert und erlauben eine Anbindung an die Zementsteinmatrix. Der Einsatz von Tensiden als grenzflächenaktive Verbindungen ermöglicht in diesem Zusammenhang eine Vermittlung zwischen Polymeroberflächen und mineralischen Werkstoffen.
Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Bewertung des Angriffsgrads und geeignete Schutzprinzipien
(2014)
In verschiedenen Bereichen des Betonbaus ist Beton einem chemischen Angriff von außen ausgesetzt, der die Dauerhaftigkeit des betreffenden Bauteils bzw. des gesamten Bauwerks beeinträchtigen kann. Für einen chemischen Angriff in natürlichen Böden und Grundwässern bestehen normative Vorgaben in DIN 4030-1 [R10] bzw. DIN 1045-2 [R19], um den Angriffsgrad anhand der Art und Konzentration der angreifenden Stoffe in Expositionsklassen XA1 (schwach angreifend) bis XA3 (stark angreifend) einzustufen. Hinsichtlich weiterer maßgeblicher Einflussfaktoren wird an dieser Stelle nicht näher differenziert, ob und inwieweit die Regelungen für Böden und Grundwässer auch auf andere Bereiche mit chemischem Angriff auf Beton zu übertragen sind, ist stets im Einzelfall zu überprüfen. Ebenfalls sind die zu treffenden Maßnahmen über die Vorgaben der DIN EN 206-1/DIN 1045-2 [R19] hinaus anwendungsspezifisch festzulegen. Der Hauptausschuss Baustofftechnik (HABT) des DBV hat daher den Arbeitskreis "Chemischer Angriff auf Beton" beauftragt, dieses Merkblatt zu erarbeiten, das Hilfestellung bei der Bewertung einer projektspezifischen chemischen Angriffssituation auf Beton sowie bei der Planung und Ausführung von Schutzprinzipien leisten soll.
ln den letzten Jahren wurden diverse Prüfverfahren und Methoden entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von Beton bzw. Bindemittel hinsichtlich des Widerstands gegenüber betonaggressiven Einwirkungen beurteilen zu können. Ein wesentliches Ziel von Prüfverfahren zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Baustoffen ist, die im Laufe der Nutzungsdauer zu erwartenden Einwirkungen auf den Baustoff realitätsnah abzubilden. Dazu sind die Prüfparameter auf die im jeweiligen Anwendungsbereich vorherrschenden Umgebungs- und Randbedingungen anzupassen. Daneben sind auch die Bewertungskriterien individuell unter Berücksichtigung der im Einzelfall geforderten Nutzungsdauer eines Bauwerks festzulegen. Eine systematische Zuordnung von adäquaten Prüfverfahren bzw. Prüfparametem und Bewertungskriterien für die verschiedenen Anwendungsbereiche im Betonbau, in denen betonaggressive Einwirkungen auftreten, ist mit Ausnahme von Einzelfällen bislang nicht vorhanden. Daneben stellt sich in der Praxis immer wieder das Problem, das Angriffspotenzial der Umgebung eines Bauwerks (prüftechnisch) zu erfassen und zu bewerten.
Der Hauptausschuss Baustofftechnik des DBV hat daher den Arbeitskreis „Chemischer Angriff auf Beton“ beauftragt, dieses Merkblatt zu erarbeiten, das auf Basis von einschlägigen Erfahrungen der Baupraxis und wissenschaftlichen Erkenntnissen Grundsätze und bewährte Methoden zur Beurteilung der Einwirkungs- und Widerstandsseite beim chemischen Angriff auf Beton aufzeigt und diesbezüglich Hinweise für verschiedene Anwendungsbereiche im Betonbau liefert.
Im Gegensatz zur Druckfestigkeit weisen zementgebundene Werkstoffe i. a. nur geringe Zugfestigkeiten auf. Ein Weg, Zugfestigkeiten zementgebundener Werkstoffe zu erhöhen und Rissbildung aufgrund von Zugspannungen zu verringern, besteht in der Einarbeitung von Fasern, die diese Spannungen aufnehmen. Häufig eingesetzt werden Stahlfasern, obwohl synthetische Polymerfasern leichter und meist beständiger gegenüber chemischen Angriffen und Korrosion sind. Die Polymerfasern zeigen allerdings meist einen deutlich schwächeren Haftverbund, was an der hydrophoben Faseroberfläche liegt. Um nun eine Anbindung der Fasern an die mineralische Matrix zu erreichen, müssen die Faseroberflächen modifiziert werden, ohne dass die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Eine Herausforderung besteht somit in einer Oberflächenmodifikation durch eine schonende Behandlung der Fasern zur Erzeugung von anbindungsfähigen Gruppen. Durch eine Behandlung von modifizierten Fasern mit geeigneten Polymerlösungen werden die Oberflächeneigenschaften verändert und erlauben eine Anbindung an die Zementsteinmatrix. Der Einsatz von Tensiden als grenzflächenaktive Verbindungen ermöglicht in diesem Zusammenhang eine Vermittlung zwischen Polymeroberflächen und mineralischen Werkstoffen.
Powder X-ray diffraction is a time-consuming and challenging task, especially for preparation of sensitive phases like ettringite and calcium-silicate-hydrate (C-S-H) phases. Fine-grained ultrahigh-performance concrete (UHPC) with an average grain size <100 μm could be investigated directly without time-consuming milling. As a proof of concept, small UHPC cylinders with plain surfaces were investigated with a newly designed sample holder. The comparison with conventionally prepared powder shows the feasibility of fast qualitative phase analysis using this approach. As a great benefit, a depth-dependent analysis, as well as a comparison of surface layers and core material, was carried out.
The fresh behaviour of self-compacting concrete (SCC) at varying temperatures differs from that of normal vibrated concrete. This is because the rheology of SCC depends not only on degree of cement hydration, but also on the adsorption of superplasticizers – mostly polycarboxylate based polymers (PCE) -, which is affected by the time and hydration progress. Due to the variety of PCEs and mixture compositions for SCC a prediction of the rheology at varying temperatures is complicated. The charge densities of PCEs as well as the water to solid ratio in the paste are identified to be the main decisive parameters for robust fresh concrete properties.
Rheometric concrete investigations with different SCC mixture compositions and varied anionic charge densities of the PCE were conducted. SCC which is rich in powder components showed robust performance at low temperatures while SCC with low powder content was favourable at high temperatures. High charge density PCE pointed out to be very robust at low temperatures but at high temperatures it significantly reduced the flow retention. Low charge density PCE could not generate self-compacting properties at low temperatures but retained the flow performance over sufficiently long time. Based on considerations about particle interactions and adsorption mechanisms of PCEs, the relevant processes are explained and options for the development of robust mixture compositions for individual temperature ranges are itemised.
Industrial byproducts and natural pozzolanas are increasingly being used as supplementary cementitious materials. In the group of natural pozzolanas volcanic ashes are the most prominent. Despite the fact that volcanic pozzolanas were used since Roman times, not much is known about their role in influencing the long term durability of concrete. The paper presents results of the volcanic pozzolana ‘Rhenish trass’, which is quarried in western Germany and its role during an alkali silica reaction (ASR). Field data and laboratory experiments indicate that trass releases alkalis into the pore solution but also changes cement paste chemistry and alkali binding behavior. There seems to be a sensitive balance between alkali release and increase of alkali binding capacity, both mechanisms crucial for the course of an ASR in concrete.
Vom Baustoff zum sicheren Bauwerk: Einsatz der Schallemissionsanalyse in der Bauabteilung der BAM
(2013)
Seit 2006 wird die Schallemissionsanalyse (SEA) in der Abteilung 7 Bauwerkssicherheit der BAM genutzt, um Gefügeveränderungen in Betonen zu untersuchen. Dabei haben sich bis heute im Wesentlichen folgende vier Forschungsbereiche herauskristallisiert:
Hydratation
Während der Hydratation von Beton ist eine ausgeprägte Schallemissionsaktivität zu beobachten, anhand derer der Hydratationsverlauf nachvollzogen werden kann. Zur Aufklärung der Quellmechanismen der Schallemissionen besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Des Weiteren kann mit Hilfe der SEA die frühe Rissbildung in Betonen, hervorgerufen durch autogenes oder plastisches Schwinden, analysiert werden.
Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
Bei der AKR handelt es sich um eine Reaktion alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen mit den Alkalien des Betons bzw. mit extern, z.B. durch Tausalze, zugeführten Alkalien. Dabei werden um die oder in der Gesteinskörnung quellfähige Gele gebildet, die zu einer völligen Zerstörung des Gefüges führen können. Mit der SEA können die Rissbildung detektiert und somit die Schädigungsphasen im Verlauf der AKR identifiziert werden.
Brandverhalten
Unter Brandeinwirkung platzt die Oberfläche gefügedichter Hochleistungsbetone explosionsartig ab. Um dies zu verhindern und somit den Feuerwiderstand von Bau-teilen aus Hochleistungsbeton zu erhöhen, werden dem Beton Polypropylenfasern beigemischt. Das Schmelzen der Fasern bei einer Temperaturerhöhung trägt zu einer erhöhten Mikrorissbildung bei, die einen Spannungsabbau ermöglicht. Die SEA konnte erfolgreich eingesetzt werden, um diesen Wirkmechanismus der Fasern nachzuweisen und weiter aufzuklären.
Ermüdungsverhalten
Durch die hohen zyklischen Lasten, für die Türme und Fundamente von Windkraft-anlagen ausgelegt werden müssen, gewinnen gesicherte Kenntnisse über das Ermüdungsverhalten von Betonen an Bedeutung. Mit der SEA ist es bei hochzyklischen Belastungsversuchen an Betonen möglich, den Schädigungsgrad im Verlauf der Beanspruchung zu bestimmen. Die Schallemissionsaktivität eignet sich als Kriterium, um die Versuche bei vorab definierten Schädigungsgraden zu unterbrechen und so Proben für weitergehende Untersuchungen zu gewinnen. Diese Ergebnisse sollen perspektivisch für Überwachungssysteme für Betonbauwerke unter zyklischer Beanspruchung genutzt werden.
Innovative admixture technology has significantly widened up the ränge of possibilities of concrete engineers. For many decades the water to cement ratio (w/c) was the major influencing factor for the performance of concrete. Due to the need to adjust a consistency, which still allowed reasonable workability, the w/c was typically significantly higher than technologically reasonable. Rheology modifying admixtures Support adjusting the concrete consistency largely independent of the w/c. It was only after the invention of the first superplasticizers that modern concrete technology significantly evolved in terms of flowability, strength, and durability, and only due to the steady evolution of the technology modern innovations, such as Self-Compacting Concrete, Ultra-High-Performance Concrete, or Engineered Cementitious Composites were made possible. Today’s superplasticizers are extremely versatile and can be adjusted to individual technological specifications. However, the other side of the coin of versatility is that cementitious Systems incorporating superplasticizers have become more sensitive against environmental influences, such as the environmental temperature, which may cause unwanted effects or demand for supplementary admixture use such as stabilizing admixtures. Hence, concrete mixture composition with admixtures demands for a high level of expertise and offen there is lack of awareness about the mode of Operation of rheology modifying admixtures among concrete technologists. The paper gives a comprehensive overview about rheology modifying admixtures such as superplasticizers or stabilizing agents, and how they can be used depending upon the application in the most favourable way. Based on experiences with the sub-Saharan African concreting boundary conditions, which exhibit many challenges in terms of environmental boundary conditions and construction site logistics, conclusions are finally drawn, how admixtures can be used in the most beneficial way to improve the concrete casting Situation.
ln order to observe the influence of stabilising agents (STA) based on starch and diutan gum, rheometric experiments and setting tests were conducted on cement pastes with and without PCE superpiasticizers. The results show that with regard to yield stress both STAs show differing behaviours in Systems without PCE. In presence of PCE, yield stress infiuences of the STAs retreat into the background. The Vicat results exhibit that STAs can reduce the retard ing effect of PCE.
Though, concrete in general is a non-combustible building material, modern High Performance Concrete (HPC) is very susceptible to violent explosive spalling during a fire attack. This requires protective measures for fire safety design of concrete structures. The current most worthwhile method to prevent explosive spalling is the addition of monofilament Polypropylene fibres (PP-fibres). However, since it has become common knowledge that PP-fibres are suitable for fire safety design, a variety of theories concerning the mode of action of PP-fibres have been suggested. The present article summarizes the most important hypothesis and presents an innovative method for the analysis of micro structural processes in heated specimens. The results show that due to the thermal decomposition of PP-fibres capillary channels are created. Simultaneously, a netlike micro crack formation occurs, which connects these capillary channels. This enables the relief of internal stresses (mechanical effect) and the formation of a permeable transport system for the escaping water vapour (permeation effect).
To design robust self-consolidating concrete (SCC) for various environmental conditions, it is essential to understand the relevant mechanisms that control the flow performance. This paper depicts how high range water reducing agents (HRWRAs) interact with clinker and hydration phases, and it discusses the important role of the charge density of polycarboxylic HRWRAs in the way the rheology is affected. Based on the rheometric investigations on SCC mixture compositions with different water to powder ratios (w/p) and observations of their pastes' Vicat setting times, the study shows that increasing charge densities of the HRWRA and decreasing w/p reduce the flow retention and have lesser retarding effect on the setting. Based on the test results and discussions optimization procedures for the mixture composition and the HRWRA modification are suggested to achieve optimized performance for varying environmental situations and highest robustness for specific conditions.
Polysaccharides provide high potential to be used as rheology modifying admixtures in mineral binder systems for the construction industry such as concrete or mortar. Since superplasticizers have become state of technology, today, concrete is more and more adjusted to flowable consistencies. This often goes along with the risk of segregation, which can be effectively avoided by adding stabilising agents supplementary to superplasticizers. Stabilising agents are typically based on polysaccharides such as cellulose, sphingan gum, or starch. Starch clearly distinguishes in its effect on rheology from other polysaccharides, mainly due to the strong influence of amylopectin on the dispersion and stabilisation of particles. Based on rheometric investigations on cementitious and limestone based dispersions with different volumetric water to solid ratios, the mode of operation of modified potato starch is explained in comparison to a sphingan gum. It is shown that the stabilising effect of starch in a coarsely dispersed system is mainly depending upon the water to solid ratio and that above a certain particle volume threshold starch mainly affects the dynamic yield stress of dispersions, while plastic viscosity is affected only to a minor degree. Sphingans operate more independent of the particle volume in a coarsely dispersed system and show significantly higher effect on the plastic viscosity than on the yield stress. In systems incorporating superplasticizers, influences of both stabilising agents on yield stress retreat into the background, while both observed polysaccharides maintain their effect on the plastic viscosity.
Todays superplasticizers for self-compacting concrete and high Performance cementitious materials are very versatile. Typically superplasticizers are composed of a polycarboxylic backbone equipped with polyethylene oxide graft chains of variable length and grafting degree. The mode of operation of these admixtures is based on the steric repulsion of the particles upon adsorption. The adsorption is strongly depending upon the charge density of a superplasticizer and the time dependent Adsorption processes control the retention of the flow performance – an important issue particularly for ready-mix and construction site concrete. However, the properties of polycarboxylic superplasticizers typically remain a black box for users. The paper suggests a simple and rapid test method, which can be conducted without sophisticated equipment, to qualitatively distinguish between two types of superplasticizers based on the adsorption mechanism. Interpreting the results in the right way provides a powerful tool to choose the right admixture for individual time dependent flow specifications.
Die vorstehend dargestellten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Mit dem für die mechanische Vorschädigung entwickelten Versuchsstand und gewählten Prüfregime können die für die ermüdungsinduzierte Schadensevolution typische stabilisierende und stabile Phase in der auf Zug beanspruchten Betonrandzone gut abgebildet werden. So wurde dort zum Beispiel, ausgehend von dem hier gewählten praxisnahen Belastungsregime, mit Ultraschall in der Ruhephase durch das Trockenschwingen ein maximaler Abfall des relativen dynamischen E-Moduls von ca. 8 - 10 % ermittelt.
• Mit aufbauenden kapillaren Aufsaugversuchen wurde gezeigt, dass die erzeugte Betondegradation zu einer moderaten Erhöhung der Aufnahme des Prüfmediums führt.
• Zur Bewertung der Auswirkungen einer alleinigen Vorschädigung (Trockenschwingen) auf die schädigende AKR mittels Performance-Prüfung ist die Klimawechsellagerung aufgrund der einseitigen Tausalzbeaufschlagung am besten geeignet. Die hier ermittelten Dehnungsverläufe lassen auf einen moderaten Einfluss der mechanischen Vorschädigung auf die AKR schließen.
• Die zusätzlich im Kontext der Nasschwingversuche durchgeführten 60°C Betonversuche zeigen, dass die zyklische Beanspruchung vor und nach dem Aufbringen der Tausalzlösung die schädigende AKR gleichfalls moderat erhöht.
In derzeit laufenden ergänzenden Untersuchungen wird der separate Einfluss der ermüdungsinduzierten Rissbildung auf die schädigende AKR an homogen, stärker geschädigten Prüfkörpern mit einem hohen inneren AKR-Schädigungspotenzial im 60°C Betonversuch grundhaft analysiert. Zusätzlich wird gegenwärtig der Einfluss der degradierten Betonrandzone auf die Dehnungsverteilung an großformatigen Prüfkörpern
über die Höhe im 40°C Betonversuch vertiefend für die makroskopische Modellierung untersucht.
UHPC (engl. ultra-high-performance concrete) bietet außergewöhnliche Eigenschaften, die sich durch eine optimierte Wärmebehandlung weiter verbessern lassen. Wie bei normalen Beton beschleunigt eine Wärmebehandlung den Aushärteprozess und reduziert das Schrumpfen. Durch Ausbildung eines dichteren Gefüges wird weiterhin die Druckfestigkeit und die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen erhöht.
Die Art der Wärmebehandlung wird durch die Parameter: Temperatur, Druck, Wasserdampfsättigung und Dauer definiert und hat einen entscheiden Einfluss auf die Phasenentwicklung und damit auf die makro- und mikroskopischen Eigenschaften des UHPCs. Auch die Dauer und Art der Vorlagerung des UHPCs vor der thermischen Behandlung sind von Bedeutung.
Ziel der vorgestellten Untersuchung war der Vergleich und die Optimierung verschiedener Wärmebehandlungsarten mit Blick auf die Druckfestigkeits- und Phasenentwicklung. Dafür wurden UHPC-Zylinder und Prismen hergestellt und ungeschützt bzw. in Folie eingeschweißt bei 90 °C im Ofen, im Heißwasserbad, sowie alternativ bei 185 °C und 1.1 MPa im Autoklaven wärmebehandelt. Zusätzlich wurde die Vorlagerungs- und die Behandlungszeit systematisch variiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine praxisnahe Wärmebehandlung im Ofen (kurze Vorlagerungs- und Behandlungszeit, Verdunstungsschutz durch Einschweißen in Folie) zwar zu einer stark erhöhten Frühfestigkeit führt, aber die Langzeitfestigkeit wird nicht signifikant erhöht. Erst längere Behandlungszeiten verbunden mit intensiviertem Schutz gegen das Austrocknen führen darüber hinaus zu deutlich erhöhten Langzeitfestigkeiten. Nach der Autoklavierung dagegen wurden Festigkeitszuwächse von bis zu 30 % gemessen.
Die röntgenographisch nachgewiesene Phasenentwicklung wird in beiden Behandlungsarten durch die Limitierung des zur Verfügung stehenden Wassers bestimmt. Bei der Wärmebehandlung im Ofen wird das durch den Ettringitzerfall freigesetzte Wasser für die puzzolanische Reaktion der Mikrosilika verbraucht, reicht aber für eine weitere Reaktion der Klinkerphasen nicht aus. Bei der hydrothermalen Behandlung dagegen zeigen die Veränderungen im Phasenbestand sowohl eine Intensivierung der puzzolanischen als auch der hydraulischen Reaktion. Der für autoklavierte Baustoffe charakteristische Tobermorit konnte jedoch nicht im Probeninneren, sondern nur als Belag auf der Probenoberfläche nachgewiesen werden. Ursächlich hierfür ist vermutlich wiederum das zu geringe Wasserangebot im Gefüge des UHPC.
Fatigue induced degradation in pavement concrete and its effect on the alkali-silica reaction
(2018)
In recent years the German motorway network has seen an increase in the occurrence of damage to concrete road surfaces that can be attributed to the alkali-silica reaction (ASR). In view of the often drastically reduced service life of road surfaces due to ASR, research activity in this field has notably increased. Alongside preventative measures in concrete technology i.e. the usage of low-alkali cements, the main research focus up to now has been on the development of performance-oriented testing procedures for ASR prevention. The effects of mechanicallyinduced damage resulting from cyclic traffic and climatic loading have previously not been taken into consideration.
The assessment of the myriad degradation and transport processes necessary for an understanding of these effects requires close interaction between experiments and corresponding multi-scale models. This contribution is focused on the experiments utilizing innovative testing techniques. The research is founded on a series of fatigue tests performed on large-scale beams with simultaneous tracking of the degradation process using non-destructive evaluation methods. Subsequently, smaller test specimens were extracted from the predamaged beams for further experiments. These experiments included investigation of the influence of fatigue-induced cracks on moisture and alkali transport. Subsequent storage of the small-scale test specimens, with and without cyclic pre-damage, in an ASR-conducive environment then provided initial findings on the influence of fatigue-induced degradation on the ASR.
The results show that the degradation process can be well observed with the test Setup developed for the fatigue experiments. Further, a small but noticeable increase of mass Transport due to fatigue-induced degradation was measured, which correspondingly indicated an increased ASR damage potential.
The susceptibility of concrete structures due to alkali–silica reaction (ASR) can be assessed by means of ASR concrete prism testing at 60 °C, according to RILEM AAR 4.1. There, expansion of concrete prisms indicates alkali-reactivity of the examined concrete mix. This work applies in situ expansion measurement to accelerated concrete prism testing. Automated measuring facilitates both storage without the usually necessary interruptions for manual measurement and acquisition of quasi-continuousexpansion data. A comparative experimental programme showed that conventional testing resulted in stronger expansion and leaching of alkalis than automated testing. Experimental simulation of interruptions, typically associated with manual measurements in conventional testing, could prove the influence of these cooling–heating cycles. Two phenomenological approaches, frequently used for describing reaction kinetics of ASR by linking it to expansion results from ASR-testing, were validated with continuous expansion data of three types of aggregate. Experimental expansion depicted s-shaped curves similar to them of the modelling approaches. However, strong swelling recorded in the beginning of the test was not covered by the model curves. Auxiliary measurement of acoustic emissions and ultrasonic velocity helped characterising mechanisms such as hydration and cracking, which also influence prism expansion. The proposed modification of the measurement procedure provides an extended basis to analyse expansion mechanisms. Regarding data for validation of ASR-expansion models, continuous expansion results are preferable to conventional test results.
The aim of this study was to develop a lightweight composite facade element for new buildings and for the refurbishment of existing facades. These composite elements have been developed combining an insulation layer of autoclaved aerated concrete (AAC) with an external ultrahighperformance concrete (UHPC) supporting layer. This solution allows avoiding the use of connectors and facilitates the production procedure. The structural behavior of the facade elements is mainly influenced by the presence of the upturning edges that are able to increase the stiffness of the element and reduce the thickness of the external layer. The insulation material has no influence on the structural behavior of the UHPC boxes. Flexural tests were carried out to investigate a potential detachment of the external layer from the upturning edge. The photogrammetric Analysis used during the flexural tests essentially confirmed that the bond between the two UHPC layers cast in two steps is reliable. The quality of the bond between the external layer and the upturning edge is a key parameter to define the bearing capacity of the element.
The accelerated concrete prism test (ACPT-60 °C) facilitates testing of alkali-silica reactivity of aggregates within five months. Manual measurement is usually conducted to determine expansion of test specimen every 28 days. This conventional procedure gives only limited insight to expansion behaviour of ASR-affected prisms. Due to the large time intervals, expansion exceeding the critical value of 0.3 mm/m is likely to be noticed late. Continuous recording resolves this problem and delivers beneficial information on the shape of the expansion curve.
Displacement transducers integrated into a special testing equipment developed at BAM put continuous measurement into practice. Additionally, ultrasonic velocity and acoustic emissions are measured in-situ and provide deeper insights into hydration and crack formation processes during the test.
Aiming for an automated testing method close to the German guideline, the following technical and methodical challenges arise. Changing of the vertical orientation of the prisms with every manual measurement as standardised cannot be implemented. Furthermore, preliminary results already proved true that cooling and heating cycles, as necessarily associated with each manual measurement, can evoke additional expansion. Therefore, interrupted and continuously measured expansions reveal systematic differences, indicating the necessity to adjust the threshold expansion value for automated testing.
Results presented in the paper: Different types of reactive aggregate have been tested applying continuous and manual expansion measurement to the concrete specimens. Development of continuously measured ultrasonic velocity and acoustic emissions of the aggregates tested diverge significantly while the expansion curves vary in shape and maximum strain. Prisms produced from a slowly reacting aggregate do not exhibit noticeable crack formation. It shows that comprehensive measuring helps describing and distinguishing ASR-damage mechanisms.
Models of ASR-induced expansion, available in the open literature, so far are validated with discontinuous data hardly tracing the modelled curve. Continuous measurement improves validation and further model development.
High resolution synchrotron X-ray diffraction (SyXRD) was applied for a microstructural profile analysis of concrete deterioration after sulfate attack. The cement matrices consist of ordinary Portland cement and different amounts of supplementary cementitious materials, such as fly ash, natural pozzolana and granulated blast furnace slag. The changes of the phase composition were determined along the direction of sulfate ingress. This approach allows the identification of reaction fronts and zones of different phase compositions and conclusions about the mechanisms of sulfate attack. Two reaction fronts were localized in the initial 4 mm from the sample surface. The mechanism of deterioration caused by the exposition in the sulfate-bearing soil is discussed. SyXRD is shown to be a reliable method for investigation of cementitious materials with aggregates embedded in natural environments.