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Die zuverlässige Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen zwei Betonen unterschiedlichen Alters ist von großer Bedeutung für die Bemessung. Die Bewertung der Rauigkeit einer Betonoberfläche erfolgt über den Vergleichswert der mittleren Rautiefe. Als Standardverfahren für die Ermittlung der Rautiefe gilt das Sandflächenverfahren nach Kaufmann. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Rautiefe von Betonoberflächen sowie zur Erweiterung der Anwendung auf vertikale und geneigte Oberflächen wurden alternative Messverfahren entwickelt, die auf optischen Messmethoden basieren. Solche Verfahren sind beispielsweise die Laser-Triangulation oder die Photogrammetrie. Im vorliegenden Beitrag wird die Anwendung der zuvor genannten Verfahren zur Ermittlung der Rauigkeit beschrieben. Im Rahmen von Untersuchungen an Deckenplatten mit Gitterträgern werden die Verfahren anschließend an aufgerauten Betonoberflächen vergleichend angewendet.
The most common method for determination of the carbonation depth is the sprayed application of indicator solutions, Phenolphthalein in particular. Since the aerosols of Phenolphthalein are suspected to be carcinogenic, efforts have been intensified to use alternative indicators for the determination of carbonation depth. The subject and aim of this research paper are to examine indicator solutions from Alizarin Yellow R, Thymol Blue and a Mixed Indicator. These indicator solutions are commercially available and are not suspected to be carcinogenic.
For the purpose of this research, samples previously stored under accelerated carbonation conditions (1% CO2) were examined by thermogravimetric analysis (TGA) and examination of the pH value. Additionally, the electrolytic back-titration for determination of total CO2 amount was carried out comparatively to TGA.
In general, pH-sensitive colorants such as phenolphthalein are applied on freshly split surfaces of building structures to determine the state of carbonation. For years, it has been known that the aerosols of phenolphthalein are suspected of being carcinogenic. Hence, more work has currently being done on alternative indicators for the use in research and the use on construction sites. Over the past years, mainly pH indicators from other research areas and natural dyes were investigated for their usability to cementitious systems. This paper presents the experimental results of using phenolphthalein solution bound in agar-agar gel. This gel-bound indicator allows the future use of the already known phenolphthalein dye without the health hazards for the user. To demonstrate the flexibility of the gel-bound colorant, different application forms of the indicator were carried out and assessed. In addition, the results obtained by the different methods were statistically evaluated to ensure validity.
The accuracy of the results was confirmed by thermogravimetric analysis and IR spectroscopic studies as reference methods. It has also succeeded to demonstrate the comparability of the results achieved by the gel-bound colorant with the results of the common sprayed application method. As an additional gain in knowledge, comparative results of indicator tests, TGA analysis, and FTIR investigation are shown.
For several years, optical measuring techniques play an ever increasing role in various areas of construction. Applications ränge from simple laser-based distance measurements up to the use of advanced camera Systems to assess shape changes of components. The advantages of such Systems lie in the ränge of non-contact respectively in non-destructive measurement and in the high required accuracy and reproducibility. The continuous improvement and development of sensors and laser sources also opens constantly new applications and areas of applications. Already established measurement methods and technologies can be further developed and adapted to modern requirements. At BAM it is a laser-based measurement System has been developed that is capable to measure the roughness of component surfaces in equal to already established methods.
Die Charakterisierung von Oberflächen mittels optischer Technologien wird dank des ständigen Fortschritts bei der Entwicklung von Sensoren und Lichtquellen immer attraktiver. Die kommerziell erhältlichen Systeme werden dabei immer leistungsstarker, empfindlicher und genauer. Mit diesen Systemen ist es möglich, viele hundert Messpunkte innerhalb weniger Sekunden zu erfassen und auszuwerten. Dieser Fortschritt führt auch im Baubereich zu einer ständigen Weiterentwicklung und Verbesserung von Messmethoden und Systemen. So werden bereits standardisierte und angewandte Messprinzipien weiterentwickelt, den neuen Möglichkeiten angepasst und deren Anwendung auf neue Bereiche ausgeweitet. An der BAM ist es gelungen ein Messsystem zu entwickeln, mit dem Rautiefen von Bauteiloberflächen in Anlehnung an bereits standardisierte Verfahren bestimmt werden können. Mit dem Mer vorgestellten System können sowohl horizontale als auch vertikale, gewölbte und geneigte Oberflächen untersucht werden. Dank der Implementierung geeigneter Algorithmen entsprechen die vom System ausgegebenen Ergebnisse denen der seit Jahrzehnten mit den volumetrischen Messverfahren erzielten Ergebnisse. Vor allem bei der Instandsetzung von Bauwerken bringt das an der BAM entwickelte System erhebliche Vorteile, da es zukünftig auch möglich sein wird Wände und Decken genauer zu untersuchen.
Die Funktionalität und Dauerhaftigkeit von Instandsetzungs- und Verstärkungssystemen an Bauwerken hängt in einem hohen Maß von der Beschaffenheit der Bauteiloberfläche ab. Als aussagekräftiger Parameter bei der Instandsetzung dient hierbei die Rauigkeit oder Rautiefe. Die Bestimmung der Rautiefe wird im Baubereich seit vielen Jahrzehnten unter Verwendung des Sandflächenverfahrens durchgeführt. Dieses volumetrische Messverfahren hat sich als robust und sehr praktikabel erwiesen. Es ist vergleichsweise einfach und ohne größeren Kostenaufwand umsetzbar. Dennoch weist es einige Schwächen in der Anwendung auf. Der größte Mangel ist die Beschränkung auf horizontale, trockene Oberflächen. Sowohl auf vertikalen, geneigten oder gekrümmten Oberflächen als auch „über Kopf1 lässt sich dieses Verfahren nicht anwenden. Bedingt durch verschiedene nationale Normen und unterschiedliche Anwendungsbereiche, weichen sowohl die zu verwendenden Prüfmittel als auch die zu ermittelnden Kenngrößen stark voneinander ab. Dies macht eine genaue Kenntnis über die verschiedenen Vorschriften und deren Inhalte notwendig. Ein weiterer Nachteil ist die, durch das Verfahren bedingte, starke Streuung über den „Prüfereinfluss“ in den zu erzielenden Ergebnissen. Untersuchungen zur Wiederholgenauigkeit ergaben Schwankungen von bis zu 20 Prozent in Abhängigkeit von Prüfer und Prüfvorschrift. An der BAM wurde deshalb ein automatisiertes Messsystem entwickelt,
Die Bestimmung der Rauheit von Bauteiloberflächen stellt eine wichtige Messaufgabe im Bauwesen dar. Vor allem bei der Betoninstandsetzung, im Straßenbau und bei der Herstellung von Stahlbeton-Halbfertigteilen ist die Rauheit – gemessen als Rautiefe – eine wichtige Kenngröße. Zurzeit werden Messungen der Rautiefe mittels volumetrischer Verfahren (Sandflächenverfahren) durchgeführt. Diese bereits seit mehreren Jahrzehnten angewandten Verfahren sind jedoch auf horizontale bzw. wenig geneigte und trockene Oberflächen beschränkt. Darüber hinaus hängen die erzielten Ergebnisse sehr stark von der angewandten Prüfvorschrift, den darin vorgeschriebenen Prüfmitteln und Geräten und dem jeweiligen Anwender ab.
Als Alternative zu den volumetrischen Verfahren wurde an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein automatisiertes, laserbasiertes Messverfahren entwickelt, mit dem Rautiefen von Bauteiloberflächen in Anlehnung an bereits standardisierte Verfahren bestimmt werden können. Der vorliegende Beitrag befasst sich zunächst mit den konventionellen Prüfverfahren, beschreibt die wichtigsten Zusammenhänge und zeigt die Grenzen dieser Methoden auf. Im zweiten Teil wird das an der BAM entwickeltes Messsystem, als zielführendes Alternativverfahren für die konventionellen Methoden, vorgestellt und dessen Leistungsfähigkeit näher beschrieben.
The thermal gravimetric analysis (TG) is a common method for the examination of the carbonation progress of cement-based materials. Unfortunately, the thermal properties of some components complicate the evaluation of TG results. Various hydrate phases, like ettringite (AFt), C-S-H and AFm decompose almost simultaneously in the temperature range up to 200 °C. Additionally, physical bound water is released in the same temperature range. In the temperature range between 450 °C and 600 °C the decomposition of calcium hydroxide and amorphous or weakly bound carbonates takes place simultaneously. Carbonates, like calcite, from limestone powder or other additives may be already contained in the noncarbonated sample material. For this research an attempt was made to minimise the influence of these effects. Therefore, differential curves from DTG-results of non-carbonated areas and areas with various states of carbonation of the same sample material were calculated and evaluated. Concretes based on three different types of cement were produced and stored under accelerated carbonation conditions (1 % CO2 in air). The required sample material was obtained by cutting slices from various depth of previously CO2-treated specimen and subsequent grinding. During the sample preparation, a special attention was paid that no additional carbonation processes took place. As reference method for the determination of the carbonation depth the sprayed application of phenolphthalein solution was carried out. Microscopic analysis where examined to confirm the assumptions made previously. Furthermore, the observed effect of encapsulation of calcium hydroxide by carbonates caused by the accelerated carbonation conditions was examined more closely.
In urbanen Zentren schreitet die Versiegelung von Oberflächen voran. Ursache ist die stetige Zunahme moderner Infrastruktur. Straßen und Plätze heizen sich stärker auf und begünstigen die Entstehung von Hitzeinseln (Urban Heat Island Effect). Dies wirkt sich zunehmend negativ auf die Lebensqualität innerhalb dieser Städte aus. Einen möglichen Lösungsansatz zur Abschwächung dieses Effekts bietet die Entwicklung von Betonpflastersteinen mit erweiterten Leistungsmerkmalen. Der Einsatz von wasserspeichernden Materialien kann zur Verringerung der Oberflächentemperatur durch Ausnutzung von Verdunstungskälte einen Beitrag leisten. Die speziellen Anforderungen an die Pflastersteine bedürfen genauerer Untersuchungen, wobei diese über den Umfang der Standardprüfungen hinausgehen und eine entsprechende Anpassung der Messtechnik zum Nachweis der Wirksamkeit erforderlich machen. Da die selbstkühlenden Pflastersteine nach dem Prinzip der Verdunstung arbeiten, ist sowohl die Fähigkeit der Speicherung als auch die Fähigkeit zur kontinuierlichen Abgabe von Wasser nachzuweisen. Der kühlende Effekt in Bezug auf Oberfläche und Umgebung steht dabei im Vordergrund. Des Weiteren sind Untersuchungen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen sowohl unter Laborbedingungen als auch im Freifeldversuch durchzuführen. Die Prüfung der Druckfestigkeit und der kapillaren Wasseraufnahme und des sind ebenfalls Bestandteil der umfangreichen Untersuchungen. Durch den Einsatz von thermischer Messtechnik sowie mechanischer Prüfungen und Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit ist es möglich eine Charakterisierung der Pflastersteine vorzunehmen und deren prinzipielle Funktionalität nachzuweisen. In diesem Beitrag werden die verschiedenen Möglichkeiten und die daraus resultierenden Ergebnisse vorgestellt und so Schlüsse zur Funktion und Anwendbarkeit von derartig modifizierten Betonpflastersteinen gezogen.
In the last several decades, the rural exodus has led to an increasing number of inhabitants in the urban areas. The increased building and infrastructural construction caused the transformation of the landscape and to an increased land sealing in these areas. Consequently, the increased land sealing influences the air temperatures in the cities, since houses, streets and squares heat up continuously. As a result, the city and metropolitan areas became significantly warmer than their surroundings - the effect is known as Urban Heat Island (UHI). These changes have a negative impact for the quality of life. To deal with the negative effects of UHI, a high level of technical and financial effort is necessary. The costs caused by the UHI effects are in the range of several billion US dollars worldwide per year. The recent studies on UHI showed that the established methods like parks and green spaces or bright coatings for roof areas will soon not be able to effectively cope with the UHI effect in urban areas. Therefore there is a need for additional methods to mitigate UHI effect in the cities. The streets, sidewalks and squares represent approximately 30% to 40% of the inner cities areas. If these areas are designed functionally, they can have a significant impact on the UHI. This contribution focuses on development of a concrete paving stone with self-cooling properties. For the cooling effect the evaporative cooling is used. The paving stone is able to store large quantities of water and deliver during appropriate environmental conditions. This paper deals with the results of the long-term experiments on the test-fields under different climatic conditions. To interpret the test-field-results, laboratory tests were carried out as well. The paper presents and discuss the obtained results, and points out the difficulties occurred.
Properties of alkali-activated mortars with salt aggregate for sealing structures in evaporite rock
(2021)
Concrete structures for sealing of tunnels in the host rock are an essential part of systems for nuclear waste storage. However, concretes based on blended cements or magnesium oxychloride cements, which are commonly considered for this application, can deteriorate severely due to a significant heat of hydration and associated deformation and cracking. Alkali-activated materials (AAMs) offer a potential solution to this problem because of their low heat release during hardening. To explore their suitability for the construction of sealing structures in evaporite rock, various AAMs with salt aggregate were studied regarding fresh properties, heat release, mechanical properties and microstructure. The heat of reaction of the AAMs was up to 55% lower than that of a blended cement designed for sealing structures, indicating significant benefits for the intended application. Other relevant properties such as mechanical strength and permeability depended strongly on the mix-design of the AAMs and curing conditions.
To ensure safety when transporting dangerous goods, it is important to specify the flow properties of the respective solid filling substance of the packagings. For this purpose, the angle of repose is currently used for the UN approvals in Germany. Measurements were carried out on 12 powdery or granular substances applying the angle of repose measuring methods customary in the test centres. The results of the methods differ significantly from each other. In addition, some of the techniques cannot be applied for very cohesive or coarse-grained materials. The results for the angle of repose show a strong scatter for some constellations (coefficient of variation more than 20 %). Safety during transport of dangerous goods cannot be guaranteed with this currently practiced system of measuring the angle of repose. As a consequence, an alternative parameter to characterize the flow properties of bulk materials should be used in the recognized test centers for dangerous goods packagings, such as the Hausner ratio. This approach leads to more precise test results for the substances examined (maximum coefficient of variation 2.8 %). It also has advantages in terms of applicability and occupational safety.
Since the flow properties are safety-relevant, both in terms of mechanical safety and safety against the release of dangerous substances, the testing practice in the recognized test labs should be improved and standardized.
While calcined clays in general have been credited with a great potential to mitigate CO2 emissions related to cement production and consumption, calcined brick clays are currently understudied in this regard. In the present work, two brick clays, a low-grade kaolinitic clay, and a mixed clay composed of 50% brick clay and 50% low-grade kaolinitic clay were studied regarding transformations on calcination, and strength and durability performance as well as pore structure of mortars made with the blended cements. All calcined clays exhibited pozzolanic reactivity, with the performance of the brick clays inferior to the low-grade kaolinitic clay. However, the mixed clay performed very similar to the low-grade kaolinitic clay, which points to a viable option for optimal use of brick clays in cementitious systems. The carbonation resistance of the blended cement mortars was generally worse than that of the plain Portland cement mortar, as expected, but the former exhibited a significantly improved chloride penetration resistance. The latter improvement was due to pore structure refinement in the blended cement mortars, compared to the Portland cement mortar.
The production of Portland cement causes a substantial environmental impact, since the calcination of limestone results in high emissions of carbon dioxide. The use of supplementary cementitious materials such as calcined clays as partial replacement for Portland cement offers a solution to limit this environmental impact. This paper investigates four clays from deposits in central Germany with the aim of obtaining pozzolans for the production of Portland-pozzolana cement. The results obtained show that the calcined clays possess pozzolanic properties, which differ depending on calcination temperature and the relative amounts of Kaolinite and 2:1 clay minerals.
The use of calcined clays as supplementary cementitious materials (SCMs) has been identified as a viable option to decrease the CO2 emissions related to cement production. However, while extensive data is available about kaolinitic clays in this context, other clays such as illitic clays appear to be under-studied. Therefore, in the present study, two illitic clays were compared to two low-grade kaolinitic clays in terms of transformations in the calcination temperature range 650–900 °C, and performance of the calcined clays in blended cement pastes as measured by strength evolution, heat release, hydrated phase formation and portlandite consumption. The illitic clays required a higher calcination temperature for complete dehydroxylation of their illite than what is necessary for dehydroxylation of kaolinite. These higher calcination temperatures also led to particle sintering, significantly decreasing the specific surface area of the illitic clays, particularly for the clay with the higher Fe2O3 content. Nevertheless, while the kaolinitic clays generally exhibited the best performance as SCM, the illitic clay with lower Fe2O3 content performed similar to the kaolinitic clays when calcined at optimum temperature and applied at a moderate substitution rate. These findings demonstrate that several different clays have the potential to be used as SCM and indicate possible routes to identify suitable deposits for this purpose.
Die Oberflächenrauheit eines Bauteils ist eine wichtige Kenngröße für zahlreiche seiner Eigenschaften. Der im Bauwesen übliche Rauheitsparameter ist die Rautiefe Rt bzw. MTD, die durch volumetrische Verfahren (Sandflächenverfahren) ermittelt wird und in zahlreichen Normen Verwendung findet. Laserbasierte Verfahren müssen deshalb eine Umrechnung der aus Oberflächenprofilen gewonnenen Informationen in Rt bzw. MTD ermöglichen. Hierzu wird i.A. ein empirischer Zusammenhang zwischen Parametern zur Beschreibung des Profils und der Rautiefe der entsprechenden Oberfläche verwendet. Der Aufsatz stellt verschiedene Rauheitsdefinitionen vor und vergleicht sie miteinander. Es wird ferner gezeigt, dass die nach verschiedenen Prüfvorschriften ermittelten Rautiefen voneinander abweichen. Das Vorgehen bei der Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Profilparametern und Rautiefen nach einem volumetrischen Verfahren wird demonstriert und der Stand der laufenden Entwicklung eines Prüfgeräts auf Basis eines Linienlasers vorgestellt.
Rising temperatures worldwide pose an increasing challenge for safe and healthy living conditions. Particularly inner cities have been affected by these environmental changes because of the materials used to build houses, streets and infrastructure. The most common building material is concrete. It shows a specific heat capacity, while the heat conductivity for Standard concrete is low. Thus, the use of concrete generates a high capacity of heat storage. In addition, extensive soil sealing also contributes to the temperature rise of inner city areas compared to
their surroundings. To mitigate this so-called urban heat island effect, a self-cooling concrete paver was developed. This paver is able to store water. The evaporation of the water at elevated temperatures provides a cooling effect. This paper focuses on determination of this new paver’s capability to cool the surface and the surrounding. The new paver’s cooling Qualities were analysed in a series of laboratory tests. To prove the results outside of laboratory conditions, two fields (12 m × 8 m) with self-cooling and reference pavers were installed in Spain.
This paper presents and discusses the results of the tests. Correlation between reduced surface temperature of the self-cooling concrete pavers and the air temperature is examined.