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Paper des Monats
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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.
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.
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.
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.
Der Einsatz von Sekundärrohstoffen im Betonbau kann einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen Ressourcenwirtschaft im Bauwesen leisten. Sekundärrohstoffe (Recycling-Baustoffe, RC-Baustoffe) finden bereits Anwendung als Roh- bzw. Brennstoffe in der Portlandzementklinkerherstellung, als Zementbestandteile, als Betonzusatzstoffe sowie als sekundäre Gesteinskörnungen in Beton. In einem Teilprojekt des DAfStb/BMBF-Verbundforschungsvorhabens 'Nachhaltig Bauen mit Beton' wurde das Einsatzpotenzial von Sekundärrohstoffen in Beton untersucht. Hierbei spielen sowohl technische als auch ökologische und ökonomische Fragestellungen eine wichtige Rolle. Vor diesem Hintergrund wurde eine Bewertungsgrundlage mit ganzheitlicher Betrachtung von Nachhaltigkeitsaspekten (Technik, Ökologie, Ökonomie) ausgearbeitet. Dieses Bewertungskonzept umfasst die vier Bewertungsschritte: I. Grundsätzliche Überlegungen, II. Vorteile für das nachhaltige Bauen, III. Alternative Bewertungswege und IV. Sensitivitätsanalysen. Das Bewertungskonzept wurde am Beispiel der bereits im Betonbau eingesetzten rezyklierten Gesteinskörnungen entwickelt.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nowadays there are several applications of secondary mineral materials and residues. In the framework of the German research project 'Sustainable Building with Concrete', a concept to assess the applicability of already used and new secondary materials in concrete has been developed. It considers sustainability aspects and includes the following four assessment steps: I. Basic considerations, II. Advantages for sustainable construction, III. Alternative paths of application, and IV. Sensitivity analysis. Depending on changing technical, ecological and economic aspects, the assessment has to be performed for changed technical, ecological and economic conditions as necessity arises.
This paper presents the results of an
experimental study on the transient strain of high
strength concrete (HSC) under heating up to 750 °C
and the impact of polypropylene (PP) fibers. Concerning
this topic only few results are available in the
literature and systematic investigations are missing.
However, basic knowledge is necessary for the
understanding of the internal damage processes in
the material as well as for heated structures. The
transient strain during heating can be separated in two
basic components: the free thermal strain and the
mechanical strain. They were experimentally determined
exemplarily for one HSC. For the determination
of the mechanisms of transient strain and particularly
the influence of PP fibers different techniques were
applied. In this context the monitoring of the microcracking
was done for the first time with acoustic
emission analysis in combination with ultrasonic
measurements. This new approach helps fundamentally
to explain the impact of PP fibers on free thermal
strain and mechanical strain during heating up.
Furthermore weight loss measurements were carried
out to characterize the moisture transport. It was
shown that the PP fibers cause an acceleration of the
moisture transport in the temperature range from 200
to 250 °C which leads to drying shrinkage in opposite
direction to the free thermal strain. Hence this paper is
a contribution to the general understanding of the
impact of PP fibers in HSC at high temperatures and
emphasizes the important influence of PP fibers on the
thermal and mechanical induced strain of HSC.
Der 60 °C-Betonversuch ist eine in Deutschland und international verbreitete Methode um die Empfindlichkeit von Gesteinskörnungen und Betonen hinsichtlich einer Alkali-Kieselsäure Reaktion (AKR) zu prüfen. Dieser Beitrag stellt eine neuentwickelte automatisierte Variante der Prüfmethode in einem Minireaktor vor. Dabei werden die Dehnungen von Betonprismen nicht, wie beim konventionellen Test manuell, sondern automatisch in entsprechend ausgerüsteten Prüfbehältern gemessen. Neben einer Reduzierung des Messaufwands bringt die automatisierte Prüfung im Minireaktor weitere Vorteile. Die Dehnungssignale werden, anders als bei der konventionellen Messung, quasi-kontinuierlich aufgezeichnet und bilden das Expansionsverhalten der Prismen detailliert ab. Außerdem bleiben Unterbrechungen der AKR-provozierenden Lagerung aus, die bei der konventionellen Prüfung notwendig sind. Im Beitrag werden die automatisierte und konventionelle Prüfung anhand der Dehnungen von Prismen zweier Gesteinskörnungen verglichen. In Übereinstimmung mit vorhergehenden Untersuchungen sind im Minireaktor gemessene Dehnungen systematisch kleiner als manuell gemessene. Als mögliche Ursache werden Unterschiede im Auslaugverhalten experimentell untersucht. Zur Überprüfung der Einstufung der zwei Gesteinskörnungen erfolgen außerdem Referenzprüfungen in der Nebelkammerlagerung bei 40 °C.
Einfluss einer druckschwellinduzierten Degradation von Fahrbahndeckenbeton auf die schädigende AKR
(2020)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Neben dem AKR-fördernden Einfluss von alkalihaltigen Taumitteln werden Fahrbahndecken zyklischen mechanischen Belastungen infolge des Verkehrs und Zwangsspannungen durch klimatische Einwirkungen ausgesetzt. Solche mechanischen Belastungen werden bisher in keinem AKR-Prüfverfahren berücksichtigt. Die zyklischen Belastungen können zu einer Degradation des Betongefüges führen, die ggf. einen AKR-fördernden Einfluss hat. Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, die zur Beantwortung der Frage nach dem Einfluss einer zyklischen mechanischen Belastung auf den AKR-Schadensprozess beitragen. Dabei wird der Hypothese nachgegangen, dass die ermüdungsinduzierte Degradation zu einer Erhöhung des Stofftransports führt.
Dieser hat einen Einfluss auf die AKR-Schadensentwicklung, da die Reaktionspartner zunächst zum Reaktionsort transportiert werden müssen. Daher wird angenommen, dass sich mit dem Stofftransport auch die AKR-Schädigung verstärkt. Es werden Betonproben aus typischen Fahrbahndeckenbetonen einer vorgeschalteten zyklischen Druckschwellbelastung ausgesetzt.
Die Degradation infolge der Vorbelastung wird simultan mittels ZfP-Verfahren charakterisiert. Anschließend werden die Auswirkungen der zyklischen Vorschädigung auf den Stofftransport sowie auf die AKR vergleichend an Prüfkörpern ohne und mit Vorschädigung untersucht. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die zyklische Vorschädigung sowohl den Stofftransport als auch die AKR fördert.
Cultural Heritage objects are in many cases invaluable and irrecoverable, therefore their protection is a prior goal. One threat arises by intentionally defacing such objects with graffiti. One possibility to face the imminent threat is the application of a surface protection in form of anti-graffiti systems (AGS). However, the knowledge about the performance and durability of AGS on substrates used for historical buildings is still fragmented. The goal of the presented study was to investigate the performance of a newly developed agent in comparison to a selection of commercial anti-graffiti agents on different substrates, which were used for historical buildings. Four commercial anti-graffiti agents with different chemical formulations were selected and tested with the new agent on different stone and brick substrates. The results showed clearly that AGS based on dense, water vapour impermeable coatings are not suitable to porous substrates such as sandstone, brick or porous limestone due to their impair of the hygric properties and the visual appearance of a substrate. The new agent could not completely reach the cleaning efficacy of the dense coatings but exhibited a much lower impact on the properties of the substrate and was therefore better compatible to historical surfaces.