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Organisationseinheit der BAM
Paper des Monats
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Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Betonfahrbahndecken unter Berücksichtigung von Verkehr und Taumitteln
(2019)
In Betonfahrbahndecken treten häufig Schäden auf, welche mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Obwohl die Hintergründe einer solchen AKR intensiv untersucht wurden, gibt es bei Betonfahrbahndecken besondere Randbedingungen, welche die Schadreaktion signifikant erhöhen können. Diese sind vor allem die Überlagerung der mikrostrukturellen Degradation durch Verkehrsbeanspruchung mit externer Alkali-Zufuhr durch Taumittel. Bisherige Untersuchungen der AKR beschränkten sich auf die Ausgangsstoffe (Gesteinskörnung, Zement, Bewertung des Betons), wobei die besonderen Randbedingungen außer Acht gelassen wurden. Betonfahrbahndecken sind zyklischen Belastungen aus Verkehr und Witterungsbedingungen ausgesetzt.
In einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt wurden die verschiedenen, gegenseitig voneinander abhängigen, Einflussfaktoren auf eine schädigende AKR in Betonfahrbahndecken sowohl experimentell untersucht als auch numerisch modelliert. Auf Mikro-Ebene wurden die AKR-bezogenen Transportprozesse innerhalb der Gesteinskörnung, sowie die Gelbildung und der Ionen-Transport, untersucht. Auf Meso-Ebene fokussierte das Projekt auf die Charakterisierung der durch zyklische Belastung induzierten Schädigung im Mikrogefüge des Betons. Des Weiteren wurde das Transportverhalten in ein derart geschädigtes Betongefüge mit und ohne Berücksichtigung des zusätzlichen Einflusses überrollender Reifen beschrieben und dessen Auswirkung auf eine AKR analysiert. Schließlich wurde auf Makro-Ebene das Risiko eines AKR-bedingten Schadens bewertet. Einige ausgewählte Ergebnisse werden in diesem Beitrag dargestellt.
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.
Wärmebehandlung und Autoklavierung von UHPC - Neue Perspektiven für die Betonfertigteilindustrie
(2011)
Das Gefüge von UHPC ist durch eine dicht gepackte und fehlstellenarme Matrix gekennzeichnet. Eine zusätzliche Optimierung ist durch eine Wärmebehandlung bzw. hydrothermale Nachbehandlung (Autoklavierung) unter einem Wasserdampfsättigungsdruck möglich. Die Wärmebehandlung von Beton ist ein in der Betonfertigteilindustrie geläufiges Verfahren, um die Erstarrungszeit zu verkürzen und höhere Frühfestigkeiten zu erreichen.
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.
This paper presents the results of an experimental study on the influence of polypropylene (PP) fibres on the thermal strain of high strength concrete (HSC) at temperatures up to 750°C. Concerning this topic only few results can be found in the literature and systematic investigations are missing. However, basic knowledge is necessary to understand the internal damage processes as well as for structural design.
To explain the differences in the thermal strain of HSC with and without addition of PP fibres the internal damage processes were investigated with acoustic emission (AE) analysis and ultrasound (US). Furthermore the weight loss was measured continuously during heating to monitor the drying of the specimen. This novel approach by combining these different methods with strain measurements at high temperatures allows the integral description of the internal damage processes. The results reveal significant differences in the thermal strain of HSC when PP fibres are added. Between 200°C and 250°C the thermal strain of HSC with PP fibres is superimposed by shrinkage caused by accelerated drying. Above 250°C it is lower than that of plain HSC without PP fibres. It is supposed that it is caused by a more homogeneous distribution of micro cracks whereby the fibre beds acting as defects in the concrete.
Hence this paper gives a contribution to the general understanding of the impact of PP fibres in HSC at high temperatures and points out the influence of the fibres on the thermal strain of HSC.