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Organisationseinheit der BAM
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Natürliche Prozesse laufen im Kreislauf ab. Auf Vergehen folgt gleichwertiges Entstehen. Solch ein Zirkularitätsprinzip ist im Tragwerksbau nicht verankert. Nach Nutzungsende werden Bauwerke abgebrochen, falls möglich zerlegt und recycelt. Besonders davon betroffen ist die Stahlbetonbauweise mit ihrem enormen Baubestand. Abbruch löst ein fatales Downcycling aus, mit minderwertigem Betoneinsatz als Schüttgut oder Deponierung. Selten besiegeln dabei Tragfähigkeitsdefizite das Nutzungsende, vielmehr sind Nutzungseinschränkungen oder baurechtliche Schranken ausschlaggebend. Die Folgen sind eine enorme Verschwendung an Ressourcen wie Sand oder Kies, Treibhausgasemission zur Aufbereitung und Abfall. Wiederverwenden (engl. reuse) bedeutet ein erneutes Nutzen von Stahlbeton als Bauteil (Modul). Nicht mehr genutzte Tragwerke werden dazu in die noch tragfähigen Anteile zerlegt, in ihren Eigenschaften charakterisiert, aufgearbeitet und baukastenartig zu neuen Tragwerken zusammengefügt. Es entsteht ein kreislauffähiges Modulsystem. Der Sonderforschungsbereich 1683 mit Sprecherschaft an der Ruhr‐Universität Bochum befasst sich mit dieser Art der modularen Wiederverwendung und erarbeitet Entwurfs‐ und Reparaturkonzepte für Tragwerke aus wiederverwendetem Stahlbeton, automatisierte Charakterisierungs‐ und Aufarbeitungsverfahren sowie Prozessmethoden für Logistik, Dekonstruktion und die Nachhaltigkeitsbewertung. Der Beitrag stellt die Konzepte und Demonstratoren möglicher Tragwerke vor.
A comprehensive analysis aimed at understanding and assessing the high-temperature behavior of concretes containing blended cements (CEM III/A, CEM II/B-Q, and CEM IV), characterized by low carbon-dioxide emissions (during clinker’s production) is necessary to reliably model the damage in the concrete, thermal spalling included. To this purpose, a numerical chemo-thermo-hygro-mechanical model is formulated, to investigate – among other phenomena – heat transmission and pore pressure for different aggregate types.
Based on an available hydration model, a dehydration model is established to numerically investigate the evolution of dehydration and porosity at elevated temperatures. Based on the properties of concrete and cement constituents on multiple scales, an analytical homogenization process is proposed to predict the thermal conductivity of the concrete. This process is later validated and implemented into a macroscopic modeling framework.
Chemo-thermo-hygro-mechanical analyses show that the dehydration characteristics of blended low carbon-dioxide release cements may increase pore pressure in the concrete by up to 13% compared to the concrete containing ordinary Portland cement. In addition, aggregates exhibiting high thermal conductivity may contribute to a further increase (even more than 35%) in pore pressure compared to aggregates with low thermal conductivity.
Last but not least, the proposed model provides the basis for the reduction of the number of the parameters commonly required in the chemo-thermo-hygro-mechanical modeling of cementitious materials.
Clinker-reduced cements are gaining in popularity as part of efforts to lower the construction industry’s CO2 footprint. Past studies showed that utilization of these cements negatively influences the fire-induced spalling behavior of concrete, which is highly influenced by thermohydraulic damage mechanisms. Therefore, thermally induced moisture transport in normal strength concretes made with different types of blended cements (CEM I, CEM II/A-LL, CEM III/A and CEM II/B-Q) was investigated by means of 1H-NMR relaxometry in combination with supportive side investigations concerning permeability and porosity. In addition, a numerical model was used to analyze in-situ moisture development during high temperature exposure. The results show that the cement type influences both initial moisture content and pore size-specific moisture distribution. This was primarily reflected in an increased water content in CEM III/A and CEM II/B-Q concretes as well as a comparable high gel pore water fraction in CEM II/B-Q concrete before heating. After heating, a similar degree of pore coarsening from gel to capillary pore was observed in all samples. Although the measurements were only conducted after, not during, high temperature exposure, the depth of the drying front and the extent of the moisture clog could be determined. With the additional numerical analysis, it can be assumed that during high temperature load, the drying front is less advanced and the moisture clog even more pronounced. In conclusion, it can be stated that the increased spalling susceptibility in blended cement concrete is caused by the lower initial permeability and increased moisture content.
