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Die geringe Zugfestigkeit von zementgebundenen Materialien kann durch die Zugabe von Fasern maßgeblich verbessert werden. Ziel eines gemeinsamen Verbundprojekts mit einem Industriepartner war die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von kurzen Polymer- und Carbonfasern durch eine Verbesserung des Verbundes zwischen Faseroberfläche und Zementsteinmatrix.
Von der IONYS AG wurde dazu eine spezielle Funktionalisierung entwickelt, die über eine Hydrophilisierung der Faseroberfläche eine chemische Anbindung an die Zementsteinmatrix gewährleistet. Aufgabe der BAM war es, die Effizienz der neuen Beschichtung bezüglich der Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit und der Reduzierung der Schwindrissbildung während der Erhärtungsphase zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Funktionalisierung die Neigung zur Schwindrissbildung für die Carbonfasern und in noch stärkerem Maße für die Polymerfasern reduziert.
Eine Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit konnte dagegen nur für die deutlich steiferen Carbonfasern nachgewiesen werden.
Composite Facade Elements with Self-Cleaning Surface made of Ultra-High-Performance Concrete (UHPC)
(2020)
In the framework of the European project H-House various concrete façade elements were developed with the aim to ensure a long service life by combining a very durable material with self-cleaning properties. The façade elements presented are made of a shell of UHPC filled with blocks of aerated autoclaved concrete as insulating material. Self-cleaning properties were realized amongst others by imprinting a microstructure into the surface during casting. The paper focuses on selected technological aspects of the manufacturing process of prototypes which had to be performed in two concreting sections. Furthermore the challenges faced when upscaling the self-cleaning properties are addressed and the strategy to assess the self-cleaning properties by measuring the contact and the roll-off angel is presented. The results show that a successfull upscalaing process requires detailed planning and that the best results can often be achieved with a moderate work effort or material use.
Elevated temperatures and high levels of air pollution in urban environments pose a significant threat to the health and life quality of inhabitants of these areas. This research aims to address these challenges by developing green façade systems using micro-algal biofilms. Both material and biological properties are assessed to optimise biofilm performance and durability. Cementitious samples with different pH levels and varying nutrient compositions are tested in combination with model microorganisms. Organism growth, health and adhesion are monitored over a 3-month period under controlled laboratory conditions.
Bioreceptive concrete surfaces: Understanding material-biology interactions for façade greening
(2024)
The climate crisis has led to a growing demand for environmentally oriented approaches in the construction industry, including not only eco-friendly materials, but also the greening of urban spaces. Microbial facade greening with algae is a novel concept based on the inherent bioreceptive properties of different building materials. This study focuses on the influence of physical material properties on biofilm formation. Differently textured samples from the same UHPC mix were produced and their roughness and water absorption documented. The samples were then weathered under laboratory conditions to observe material-algae interactions.
Earth is probably the most eco-friendly building material. However, since earthen materials dissolve in water easily their application is limited. The presented manuscript aims to verify the usefulness of a one-part geo- polymer developed at BAM as a stabilizing agent for earthen mortars. The experimental study encompasses water-resistance, compressive strength, linear shrinkage, water vapour permeability and microstructural anal- ysis of the reference and the modified earthen plaster. The presented results show that the modification visibly affects the properties of the initial material providing its water-resistance.
Several studies show that thermal and hydrothermal treatment can further improve the excellent properties of UHPC in terms of mechanical strength and durability. While for the thermal treatment the increase in strength is attributed to an intensified pozzolanic and hydraulic reaction, for the hydrothermal treatment previous studies accredited it mostly to the formation of tobermorite. In the presented study thermal and hydrothermal treatment of UHPC samples was systematically varied and the phase formation analysed related to the strength development of a reference sample cured for 28 days in water. For the thermal treatment the results show that the strength increase depends on the protection against desiccation and can be ascribed to an improved pozzolanic reaction of the siliceous fillers. To achieve a significant enhancement of strength, a pre-storage time of few days and a long dwell time at elevated temperature/pressure are required. For the hydrothermal treatment already heating the specimens up to 185 °C in saturated steam followed by an immediate cooling leads to a substantial increase in compressive strength. Pre-storage time did not affect the result as far as a minimum of several hours is guaranteed. The improved performance is due to an increase in the pozzolanic and hydraulic reaction. Surprisingly, tobermorite was only found within a very thin layer at the surface of the sample, but not in the bulk. Sulphate and aluminium stemming from the decomposition of the ettringite are bound in the newly formed phases hydroxylellestadite and hydrogarnet.
Die geringe Zugfestigkeit von zementgebundenen Materialien kann durch die Zugabe von Fasern maßgeblich verbessert werden. Ziel eines gemeinsamen Verbundprojekts mit einem Industriepartner war die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von kurzen Polymer- und Carbonfasern durch eine Verbesserung des Verbundes zwischen Faseroberfläche und Zementsteinmatrix.
Von der IONYS AG wurde dazu eine spezielle Funktionalisierung entwickelt, die über eine Hydrophilisierung der Faseroberfläche eine chemische Anbindung an die Zementsteinmatrix gewährleistet. Aufgabe der BAM war es, die Effizienz der neuen Beschichtung bezüglich der Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit und der Reduzierung der Schwindrissbildung während der Erhärtungsphase zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Funktionalisierung die Neigung zur Schwindrissbildung für die Carbonfasern und in noch stärkerem Maße für die Polymerfasern reduziert.
Eine Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit konnte dagegen nur für die deutlich steiferen Carbonfasern nachgewiesen werden.
If the amount of sulfate within the mix design for concrete is not balanced, ettringite formation which first controls solidification continues while the concrete is hardening. Ettringite forms by reaction of sulfate contained in the cement or in some admixture with calcium aluminate (C3A) as cement component. The “late primary
ettringite formation” promotes an increase in volume within the hardened concrete leading to cracks. To analyze the effect of substituting part of ordinary Portland cement (OPC) by a treated brown coal fly ash mortar bars were tested according to ASTM C452. This test method was originally developed to extrapolate from the internal to external sulfate attack and is based on the idea that by testing a concrete mixture containing sulfate the process of deterioration is accelerated because it does not have to diffuse into the concrete before reaction first. In addition to the samples prescribed in ASTM C452 further samples in the size of the German SVA procedure were tested also designed for accessing the external sulfate resistance. The results show that while the replacement of 25 % of cement by brown coal fly ash leads to length changes around the limit defined by ASTM, the substitution of 50 % cement exceeded the limit by a multiple. The progress of expansion is the very similar for the two geometries tested. In-situ XRD measurements confirmed that while for pastes made of OPC the formation of ettringite is completed after 20 hours, this is not true for the mixtures containing the brown coal fly ash.
In a different study the effect of hydrothermal treatment on the phase composition of ultra-high-performance concrete was analyzed. The results show that the sulfate and aluminate resulting from the decomposition of ettringite are bound into new phases. If this binding is permanent this might allow the larger use of sulfate bearing raw
materials.
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.
By the combination of an optimized granulometry, a reduced water cement ratio and the use of superplasticizers ultra-high performance concrete achieves a compressive strength of over 150 N/mm2 and a high resistance regarding acids and water-soluble salts. In different Research projects the effect of an autoclavation on the mechanical strength and the phase composition was analyzed. In systematic studies, the concrete mix and the process parameters were varied.
The results show that autoclavation leads to an improved pozzolanic and hydraulic reaction and significantly improves the mechanical strength compared to a conventional thermal treatment. If a minimum time-span for hydration is ensured, the achievable strength level is not dependent on the prestorage time. However, the duration of the autoclaving is significant. After the Maximum strength is reached there is only a very slight decrease, even if unrealistically long autoclaving times are applied.