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Concrete is the most applied building material in modern times. It is present in all kinds of structures and no other material secms to rcplace concrete as the most selected building material in the near future. The prime advantages are the high performance, the easy production and a facile processability. The sustainability and durability are important requirements to concrete. Even if concrete is significantly less susceptible against factors promoting a damage, compared to other materials, there are still mechanisms affecting it. In particular, high-ways and hydraulic structures made of concrete worldwide show cases of alkali-silica reaction (ASR) damages. This article refers to experience at BAM Federal InstituteforMaterials Research and Testing for several decades to ASR research and darnage assessment. ASR is a severe darnage mechanism that can occur in concrete, when certain conditions related to composition and cxposition arise in a critical combination. The chemical reaction is based on the alkalis and the silica in the concrete and was first identified by Stanton in highway structures in California (Stanton, 1940). Actually three components are needed to initiate ASR: alkali-sensitive siliceous aggregates, alkalis coming from internal (cement or other components) or external sources (de-icing salt or sea water) and water. If all of these components are sufficiently present an alkali-silica gel could be formed (Hobbs, 1988). This gel itself needs additional space when it is formed. Furthermore it is able to swell in the presence of humidity, both processes generating an expansion pressure inside the concrete. As a consequence of intensive expansion, cracks can occur, which significantly lowers thc strength of the material. Parameters like amount and chemical composition of the gel as weil as the pattern and width of cracks can help to classify the ASR darnage (Swamy, 1992). The objective of this article is to demoostrate the microscopic work on ASR affected concrete samples, carried out to assess the damaging process or to evaluate various alkali-sensitive aggregates. It will explain the approach of ASR investigation from the macroscale to microscale, starting briefly with the condition assessment, over treatment and investigations of samples in the laboratory, to the use of different microscopical and analytical techniques. In the main part the characteristic features for identifying ASR in concrete are presented by using microscopic images. Especially the emphasis lies on the role of the aggregate.
A further improvement of the excellent properties of UHPC can be realized with thermal Treatment. Like for normal concrete, it accelerates the hardening and prevents shrinkage after the treatment. Additionally, an increase in strength can be achieved. Aim of this study was the optimisation of the thermal Treatment conditions of UHPC for very different Treatment methods; heat Treatment at 90 °C for unprotected and sealed samples, hot water bath at 90 °C and hydrothermal Treatment at 185 °C/1.1 MPa. The pre-storage time and the dwell time were systematically varied for each method to gain a higher strength. The compressive strength depends on the manner of Treatment at which higher water accessibility leads to higher strengths. The Phase composition changes considerably with different Treatment tempereatures. Finally, it can activate unhydrated binder components forming additional C-S-H, leading to higher strength.
Powder X-ray diffraction is a time-consuming and challenging task, especially for preparation of sensitive phases like ettringite and calcium-silicate-hydrate (C-S-H) phases. Fine-grained ultrahigh-performance concrete (UHPC) with an average grain size <100 μm could be investigated directly without time-consuming milling. As a proof of concept, small UHPC cylinders with plain surfaces were investigated with a newly designed sample holder. The comparison with conventionally prepared powder shows the feasibility of fast qualitative phase analysis using this approach. As a great benefit, a depth-dependent analysis, as well as a comparison of surface layers and core material, was carried out.
Slags from the nonferrous metals industry have great potential to be used as feedstocks for the production of alkali-activated materials. Until now, however, only very limited information has been available about the structural characteristics of these materials. In the work presented herein, synthetic slags in the CaO–FeOx–SiO2 system, representing typical compositions of Fe-rich slags, and inorganic polymers (IPs) produced from the synthetic slags by activation with alkali Silicate solutions have been studied by means of X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy at the Fe K-edge. The iron in the slags was largely Fe2+, with an average coordination number of approximately 5 for the iron in the amorphous fraction. The increase in average oxidation number after alkali-activation was conceptualized as the consequence of slag dissolution and IP precipitation, and employed to calculate the degrees of reaction of the slags. The degree of reaction of the slags increased with increasing amorphous fraction. The iron in the IPs had an average coordination number of approximately 5; thus, IPs produced from the Fe-rich slags studied here are not Fe-analogs of aluminosilicate geopolymers, but differ significantly in terms of structure from the latter.
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.
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.
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.
This contribution presents the results of structural and compressive strength investigations on cured andhigh-temperature treated silica-based one-part geopolymer-zeolite composites. The specimens weresynthesized from two different silica sources, sodium aluminate and water. The phase content as well asthe compressive strength of the cured composites varied depending on the starting mix-design and thesilica feedstock. Besides geopolymeric gel, A-type zeolites and hydrosodalites were the major reactionproducts. One of the silica feedstocks yielded significantly higher compressive strength (19 MPa), whilethe other one appears to cause less variation in phase content. Strength testing indicated an improvementon heating up to
200–400 °C (28 MPa) followed by a moderate decrease up to 700 °C. Above 700 °C the sys-tems underwent new phase formation and shrinkage (volume decrease) deformations. After exposureat 1000 °C the different mixes consisted of a mix of several stuffed silica phases, almost pure hexago-nal nepheline or amorphous phase. Depending on the mix-design, the onset temperature of the hightemperature phase transformations varied.
The advantages of treating prefabricated components made of Ultra-High-Performance Concrete (UCPC) at 90 °C are largely recognized, while hydrothermal treatment at 185 °C and the corresponding saturation pressure of 1.1 MPa, in contrast, is not applied in building practice so far and was studied only by a few researchers.
In the research presented, the parameters pre-storage-time before treatment and dwell time in the autoclave were systematically varied. The results illustrate in which way compressive strength increases with the duration of treatment. Already samples which were only heated up and immediately cooled down show an increase in strength compared to the 28-day reference of about 10 %. After 20 h the maximum increase of about 25 % is reached. Interestingly the compressive strength of samples treated very long hardly decreases. It can be therefore concluded that for the composition investigated the achievable mechanical strength is not severely sensitive regarding the duration of the treatment.
Also, pre-storage times before autoclaving longer than 0.5 days showed no significant impact on strength development.
The phase composition measured by XRD exhibits significant changes compared to the reference. The amount of ettringite and portlandite have vanished, the cement clinker phases are substantially decreased and hydroxylellestadite and hydrogarnet are formed as new phases. The increase in strength can be assigned to an improved pozzolanic and hydraulic reaction. Contradictory to literature, there was found no tobermorite, a mineral which is known to be susceptible for disintegration at Long autoclaving duration. This explains why no significant strength loss appeared.
