7.4 Baustofftechnologie
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Organisationseinheit der BAM
- 6.3 Strukturanalytik (14) (entfernen)
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Safety is a key parameter for the design and construction of buildings. The most widely used construction material to date is concrete that consists of about 15-20 wt.-% cement, which is responsible for the main concrete properties, i.e., strength and durability. Despite many standards regulating the quality of cement, at present, there exists no viable method to track the cement life cycle “from cradle to grave”. This led to an increasing interest in simple and robust methods for studying the processes and changes occurring during the life cycle of cement. In this context, we explored the applicability of fluorescence measurements which can be performed with relatively inexpensive and miniaturized instrumentation yet require robust optical probes which survive the harsh cement environment. Therefore, we developed a platform of lanthanide-based upconversion nanoparticles (UCNPs), consisting of a NaYF4 matrix doped with Yb3+ and Er3+ with sizes between 20 nm and 55 nm, which show characteristic multi-color emission patterns, composed of narrow bands of varying intensity in the ultraviolet, visible, near-infrared, and short-wave spectral region and examined their potential for cement probing and the non-invasive monitoring of the hydration processes occurring during cement formation.
UCNPs of different size and chemical composition were synthesized via a thermal decomposition approach under inert conditions. The tailor-made design of different emission patterns was achieved by tuning particle size and morphology, material composition, and particle surface chemistry in upscaleable syntheses. For cement probing, different types of UCNPs were added to cement and the evolution of the UCNP emission pattern was used to probe in-situ changes of physico-chemical parameters in the cementitious environment during hydration, utilizing a simple and portable custom-designed optical setup. The observed changes in the UCNP emission patterns are characteristic for a given particle size, surface chemistry, and cement composition. In addition to fluorescence measurements, conventional isothermal heat flow calorimetry was used to study the influence of UCNP addition on cement hydration kinetics. Subsequently, both sets of measurements were correlated. Our results underline the potential of our optical approach ad UCNPs for the non-invasive probing of cementitious systems and cement hydration. This can be also exploited for cutting-edge applications of construction materials such as 3D concrete printing.
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
Metakaolin-based alkali activated mortars (AAM) - with and without CuSO4·5H2O and ZnO addition (mass ratio Mn+/solid binder 0.08% to 1.7%) - were casted and exposed within an extensive long-term field campaign over the period of 20 months to a sewer basin, strongly affected by biogenic acid corrosion. (Un-)exposed AAM were tested regarding their physicochemical and microstructural properties, bioreceptivity and overall durability. Metal addition led to a retarding effect during alkali-activation reaction, as well as to an increase in open porosity of up to 3.0% and corresponding lower compressive strength of up to 10.9%. Reduced microbial colonization and diversity were observed on AAM with Cu, while Zn addition led to increased biodiversity. We propose that the observed higher durability of Cu-doped AAM is due to antibacterial effects and associated reduction of biogenic acid production, superseding overall negative effects of metal-dosage on physical material properties. Observed lower durability of Zn-doped AAM was related to combined negative physicochemical and microbial effects.
In this study, a multi-proxy approach combining 29Si, 27Al and 1H MAS-NMR, FEG-EPMA, XANES at the Cu K-edge and XRD analytics with hydrochemical tools such as ICP-OES analyses, oxygen-isotope signatures, and thermodynamic modelling was applied to K-silicate-activated metakaolin specimens - with and without CuSO4·5H2O addition - exposed to sulfuric acid at pH = 2 for 35 days. The results revealed a multistage deterioration mechanism governed by (i) acid diffusion, (ii) leaching of K-A-S-H, (iii) microstructural damage related to precipitation of expansive (K,Ca,Al)-sulfate-hydrate phases (iv) complete dissolution of the K-A-S-H framework, (v) and formation of silica gel in the outermost corroded regions. Copper ions were mainly located in layered spertiniite-chrysocolla-like phases in the as-cured materials. The results demonstrate an overall negative effect of Cu addition on chemical material durability, implying that the reported higher durability of Cu-doped AAM in biocorrosion environments can be best explained by bacteriostatic effects.
Stone deterioration is the result of a complex interaction of external physical, chemical and biological forces with the mineralogical-petrophysical properties of the stone. With a better understanding of how these properties are linked to material behavior and durability, more effective measures for stone conservation can be developed. Studying these interactions in tuff is particularly complex due to the naturally high heterogeneity of tuff rocks.
The first aim of a current research project is to combine the results of recent and older studies on tuff deterioration. Furthermore, the literature overview is complemented by our own investigation of Weibern and Ettringen tuff, with a focus on pore structure characteristics.
Alkali-activated materials have been repeatedly reported to exhibit high acid resistance, but no generally accepted hypothesis regarding the underlying mechanisms has emerged yet. To contribute to this issue, K-waterglass-activated metakaolin specimens, with and without the addition of CuSO4·5H2O in the starting mix, were exposed to either a chemically aggressive sewer environment (mortars) or sulfuric acid (pastes). The mode of copper incorporation in the materials and the formation of copper phases in the corroded layers were studied by XANES at the Cu K-edge, and 29Si, 27Al and 1H MAS NMR was employed to understand the processes during acid attack. Copper was found as a spertiniite-like phase in the as-cured materials, while in the deterioration layers of the pastes it was present as copper sulfate. In the corroded regions of the mortars, unequivocal identification of Cu phases was not possible, but the results were reconcilable with the presence of copper carbonate hydroxide. The solid-state NMR results revealed virtually complete dissolution of the K-A-S-H gel and the formation of silica gel, interpreted to be a central mechanism determining the acid resistance. No significant differences between the microstructural alterations of the pastes with and without Cu addition on (chemical) sulfuric acid attack were observed.
Einkomponentige alkaliaktivierte Bindemittel (AAB), d. h. AAB, bei denen der Aktivator als Feststoff im Bindemittel vorliegt, weisen Vorteile hinsichtlich der praktischen Anwendung im Bauwesen gegenüber konventionellen AAB auf. Einkomponentige AAB lassen sich als Gemische aus reaktiver Silica und Natriumaluminat herstellen, wobei die Reaktionsprodukte von der eingesetzten Silica und den Verhältnissen Na2O/Al2O3/SiO2/H2O abhängen: Während Mikrosilica und ähnliche Reststoffe zu zeolithreichen Produkten führen, erhält man aus Reisschalenasche vollständig amorphe Gele (sog. «Geopolymere »). Mörtel auf Basis solcher Bindemittel entsprechen den Anforderungen von DIN 19573:2016-03 hinsichtlich des Widerstands gegen Schwefelsäureangriff (Prüfung bei pH = 1 für 70 d) und sind damit potentiell als Reparatursysteme für Abwasserinfrastruktur geeignet. Untersuchungen mittels 29Si-MAS-NMR und 1H-29Si-Kreuzpolarisations(CP)-MAS-NMR sowie REM-Aufnahmen von erhärteten und dem Schwefelsäureangriff ausgesetzten AAB zeigen, dass der hohe Säurewiderstand v. a. auf die Fällung von Silicagel an der Grenzfläche Mörtel/Säure zurückzuführen ist, wodurch der Korrosionsfortschritt in darunterliegenden Schichten verlangsamt wird.
Einkomponentige alkaliaktivierte Bindemittel (AAB), d. h. AAB, bei denen der Aktivator als Feststoff im Bindemittel vorliegt, weisen Vorteile hinsichtlich der praktischen Anwendung im Bauwesen gegenüber konventionellen AAB auf. Einkomponentige AAB lassen sich als Gemische aus reaktiver Silica und Natriumaluminat herstellen, wobei die Reaktionsprodukte von der eingesetzten Silica und den Verhältnissen Na2O/Al2O3/SiO2/H2O abhängen: Während Mikrosilica und ähnliche Reststoffe zu zeolithreichen Produkten führen, erhält man aus Reisschalenasche vollständig amorphe Gele (sog. «Geopolymere»). Mörtel auf Basis solcher Bindemittel entsprechen den Anforderungen von DIN 19573:2016-03 hinsichtlich des Widerstands gegen Schwefelsäureangriff (Prüfung bei pH = 1 für 70 d) und sind damit potentiell als Reparatursysteme für Abwasserinfrastruktur geeignet. Untersuchungen mittels 29Si-MAS-NMR und 1H-29Si-Kreuzpolarisations(CP)-MAS-NMR sowie REM-Aufnahmen von erhärteten und dem Schwefelsäureangriff ausgesetzten AAB zeigen, dass der hohe Säurewiderstand v. a. auf die Fällung von Silicagel an der Grenzfläche Mörtel/Säure zurückzuführen ist, wodurch der Korrosionsfortschritt in darunterliegenden Schichten verlangsamt wird.
Materials with a high acid resistance are required in different important infrastructures. Examples include repair systems for sewer structures, where biogenic sulfuric acid corrosion is the major degradation mechanism. Low-calcium alkali-activated materials (AAMs) have been repeatedly observed to exhibit high acid resistance. However, the reasons for the high acid resistance of these materials were not fully under¬stood until recently, and the use of highly alkaline activator solutions to produce AAMs appears to hamper their commercial uptake. These issues have been tackled by characterising one-part AAMs and studying their alteration when exposed to sulfuric acid.
One-part AAMs were synthesized by mixing blends of solid silica and sodium aluminate with water, and subsequent curing at 60–80 °C. Acid resistance testing was performed according to DIN 19573, i.e. exposure to sulfuric acid at pH = 1 for 70 days. Characterisation of the cured and the acid-exposed materials was done by XRD, ATR-FTIR, SEM as well as 29Si, 27Al and 1H MAS NMR spectroscopy, including cross-polarisation and double-resonance methods.
Materials synthesized from industrial silicas were gel-zeolite composites, containing a substantial amount of unreacted ‘excess’ silica, while materials synthesized from rice husk ash were fully amorphous, containing ‘excess’ hydrous alumina. The sulfuric acid resistance of mortars based on these binders conformed to the requirements of DIN 19573 for sewer repair applications. The high acid resistance was caused by precipitation of silica gel at the mortar–solution interface, inhibiting further degradation. The presence of alumina gel may inhibit bacterial activity, potentially further improving performance in sewer environments.
The phase assemblage of silica/sodium aluminate-based one-part AAMs can be adjusted via choice of the silica starting material. Properly designed materials exhibit excellent acid resistance, caused by precipi¬tation of silica gel which protects subjacent regions, and they may also inhibit bacterial activity.
Mixing and curing of geopolymers and related alkali-activated materials without storage and handling of highly alkaline solutions possesses advantages regarding safety and economic viability. One possible approach is to produce these materials from solid silica feedstocks and solid sodium aluminate, and subsequent mixing with water. We present a comparison between geopolymers and aluminosilicate gel-zeolite composites synthesized by this route from different silica feedstocks (by-product silica from chlorosilane production, microsilica, rice husk ash) and with different SiO2/Al2O3 ratios, using results from XRD, NMR, SEM, thermal analysis, mechanical and acid resistance testing. The use of rice husk ash favors formation of a fully amorphous geopolymer with high strength. Utilization of the other silica feedstocks leads to formation of aluminosilicate gel-zeolite composites, the amount and kind of zeolites depending on the feedstock and the SiO2/Al2O3 ratio. These composites show beneficial dehydration behavior, viz. no distinct dehydration step of thermal strain, with the phase assemblage after heating to 1000°C controlled by the starting composition. Mortars produced from both, the geopolymers as well as the composites, exhibit high resistance to sulfuric acid attack, making them promising materials for the construction and the repair of industrial and sewer structures.