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Paper des Monats
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The present work addresses powder bed binder jetting additive manufacturing by selective magnesium phosphate cement activation. Despite the potential of this technology to aid the digitalization of the construction industry, the effect of processing parameters on the mechanical performance of printed materials has not yet been studied to generate a guideline for the further development of the technology. Statistical methodologies were used to screen the effect of four printing process parameters (printing speed, layer thickness, raster angle, and build direction on flexural and compressive strength). As the exploited technology works with constant fluid pressure, the physical interpretation of the effect of each factor can be considered taking into account the interactions between the binder materials in the powder bed. Analysis of variance (ANOVA) indicated that printing speed and layer thickness significantly affect mechanical performances. Furthermore, the layout of samples for the printing process is preferable to be parallel the printhead movement. An anisotropic behavior was observed, and the samples subjected to compressive forces parallel to the layer plane possessed lower strength values. This effect can be interpreted as a result of a weak area of low density in between layers, leading to a pronounced delamination under compression. Even though the strength of the printed material is not suitable for a structural concrete, it can be marginally improved by design of experiment and optimized for non-structural applications, such as for porous artificial stone. Design of experiment coupled with ANOVA methods can be used in the future to support the development of novel material mixtures, thus expanding the fields of application of this novel additive manufacturing technology.
Concretes produced from salt aggregate and hybrid alkaline cements, an alkali-activated slag/fly ash blend, or a Portland cement were exposed to a magnesium chloride-rich saline solution ([Mg2+] = 3.6 m, [Cl−] = 8.3 m), representing a solution formed after contact of surface water with evaporite rock (rock salt) in a nuclear waste repository. The hydration and deterioration of the concretes were studied with X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, pH mapping and permeability measurements. The results show that calcium silicate hydrate (C-S-H) or sodium-substituted calcium aluminium silicate hydrate (C-N-A-S-H) and Friedel's salt were the major reaction products in the concretes prior to exposure to the saline solution. During exposure to the saline solution, increasing amounts of C-S-H/C-N-A-S-H dissolved, and gypsum and a secondary AFm phase formed. The durability of the concretes improved with increasing amounts of Portland clinker in the cements, due to the associated differences in permeability and chemical resistance. Nevertheless, a massive increase of permeability occurred for all concretes, likely caused by crack formation due to the formation of gypsum from anhydrite in the salt aggregate. Thus, the behavior of the concretes differed from, and was more complex than, the behavior of plain cement pastes.
Chloride binding by the hydrate phases of cementitious materials influences the rate of chloride ingress into these materials and, thus, the time at which chloride reaches the steel reinforcement in concrete structures. Chloride binding isotherms of individual hydrate phases would be required to model chloride ingress but are only scarcely available and partly conflicting. The present study by RILEM TC 283-CAM ‘Chloride transport in alkali-activated materials’ significantly extends the available database and resolves some of the apparent contradictions by determining the chloride binding isotherms of layered double hydroxides (LDH), including AFm phases (monosulfate, strätlingite, hydrotalcite, and meixnerite), and of alkali-activated slags (AAS) produced with four different activators (Na2SiO3, Na2O·1.87SiO2, Na2CO3, and Na2SO4), in NaOH/NaCl solutions at various liquid/solid ratios. Selected solids after chloride binding were analysed by X-ray diffraction, and thermodynamic modelling was applied to simulate the phase changes occurring during chloride binding by the AFm phases. The results of the present study show that the chloride binding isotherms of LDH/AFm phases depend strongly on the liquid/solid ratio during the experiments. This is attributed to kinetic restrictions, which are, however, currently poorly understood. Chloride binding by AAS pastes is only moderately influenced by the employed activator. A steep increase of the chloride binding by AAS occurs at free chloride concentrations above approx. 1.0 M, which is possibly related to chloride binding by the C–(N–)A–S–H gel in the AAS.
Esta pesquisa avaliou o fenômeno de autocicatrização nas propriedades mecânicas e absorção capilar de concretos estruturais. Foram avaliados dois aditivos cristalizantes em pó, dosados de acordo com o teor recomendado pelos fabricantes. Aditivos cristalizantes aumentam a densidade do gel C-S-H e formam cristais insolúveis, bloqueando fissuras. Três traços de concreto foram produzidos: referência, aditivo-X com 0,8% e aditivo-Y com 2,0% em relação a massa do cimento. Aplicou-se 75% da carga de ruptura aos 3- e 14-dias para gerar microfissuras e comparar com a referência. Posteriormente, a autocicatrização foi avaliada aos 28- e 76-dias. A propriedade de resistência à compressão axial foi determinada aos 28-dias, revelando que os aditivos cristalizantes contribuíram para um aumento médio de 12% desta propriedade. A idade do carregamento dos concretos não apresentou um impacto significativo na resistência à compressão axial, mas apontou resultados significativos entre os tipos de aditivos estudados, conforme ANOVA. As propriedades de absorção de água por capilaridade foram avaliadas aos 28- e 76-dias, indicando uma redução de absorção de água média de 42% devido ao uso dos aditivos cristalizantes. Em conclusão, a incorporação dos aditivos cristalizantes contribuiu de maneira positiva para a autocicatrização dos concretos estudados, indicando uma recuperação parcial das microfissuras.
Additive manufacturing of concrete structures is a novel and emerging technology. Freecontouring in civil engineering, which allows for entirely new designs, is a significant advantage. Inthe future, lower construction costs are expected with increased construction speeds and decreasingrequired materials and workers. However, architects and civil engineers rely on a certain quality ofexecution to fulfil construction standards. Although several techniques and approaches demonstratethe advantages, quality control during printing is highly challenging and rarely applied. Due to thecontinuous mixing process commonly used in 3D concrete printing, it is impossible to exclude varia-tions in the dry mixture or water content, and a test sample cannot be taken as a representative samplefor the whole structure. Although mortar properties vary only locally, a defect in one layer duringprinting could affect the entire integrity of the whole structure . Therefore, real-time process monitor-ing is required to record and document the printing process.At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) a new test rig for the additive man-ufacturing of concrete is built. The primary purpose is measuring and monitoring the properties of amortar during the printing process.The following study investigates an approach for calculating yield stress and plastic viscosity based onexperimentally recorded pressure data. The calculations assume that fresh mortar behaves as a Bing-ham fluid and that the Buckingham-Reiner-equation is applicable. A test setup consisting of rigid pipeswith integrated pressure sensors at different positions is utilized.Monitoring the printing process with different sensors is crucial for the quality control of an ongoingprocess.
Alkali-aktivierte Hüttensandbetone – CO2-reduzierte Bindemittel mit hohem Korrosionsschutzpotential
(2023)
Durch den Ersatz von Portlandzement können alkali-aktivierte Bindemittel einen bedeutenden Beitrag zur Verringerung der durch die Zementklinkerherstellung verursachten CO2-Emissionen leisten. Für die Verwendung von alkali-aktivierten Bindemitteln in Stahlbetonkonstruktionen, die Chloriden oder Carbonatisierung ausgesetzt sind, ist die Fähigkeit des Stahls, den passiven Zustand zu erreichen und aufrechtzuerhalten, von großer Bedeutung. Die Prozesse der Deckschichtbildung von Stahl in alkali-aktivierten Materialien unterscheiden sich jedoch zum Teil grundlegend von denen in Portlandzementen. Alkali-aktivierte Hüttensandbetone weisen gute technische Eigenschaften auf, bisher fehlen jedoch grundlegende Kenntnisse bzgl. ihrer schützenden Wirkung bei korrosiven Angriffen. Dies ist vor allem auf ihre sulfidhaltige Porenlösung zurückzuführen, welche die elektrochemischen Eigenschaften der Stahloberfläche beeinflusst und die Verwendung herkömmlicher Bewertungsmaßstäbe erschwert. Es werden erste Ergebnisse eines DFG-Forschungsprojektes vorgestellt, in dem das Passivierungsverhalten von Stahl in alkali-aktivierten Hüttensandmörteln unterschiedlicher Zusammensetzungen sowie in Mörteln auf Basis hüttensandhaltiger Normzemente untersucht wird. Über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen werden an Zylinderprüfkörpern im 3-Elektroden-Aufbau das Ruhepotential sowie die Polarisationswiderstände der Stahlelektroden ermittelt.
Im Jahr 2020 fielen in Deutschland rund 220 Millionen Tonnen mineralische Bau- und Abbruchabfälle an, die als Sekundärrohstoffquelle genutzt werden können. Trotz hoher Recyclingquoten wird ein Teil der mineralischen Bau- und Abbruchabfälle immer noch deponiert oder in Anwendungen mit geringen Qualitätsanforderungen eingesetzt, da ein effektives Recycling dieser heterogenen Abfälle recht kompliziert ist. Bauschutt ist ein heterogener, SiO2-reicher Sekundärrohstoff, der sich aus einem Gemisch verschiedener abgebrochener Baumaterialien wie Ziegel, Betonfertigteile, Leichtbeton, Porenbeton, Kalksandsteine, Natursteine, Gips und Mörtel zusammensetzt. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Abbruchstelle, der Vorsortierung und der Wiederaufbereitung in der Recyclinganlage ab. Eine direkte Wiederverwendung als rezyklierte Gesteinskörnung ist aufgrund der uneinheitlichen Zusammensetzung und des bis zu 50 %igen Feinanteils nach der mechanischen Aufbereitung nicht zulässig. Eine Möglichkeit, Mauerwerksschutt effektiv zu recyceln, ist die rohstoffliche Verwertung über ein chemisch-hydrothermales Umwandlungsverfahren, das poröse Granulate erzeugt. Durch die Porenstruktur dieser hydrothermal gehärteten Granulate ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten als Filter- oder Wasserspeichermaterial, die über den Bausektor hinausgehen. Diese neuartigen Granulate können leichte Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs (z. B. Lavasand, Bimsstein) oder Körner aus natürlichen Rohstoffen (z. B. Blähton) ersetzen. Die neue Recyclingstrategie spart natürliche Ressourcen. Im Vergleich zur Herstellung von Blähton ist der Energieverbrauch wesentlich geringer. Ziel des Verbundprojektes HYTEGRA war die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von leichten Gesteinskörnungen aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen. Als Rohstoffe wurden Mauerwerksschutt als SiO2-Quelle und Papierasche aus der energetischen Verwertung von Reststoffen der Altpapierverwertung als CaO-Quelle eingesetzt. Der komplette Prozess von der mechanisch-physikalischen Aufbereitung über die Bildung des Grüngranulats bis zur hydrothermalen Härtung wurde entwickelt und im Labormaßstab getestet. Die Anwendungen des hydrothermal gehärteten Granulats als Wasserspeichermaterial für die innere Nachbehandlung von hochfestem Beton, Pflanzensubstrat und Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung wurden untersucht. Der Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Ergebnisse des erfolgreich abgeschlossenen Verbundforschungsprojekts HYTEGRA.
Future lunar exploration will be based on in-situ resource utilization (ISRU) techniques. The most abundant raw material on the Moon is lunar regolith, which, however, is very scarce on Earth, making the study of simulants a necessity. The objective of this study is to characterize and investigate the sintering behavior of EAC-1A lunar regolith simulant. The characterization of the simulant included the determination of the phase assemblage, characteristic temperatures determination and water content analysis. The results are discussed in the context of sintering experiments of EAC-1A simulant, which showed that the material can be sintered to a relative density close to 90%, but only within a very narrow range of temperatures (20–30 °C). Sintering experiments were performed for sieved and unsieved, as well as for dried and non-dried specimens of EAC-1A. In addition, an analysis of the densification and mechanical properties of the sintered specimens was done. The sintering experiments at different temperatures showed that the finest fraction of sieved simulant can reach a higher maximum sintering temperature, and consequently a higher densification and biaxial strength. The non-dried powder exhibited higher densification and biaxial strength after sintering compared to the dried specimen. This difference was explained with a higher green density of the non-dried powder during pressing, rather than due to an actual influence on the sintering mechanism. Nevertheless, drying the powder prior to sintering is important to avoid the overestimation of the strength of specimens to be fabricated on the Moon.
REALight ‐ Leichtgranulate und REA‐Gips aus feinkörnigen sulfatbelasteten Bau‐ und Abbruchabfällen
(2023)
Ziel des Projekts REALight ist die Entwicklung einer Referenzanlage zur Herstellung von Leichtgranulaten (leichte Gesteinskörnungen) aus Bau‐ und Abbruchabfällen und zur Gipsrückgewinnung. Als Rohstoffe werden bisher ungenutzte oder auf niedrigem Niveau eingesetzte Bau‐ und Abbruchabfälle und industrielle Nebenprodukte verwendet. Als Produkte werden leichte Gesteinskörnungen hergestellt. Die Sulfatabtrennung durch eine thermische Zersetzung bildet die Grundlage für die zusätzliche Gewinnung von Rauchgasentschwefelungs‐Gips (REA‐Gips). Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Bauen und Mineralische Stoffkreisläufe (ReMin)” gefördert. ReMin ist eine Maßnahme zur Umsetzung des BMBF‐Forschungskonzepts „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft” als Teil der BMBF Strategie „Forschung für nachhaltige Entwicklung – FONA”. Ziel der Förderung ist es, den Ausbau der Kreislaufwirtschaft voranzutreiben. Im Mittelpunkt steht dabei die Bauwirtschaft mit ihrer hohen Nachfrage nach Rohstoffen und gleichzeitig großen Mengen an anfallenden mineralischen Abfällen. Am Projekt REALight sind 12 Partner aus verschiedenen Bereichen der Baustoffherstellung und ‐anwendung, Abfallaufbereitung, Verfahrenstechnik sowie Forschung und Entwicklung beteiligt.
Im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungsprojekts ReMin – REALight werden in einem Projektteam aus Industriepartnern und Forschungseinrichtungen unter Koordination der Bauhaus-Universität Weimar leichte Gesteinskörnungen aus Bau- und Abbruchabfällen und industriellen Nebenprodukten auf thermischem Weg hergestellt. Die Aufgabe der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es, diese im Drehrohrofen erzeugten Blähgranulate für gebundene Anwendungen in Beton und Mörtel umfassend zu charakterisieren. Gemeinsam mit der Opus Denkmalpflege GmbH wird die Applikation feiner, gebrochener Blähgranulate in leichten Steinergänzungsmörteln für die Restaurierung von Sandsteinobjekten untersucht. Hierzu wird ein zweischichtiges Mörtelsystem bestehend aus einem Füll- und einem Deckmörtel entwickelt. Erste Ergebnisse der Rezepturentwicklung verschiedener kalkhaltiger Leichtmörtel mit gebrochenen Blähgranulaten werden vorgestellt. Die neuen Leichtmörtel sind hinsichtlich der entwickelten Druckfestigkeit gleichwertig gegenüber herkömmlichen Restauriermörteln.