Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The corrosion behavior of galvanized steels and zinc components under atmospheric exposure depends mostly on the corrosion product‐based cover layer formation under the prevailing conditions. The use of agar‐based gel electrolytes makes it possible to use electrochemical methods to obtain a characteristic value from these cover layers that describe their current and future protective capacity. It is shown here that different states of galvanized steel can be distinguished very well under laboratory conditions and that this method is also suitable for use under practical conditions. Based on the characteristic values and assuming future time of wetness, it is very easy to draw up a forecast for the future corrosion rate, which provides plausible values.
While alkali-activated binders offer certain advantages over traditional Portland cement binders, particu¬larly in terms of resistance against chemical attacks and potentially environmental footprint, their degra¬dation mechanisms remain incompletely understood at present, specifically carbonation. Thus, this study investigates the impact of natural and accelerated carbonation (1% and 4% CO2) on three different compositions of alkali-activated concretes: 100% calcined clay (C100) binder, 100% ground blast furnace slag (S100) binder, and a 40% calcined clay and 60% blast furnace slag blend (C40S60). C100 concretes exhibit faster carbonation kinetics, with five times greater natural carbonation depths than S100. This difference diminishes under accelerated carbonation, showing a 1.5 times difference for 1% CO2 and complete carbonation for 4% CO2 at 90 days. The results thus confirm that accelerated carbonation testing of low-Ca alkali-activated concretes yields results that are not representative of natural carbonation. The C40S60 sample demonstrates a carbonation profile similar to a CEM I concrete, i.e., a high carbonation resistance. Microstructure analysis indicates the formation of three polymorphs of calcium carbonate for S100 (calcite, vaterite, and aragonite), with a higher CO2 concentration favouring aragonite over vaterite. C100 exhibits no calcium carbonates; instead, sodium carbonates form, including trona for 4% CO2 and natrite for both accelerated tests. C40S60 shows calcium and sodium carbonates, although to a lesser extent, containing predominantly calcite and minor signals of natrite. Suitable compositions, like C40S60, prove as effective during natural or accelerated carbonation tests as conventional Portland cement concrete.
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.
Weltweit stellen Waldbrände eine große Bedrohung für Umwelt, Wirtschaft und menschliches Leben dar. Der fortschreitende Klimawandel verstärkt Trockenheit und Dürre, wodurch die Größe und Intensität von Waldbränden sowie das daraus resultierende Gefahrenpotential zusätzlich erhöht werden. Um im Risikofall eine schnelle und effektive Waldbrandbekämpfung zu gewährleisten, sollen Einsatzkräfte in Zukunft von KI-basierten Ausbreitungsmodellen unterstützt werden.
Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht dabei schnelle und zielgerichtete Ausbreitungsvorhersagen in Echtzeit, die in den Prozess der Brandbekämpfung als zusätzliche Information einfließen können. Im Rahmen des durch das EU-Förderprogram Horizon 2020 finanzierte Projekt TREEADS wird ein solches Modell für Europa entwickelt.
Dazu wird mit verschiedenen Satellitendaten des Copernicus-Programms und der NASA ein auf räumlicher und zeitlicher Ebene aufgelöster Datensatz zu europäischen Waldbränden aufgebaut. Zu den erfassten Waldbränden werden wichtigen Faktoren, die Einfluss auf die Brandausbreitung haben, ergänzt. Dazu gehören das von Copernicus bereitgestellte, digitale Geländemodell Europas und verschiedene, von Sentinel-2 Messungen abgeleitete Informationen zu Vegetation und Landnutzung. Dieser 2D-Trainingsdatensatz zu realen Waldbränden wird durch die zeitlich hochaufgelösten, meteorologischen Reanalyse-Produkte – Copernicus European Regional ReAnalysis (CERRA) und ERA5-Land – vervollständigt und ist die Grundlage für ein Modell zur Ausbreitungsvorhersage von Waldbränden.
Methoden des Maschinellen Lernens können komplexe Muster in den gesammelten Daten erkennen und so zu einer verbesserten Vorhersage der Brandausbreitung beitragen. Die vielfältigen, von Copernicus bereitgestellten Daten sind dabei ein unabdingbarer Bestandteil des Modells, mit dem den Einsatzkräften ein zusätzliches Tool für den effizienten Einsatz ihrer limitierten Ressourcen zur Verfügung steht.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
In the field of computational science and engineering, workflows often entail the application of various software, for instance, for simulation or pre- and postprocessing. Typically, these components have to be combined in arbitrarily complex workflows to address a specific research question. In order for peer researchers to understand, reproduce and (re)use the findings of a scientific publication, several challenges have to be addressed. For instance, the employed workflow has to be automated and information on all used software must be available for a reproduction of the results. Moreover, the results must be traceable and the workflow documented and readable to allow for external verification and greater trust. In this paper, existing workflow management systems (WfMSs) are discussed regarding their suitability for describing, reproducing and reusing scientific workflows. To this end, a set of general requirements for WfMSswere deduced from user stories that we deem relevant in the domain of computational science and engineering. On the basis of an exemplary workflow implementation, publicly hosted at GitHub (https:// this http URL), a selection of different WfMSs is compared with respect to these requirements, to support fellow scientists in identifying the WfMSs that best suit their requirements.
Multiscale modeling of linear elastic heterogeneous structures via localized model order reduction
(2024)
In this paper, a methodology for fine scale modeling of large scale linear elastic structures is proposed, which combines the variational multiscale method, domain decomposition and model order reduction. The influence of the fine scale on the coarse scale is modelled by the use of an additive split of the displacement field, addressing applications without a clear scale separation. Local reduced spaces are constructed bysolving an oversampling problem with random boundary conditions. Herein, we inform the boundary conditions by a global reduced problem and compare our approach using physically meaningful correlated samples with existing approaches using uncorrelated samples. The local spaces are designed such that the local contribution of each subdomain can be coupled in a conforming way, which also preserves the sparsity pattern of standard finite element assembly procedures. Several numerical experiments show the accuracy and efficiency of the method, as well as its potential to reduce the size of the local spaces and the number of training samples compared to the uncorrelated sampling
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Derzeit ist die Instandhaltung von großen Betontragwerken wie Brücken oder Windenergieanlagen problemorientiert und von einem reaktiven Vorgehen geprägt. Das bedeutet, erst wenn sichtbare Schäden vorliegen, werden diese meist unter Beeinträchtigung des Betriebs instand gesetzt. Im Hinblick auf die Entwicklung von prädiktiven Instandhaltungsstrategien, deren Fokus in der langfristigen Bauwerksüberwachung und der Vorhersage von Schädigungsentwicklungen liegt, wurde die Anwendung von Ultraschallverfahren für die Identifizierung der Degradationsprozesse von Betontragwerken unter Ermüdungsbeanspruchung untersucht. Hierzu fanden Arbeiten im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat zum "Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton" an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und zu den "Methoden zur Zustandsanalyse von Windenergieanlagen" am Institut für Massivbau (IfMa) der Leibniz Universität Hannover (LUH) statt, welches zudem vom Deutschen Beton- und Bautechnik Verein e.V. (Forschungsvorhaben DBV-311) gefördert wurde. Dabei wurden verschiedene Einflussfaktoren auf die Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung wie die Probekörpergröße, das Belastungsniveau und die Betonfestigkeit untersucht. Als Schädigungsindikator und Vergleichsparameter wurden die Ultraschallgeschwindigkeit und der dynamische E-Modul des Betons verwendet. Um das Potential der Schädigungserfassung im Beton mittels Ultraschallprüfung umfassender zu bewerten, wurden zusätzlich Versuche an Betonproben unter monoton steigender Belastung, Kriechversuche, Temperaturversuche und Untersuchungen an großformatigen Balken durchgeführt.
Thermal transient problems, essential for modeling applications like welding and additive metal manufacturing, are characterized by a dynamic evolution of temperature. Accurately simulating these phenomena is often computationally expensive, thus limiting their applications, for example for model parameter estimation or online process control. Model order reduction, a solution to preserve the accuracy while reducing the computation time, is explored. This article addresses challenges in developing reduced order models using the proper generalized decomposition (PGD) for transient thermal problems with a specific treatment of the moving heat source within the reduced model. Factors affecting accuracy, convergence, and computational cost, such as discretization methods (finite element and finite difference), a dimensionless formulation, the size of the heat source, and the inclusion of material parameters as additional PGD variables are examined across progressively complex examples. The results demonstrate the influence of these factors on the PGD model’s performance and emphasize the importance of their consideration when implementing such models. For thermal example, it is demonstrated that a PGD model with a finite difference discretization in time, a dimensionless representation, a mapping for a moving heat source, and a spatial domain non-separation yields the best approximation to the full order model.
The output of C&D waste is increasing year by year, among which low-quality recycled brick aggregates (RBAs) have not been well utilized and brought environmental burden. The durability of steam-cured concrete (HCC) is often compromised due to the detrimental effects of this curing regime on the long-term performance and microstructure development of the concrete material. To address this issue, this study investigates the potential of incorporating RBAs to improve the long-term durability of HCC. The results demonstrate that the incorporation of a small amount of RBA (10–20%) not only enhances the 28-d strength of HCC by 2.5–11.3%, but also improves its impermeability by mitigating heat damage effects. The combined application of fine and coarse RBA was found to effectively balance the negative effects of coarse RBA on the performance of HCC. Furthermore, the utilization of RBA in HCC was shown to have economic and environmental benefits. The results of this study demonstrate a simple and effective approach to improve the long-term durability of HCC while promoting the high-value utilization of solid waste.
Der Vortrag gibt eine Übersicht zum Stand des Projekts zum Thema Gefügeveränderung bei trockener Grobbearbeitung. Es wurden vier verschiedene trockene Oberflächenbearbeitungsverfahren an 2 Werkstoffen eingesetzt um Testoberflächen zu schaffen. Die so gefertigten Oberflächen wurden lichtmikroskopisch untersucht und die jeweiligen Rauhigkeitskennwerte bestimmt. Weiterhin wurden metallografische Querschliffe angefertigt um die verfahrens- bzw. materialabhängigen Einflüsse auf mögliche Gefügeveränderungen zu untersuchen. Zusätzlich wurden elektrochemische Polarisationsversuche durchgeführt um die oberflächenspezifische Korrosionsbeständigkeit der nichtrostenden Stahlproben zu quantifizieren.
Since 2016 ISO Technical Committee (TC) 265 is working on standardization the whole CCS-process chain. Around 30 countries are working together to provide international guidelines. As ISO 27913 was the first standard finished within these activities it is already in the stage of first revision.
The objective of ISO 27913 is “to provide specific requirements and recommendations on certain aspects of safe and reliable design, construction and operation of pipelines intended for the large-scale transportation of CO2 that are not already covered in existing pipeline standards such as ISO 13623, ASME B31.8, EN 1594, AS 2885 or other standards. Existing pipeline standards cover many of the issues related to the design and construction of CO2 pipelines; however, there are some CO2 specific issues that are not adequately covered in these standards. The purpose of this document is to cover these issues consistently. Hence, this document is not a standalone standard, but is written to be a supplement to other existing pipeline standards for natural gas or liquids for both onshore and offshore pipelines.”
This contribution shall provide information on the content, the current stage of the revision process, encourage to contribute to this standard and make listeners aware to consider the influence of ISO standard on documents currently in draft.
Since 2016 ISO Technical Committee (TC) 265 is working on standardization the whole CCS-process chain. Around 30 countries are working together to provide international guidelines. As ISO 27913 was the first standard finished within these activities it is already in the stage of first revision.
The objective of ISO 27913 is “to provide specific requirements and recommendations on certain aspects of safe and reliable design, construction and operation of pipelines intended for the large-scale transportation of CO2 that are not already covered in existing pipeline standards such as ISO 13623, ASME B31.8, EN 1594, AS 2885 or other standards. Existing pipeline standards cover many of the issues related to the design and construction of CO2 pipelines; however, there are some CO2 specific issues that are not adequately covered in these standards. The purpose of this document is to cover these issues consistently. Hence, this document is not a standalone standard, but is written to be a supplement to other existing pipeline standards for natural gas or liquids for both onshore and offshore pipelines.”
This contribution shall provide information on the content, the current stage of the revision process, encourage to contribute to this standard and make listeners aware to consider the influence of ISO standard on documents currently in draft.
Despite the advances in hardware and software techniques, standard numerical methods fail in providing real-time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications. A real-time simulation enables process control through the combination of process monitoring and automated feedback, which increases the flexibil- ity and quality of a process. Typically, before producing a whole additive manufacturing structure, a simplified experiment in form of a bead-on- plate experiment is performed to get a first insight into the process and to set parameters suitably. In this work, a reduced order model for the transient thermal problem of the bead-on-plate weld simulation is devel- oped, allowing an efficient model calibration and control of the process. The proposed approach applies the proper generalized decomposition (PGD) method, a popular model order reduction technique, to decrease the computational effort of each model evaluation required multiple times in parameter estimation, control and optimization. The welding torch is modeled by a moving heat source, which leads to difficulties separating space and time, a key ingredient in PGD simulations. A novel approach for separating space and time is applied and extended to 3D problems allowing the derivation of an efficient separated representation of the tem- perature. The results are verified against a standard finite element model showing excellent agreement. The reduced order model is also leveraged in a Bayesian model parameter estimation setup, speeding up calibrations and ultimately leading to an optimized real-time simulation approach for welding experiment using synthetic as well as real measurement data.
Die zunehmende Anwendung hochfesten Betons in ermüdungsbelasteten Bauwerken, herausfordernde Belastungsszenarien im Bereich von On- und Offshore Windenergieanlagen bezüglich sehr hoher Lastwechselzahlen sowie das gleichzeitige Streben nach energie- und ressourcenschonendem Bauen stellen die Bemessung von Beton gegen Ermüdung vor neue Aufgaben. Eine Vielzahl von Studien beschreibt bereits die Auswirkung von Einflussfaktoren wie Mischungszusammensetzung, Feuchte, Probekörpergröße oder Belastungsart auf die Ermüdungsfestigkeit und den Ermüdungsprozess. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien und Mischungen der in den verschiedenen Studien verwendeten Proben sind die Auswirkungen der Einflussfaktoren jedoch kaum miteinander vergleichbar. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat wurden deshalb verschiedene Einflussfaktoren gezielt an Proben mit einheitlichen Mischungen untersucht. Das durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bearbeitete Teilprojekt fokussierte sich auf den „Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton“. Neben der Erhebung von Daten zur Ermüdungsfestigkeit wurde der Ermüdungsprozess mit zerstörungsfreien Prüf- und Messmethoden untersucht. Diese Prüfmethoden wurden auch hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Erfassung der ermüdungsbedingten Schädigungsentwicklung an Betonbauwerken im Rahmen von Monitoringkonzepten bewertet. Untersucht wurden die Ermüdungsfestigkeiten und der Ermüdungsprozess an Zylindern mit drei unterschiedlichen Betonmischungen sowie unterschiedlicher Größe und Schlankheit. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert.
Currently, mandatory requirements and recommendations for the detection of irregularities in laser beam welded joints are based on classic micrographs as set out in the standard ISO 13919-1:2019. Compared to classic micrographs, computed tomography enables a non-destructive, three-dimensional and material-independent mode of operation, which delivers much more profound results. Even in building material testing, methods with limited informative value can be checked and supplemented by CT examinations.
Korrosionsprüfung
(2024)
Der Vortrag gibt einen Überblick über gängige Korrosionsversuche. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Prüf- und Untersuchungsverfahren, deren jeweilige Zielstellung, Aussagefähigkeit und Grenzen werden aufgezeigt. Es werden ausgewählte Auslagerungsversuche, Kammerprüfungen sowie elektrochemische Messmethoden zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele werden ausgewählte Ergebnisse der einzelner Methoden vorgestellt und diskutiert.
Übersichtsvortrag zu Korrosionsarten, die bei nichtrostenden Stählen unter verschiedenen Einsatzbedingungen auftreten können. Die Grundlagen zur Pasivität und der örtlichen Störung der Passivität werden im Zusammenspiel komplexer Einflussfaktoren des Korrosionssystems herausgestellt. Die erarbeiteten theoretischen Grundlagen werden anhand praktischer Beispiel für alle relevanten Korrosionsarten vertieft.
Korrosion und Korrosionsschutzverfahren: Teil 1 Grundlagern der Korrosion metallener Werkstoffe
(2024)
Der Übersichtsvortrag vermittelt Kenntnisse zu den Grundlagen der Korrosion metallischer Werkstoffe für das KKS Grundlagenseminar für erdverlegte Anlagen und Stahlbetonbau zur Vorbereitung auf die Zertifikatsprüfung DIN EN 15257. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage zum Verständnis der Beeinflussung von Korrosionssystemen durch die Anwendung kathodischer Schutzmaßnahme
Der Vortrag thematisiert die Grundlagen des Korrosionsschutzes. Dieser kann planungs-,werkstoff oder mediumsseitig erfolgen oder mit elektrochemischen Methoden umgesetzt werden. Der Vortrag beschreit die Korrosivitäten der Atmosphären und welche Maßnahmen für den Korrosionsschutz daraus abgeleitet werden können.
Demonstrationsexperimente
(2024)
In maritimer Exposition können Zinkbauteile Nutzungsdauern von 50 Jahren erreichen. Dabei werden Expositionen mit Spritzwasserbelastung durch Meerwasser nicht betrachtet. Normative Betrachtungen und Korrosionsprognosen basierend auf Einjahreswerten liefern hier grundlegend falsche Ergebnisse, da sie eine signifikant höhere Belastung der Atmosphäre mit SO2 voraussetzen.
Der Vortrag beschreibt die grundlegenden Voraussetzungen für das Auftreten von Spannungsrisskorrosion an nichtrostenden Stählen und erläutert den Schadensmechanismus bis zum Versagen des Werkstoffs. Abgeleitet von den notwendigen Voraussetzungen für das Auftreten von SpRK werden werkstoff, medien und belastungsabhängige Einflussfaktoren erläutert, die die Beständigkeit der Werkstoffe gegenüber dieser Schädigungsart positiv wie auch negativ verändern. Weiterhin werden historische und aktuelle Schadensfälle präsentiert und Ursachen, Folgen und mögliche Fehlervermeidung disktutiert. Abschließend werden Prüfverfahren zum Nachweis der Empfindlichkeit von nichtrostenden Stählen gegenüber SpRK näher beschrieben.
Beton ist weltweit einer der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe und zeichnet sich durch eine enorme Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Anforderungen aus. Damit verbunden ist eine hohe und kontinuierlich zunehmende Komplexität hinsichtlich der Ausgangsstoffe, Rezepturen und des Herstellungsprozesses. Folglich setzt eine Ausschöpfung des technischen und umweltbezogenen Potenzials der Betonbauweise höchste Expertise bei den Einzelakteuren der Bauindustrie voraus.
FenicsXConcrete
(2023)
Additive manufacturing (AM) has revolutionized the manufacturing industry, offering a new paradigm to produce complex geometries and parts with customized properties. Among the different AM techniques, the wire arc additive manufacturing (WAAM) process has gained significant attention due to its high deposition rate and low equipment cost. However, the process is characterized by a complex thermal history making it challenging to simulate it in real-time for online process control and optimization.
In this context, a reduced order model (ROM) using the proper generalized decomposition (PGD) method [1] is proposed as a powerful tool to overcome the limitations of conventional numerical methods and enable the real-time simulation of the temperature field of WAAM processes. These simulations use a moving heat source leading to a hardly separable parametric problem, which is handled by applying a novel mapping approach [2]. This procedure makes it possible to create a simple separated representation of the model, which allows to simulate multiple layers.
In this contribution, a PGD model is derived for the temperature field simulation of the WAAM process. A good agreement with a standard finite element method is shown. The reduced model is further used in a stochastic model parameter estimation using Bayesian inference, speeding up calibrations and ultimately leading to a calibrated real-time simulation.
It is well known that cement manufacture, including CaCO3 calcination and clinker formation, is associated with substantial energy consumption and significant greenhouse gas emissions. Alkali-activated binders (AAB) and concretes made from them can significantly contribute to reducing CO2 emissions caused by the construction industry. However, to what extent and for how long concretes made from AAB can protect the steel in reinforced concrete components from corrosion is still unclear. Unlike PC-based binders, AABs are made by reacting alkaline solutions with solid precursors such as fly ash and ground granulated blast furnace slag (GGBFS). Therefore, steel reinforcement corrosion mechanisms in AAMs differ from PC-based binders. The present study aims to evaluate the corrosion behavior of steel rebar in alkali-activated materials (AAMs) synthetic pore solution with different chemical concentrations representing different GGBFS and Flay Ash based binders by performing electrochemical tests to measure the corrosion rate and corrosion potential of steel rebar. This information can be used to improve the design of AAMs in order to ensure a longer service life for these materials.
Polymers with intrinsic microporosity are promising candidates for the active separation layer in gas separation membranes. These polymers are characterized by a high permeability and reasonable permselectivity. The latter point is somehow surprising because for microporous systems a more Knudson-like diffusion is expected then a size dependent temperature activated sieving process. It was argued in the framework of a random gate model that molecular fluctuations on a time scale from ps to ns are responsible for the permselectivity.
Here series of polymers of intrinsic microporosity (PIMs) as well as microporous polynorbornenes with bulky Si side groups and a rigid backbone are considered. The polymers have different microporosity characterized by high BET surface area values.
First inelastic time-of-flight neutron scattering measurements were carried out to investigate the low frequency density of state (VDOS). The measured data show the characteristic low frequency excess contribution to the VDOS above the Debye sound wave level, generally known as the Boson peak in glass-forming materials. It was found that the frequency of the maximum position of the Boson peak correlates with the BET surface area value.
Secondly elastic scans as well as quasielastic neutron scattering measurements by a combination of neutron time-of-flight and backscattering have been out. A low temperature relaxation process was found for both polymers. This process was assigned to the methyl group rotation. It was analysed in terms of a jump diffusion in a three-fold potential. The analysis of the dependence of the elastic incoherent structure factor on the scattering vector yields the number of methyl groups which might be immobilized.
The neutron scattering experiments were accompanied by fast scanning calorimetry and broadband dielectric investigations as well as atomistic molecular dynamic simulations.
Steelmaking slag is a by-product of steel production, of which 4.5 Mt were produced in 2020 in Germany alone. It is mainly used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. A smaller part is returned to the metallurgical cycle, used as fertiliser or landfilled.
With this use, iron oxides still contained in steelmaking slag are lost. In addition, the possibility of producing higher-grade products from steelmaking slag is foregone. In recent decades, many researchers have investigated the production of Portland cement clinker and crude iron from basic oxygen furnace slags (BOFS) via a reductive treatment. Carbothermal treatment of liquid BOFS causes a reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density. Simultaneously, the chemical composition of the reduced slag is adapted to that of Portland cement clinker.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as a reducing agent. The resulting low-iron mineral product has a similar chemical composition to Portland cement clinker and was rich in the tricalcium silicate solid solution alite (Ca3SiO5). Based on its chemical and mineralogical composition, similar to that of Portland cement clinker, the reduced BOFS has the potential to react comparably. In our study, the reduced BOFS produced less hydration heat than OPC, and its hydraulic reaction was delayed. However, adding gypsum has shown to accelerate the hydration rate of the reduced BOFS compared to that known from the calcium silicates of Portland cement clinker.
Further research to improve the hydraulic properties of the reduced slag is essential. If successful, producing a hydraulic binder and crude iron from BOFS has economic and ecological benefits for both the cement and steel industries.
Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR-Spektroskopie) stellt eine innovative und wirkungsvolle Methode zur Charakterisierung von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln dar. So erlaubt die FTIRCharakterisierung nicht nur eine Bewertung des Alterungsfortschritts eines Bindemittels, sondern zudem auch die Identifizierung von im Bitumen enthaltenen Additiven und Schadstoffen wie z. B. polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die Ableitung verschiedener physikalischer und chemischer Kennwerte sowie weiterhin eine Klassifizierung von Bindemitteln nach verschiedenen übergeordneten Eigenschaften wie der Raffinerie, dem Alterungszustand und auch der Alterungsempfindlichkeit.
Algal biofilm façades are an alternative to traditional green façades which can help to improve biodiversity and air quality within cities. They present a low maintenance approach in which subaerial algae are grown directly on concrete substrates. The intrinsic bioreceptivity of the substrate is a critical factor in successful facade colonisation. Existing research has identified several environmental and material properties which influence concrete bioreceptivity, however a consensus has yet to be made on which properties are most influential and how the interaction between properties may promote algal biofilm growth under specific conditions.
Even after autoclaving for 2 weeks in the temperature range of 120 to 200 °C, CEM I paste with a water-to-cement ratio of 0.5 still contains some low-crystalline C-S-H. The conversion of low-crystalline C-S-H to crystalline is faster with increasing temperature. The observed low-crystalline and crystalline C-S-H phases (reinhardbraunsite, jaffeite) indicate that the sampleshave not reached equilibrium yet under these experimental conditions. However, there is a good agreement between experiment and thermodynamic modelling for the other solids indicating that the used datasets are suitable for this application.
Building envelopes & natural rock surfaces represent the frontier between solid material surfaces, biosphere and the atmospheric environment – and are subject to permanent change in structure and chemistry. These surfaces are a natural habitat of subaerial rock biofilms (SAB) that are an important stage of primary succession. As their metabolic processes have a great impact on the composition of the near-surface layers of the earth biofilms on natural and manmade hard substrates are a research focus of geomicrobiology. In technical systems immobilized algae biofilms are already used successfully for wastewater cleaning. Algae can eliminate bacteria from the water and at the same time increase the oxygen concentration and the pH value in the water through photosynthesis, which again allows phosphate elimination to take place. Nitrificants contained in the algae biofilm convert ammonium to nitrite and nitrate.
Mineral claddings for building facades could be engineered to sustain either natural or previously established carefully selected algae-dominated biofilms and this way help to clean the air.
For a targeted engineering of the mineral substrates and the biofilms attached to them basic knowledge is however missing. By systematic research in an interdisciplinary team of microbiologists and building material scientists the following questions shall be clarified
• How can a curated biofilm be stabilized on the surface and designed to be durable without compromising the substrate
• What exactly do the biofilms need in terms of moisture in their respective growth stages? Or how long water must be available in what form and quantity to enable growth.
• What is the influence of the substrate on the availability and quality of the (rain) water (water quality, leaching of substances (alkalis) from the building materials, leaching of aerosol components, surface tension, suction tension, thickness of the water molecule layers adsorbed in the pore spaces....)
There are several research groups working on bioreceptive building materials which emphasizes the general interest in the topic. The idea of speeding-up the process by the targeted establishment of biofilms on building façade panels is a unique approach that has so far only been researched at BAM. Architects are very interested in biofilm facades as a new co-designing method of humans and nature reflecting the changing awareness for the loss of biodiversity in cities. If the biofilms need irrigation the evaporative cooling would reduce the urban heat island effect.
Even after autoclaving for 2 weeks in the temperature range of 120 to 200 °C, CEM I paste with a water-to-cement ratio of 0.5 still contains some low-crystalline C-S-H. The conversion of low-crystalline C-S-H to crystalline is faster with increasing temperature. The observed low-crystalline and crystalline C-S-H phases (reinhardbraunsite, jaffeite) indicate that the samples have not reached equilibrium yet under these experimental conditions. However, there is a good agreement between experiment and thermodynamic modelling for the other solids indicating that the used datasets are suitable for this application.
The dataset provided in this repository comprises data obtained from a series of full-notch creep tests (FNCT) performed on selected high-density polyethylene (PE-HD) materials (for further details, see section 1 Materials in this document) in accordance with the corresponding standard ISO 16770.
The FNCT is one of the mechanical testing procedures used to characterize polymer materials with respect to their environmental stress cracking (ESC) behavior. It is widely applied for PE-HD materials, that are predominantly used for pipe and container applications. It is based on the determination of the time to failure for a test specimen under constant mechanical load in a well-defined and temperature controlled liquid environment. The test device used here also allows for continuous monitoring of applied force, specimen elongation and temperature.
Die heute in der Anwendung befindlichen Bemessungskonzepte für Ermüdung von Beton stammen zum Teil noch aus den 1990er Jahren und sind speziell hinsichtlich hochfester Betone konservativ ausgelegt. Um die Vorteile von Türmen für Windkraftanlagen, vor allem auch aus hochfesten Betonen, im Zuge des geplanten Ausbaus der Windenergieversorgung in Deutschland wirtschaftlich nutzbar zu machen, müssen diese Bemessungskonzepte weiterentwickelt werden. Dafür sind umfangreiche Untersuchungen zur Ermittlung von Bruchlastwechselzahlen und zur Charakterisierung der Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung erforderlich. Allgemein anerkannte bzw. verbindliche Regelwerke oder Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit (Bruchlastwechselzahlen) an Betonproben gibt es zurzeit aber nicht und die bisher durchgeführten Untersuchungen variieren in Parametern wie Probengeometrie, Probengröße und Prüffrequenz. Eine vergleichende Analyse der Ergebnisse der Studien und insbesondere die Übertragbarkeit auf bauteilrelevante Abmessungen ist auf dieser Grundlage nur sehr eingeschränkt möglich.
Admixtures are important constituents to enhance the performance of concrete. They allow for more efficient use of binders which can mitigate negative environmental impacts from producing cement-based materials. Commonly used rheology modifying agents like polycarboxylate ethers or cellulose ethers are synthetic or semi-synthetic, respectively. This requires additional energy consumption for their production and global supply chains particularly for many developing regions, which will be large consumers of concrete in the future. However, many locally available bio-based polysaccharides could be effectively used instead. These polymers are often overlooked by engineers and scientists due to their limited distribution and inherent complexity, yet they represent an underleveraged source of precursors for admixtures. This study investigates the action mechanisms of some bio-based rheology modifying agents, i.e., acacia gum and miscanthus gum, and provides a comparison to a conventionally modified starch. The results show that the mechanism of action of these polymers is closely related to the composition of the mixture, mixing regime, and the composition of the aqueous phase. Depending on the agent, either plasticizing or stabilizing effects on rheology can be revealed.
Neubewertung von metallenen Dach- und Fassadenmaterialien unter Dauerhaftigkeits- und Umweltaspekten
(2023)
Metallene Dach- und Fassadenmaterialien unterliegen nach ihrer Installation infolge von Korrosions- und Abschwemmprozessen einem Abtrag von Metallionen. Durch Regenereignisse gelangen diese in umliegende Gewässer und Böden. Die verwendeten metallenen Werkstoffe, wie z.B. Kupfer und Zink bilden zeitabhängig schützende Deckschichten aus, die die Dauerhaftigkeit der Werkstoffe gewährleisten und damit den Austrag von Metallionen signifikant begrenzen. Die Geschwindigkeit der Deckschichtbildung sowie die erreichte Schutzwirkung sind von verschiedenen Umwelteinflüssen und klimatischen Bedingungen abhängig. Diese haben sich in den letzten Jahrzehnten in Europa stark verändert, so dass es einer aktuellen Datenbasis für die Bewertung der Dauerhaftigkeit und der Umweltauswirkungen bedarf. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens werden aktuell Feldstudien zur Ermittlung des Runoffs und der Schutzwirkung der gebildeten Deckschichten durchgeführt. Ergänzt werden diese durch Laborversuche mit künstlicher Beregnung.
Bedingung für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ist die vollständige Ausbildung der Passivschicht. Voraussetzung dafür sind glatte, blanke, saubere Oberfläche, eine gleichmäßige Elementverteilung, wenig Ausscheidungen und Verunreinigungen. Eine mögliche Beeinflussung der Gefügeausbildung durch Warmumformung und durch die schweißtechnische Verarbeitung sind zu beachten. Anlauffarben müssen durch geeignete geeignete chemische bzw. mechanische Nachbehandlung entfernt werden. Eine ausreichende Nachbehandlung kann durch elektrochemische Prüfverfahren ebenso sichergestellt werden wie mittels der KorroPad-Prüfmethode. Letzte ist einfach und schnell in der Anwendung und ermöglicht es dem Verarbeiter, die Geeignetheit einer Nachbehandlung zu überprüfen.
In this paper, we demonstrate the value of 1H NMR
relaxometry for studying the hydration of clinker-reduced, more
climate-friendly cementitious binders. The results were obtained
on typical CEM I cements and samples containing two different
reactive agricultural ashes as well as non-reactive biochars as
supplementary cementitious materials. The findings prove that
time-resolved NMR measurements provide valuable additional
information when combined with classical heat flow calorimetry.
In the late 1980s, a new type of corrosion appeared in drinking water installations where galvanized steel pipes failed forming a deep groove with no corrosion at the other surfaces. The reason was discussed quite fiercely between failure analysts and material suppliers. In the end the discussion lead to the solution: inductive welded pipes of a certain sulphur content were prone to selective corrosion. The history of the arguments is discussed using old communications between Wilhelm Schwenk and Wolfgang Stichel, who later published the results in a paper unfortunately only I german.
Thus the knowledge got lost and new cases based on the same material problems are observed in application of so-called C-Steel piping systems. Failure cases are shown.
Steelmaking slag is a by-product of steel production of which 4.5 Mt were produced in 2020 in Germany alone. It is mainly used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. A smaller part is returned to the metallurgical circle, used as fertilizer or landfilled.
With this use, iron oxides still contained in steelmaking slag are lost. In addition, the possibility of producing higher-grade products from steelmaking slag is foregone. In recent decades, many researchers have investigated the production of Portland cement clinker and crude iron from basic oxygen furnace slags (BOFS) via a reductive treatment. Carbothermal treatment of liquid BOFS causes a reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density. Simultaneously, the chemical composition of the reduced slag is adapted to that of the Portland cement clinker.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as a reducing agent. The resulting low-iron mineral product had a similar chemical composition to Portland cement clinker and was rich in the tricalcium silicate solid solution alite (Ca3SiO5). Based on its chemical and mineralogical composition, similar to that of Portland cement clinker, the reduced BOFS has the potential to react comparably. In our study, the reduced BOFS produced less heat of hydration compared to OPC and its hydraulic reaction was delayed. However, adding gypsum has been shown to accelerate the hydration rate of the reduced BOFS compared to that known from the calcium silicates of Portland cement clinker.
Further research to improve the hydraulic properties of the reduced slag is essential. If successful, producing a hydraulic binder and crude iron from BOFS could have economic and ecological benefits for both the cement and steel industry.
In the late 1980s, a new type of corrosion appeared in drinking water installations where galvanized steel pipes failed forming a deep groove with no corrosion at the other surfaces. The reason was discussed quite fiercely between failure analysts and material suppliers. In the end the discussion lead to the solution: inductive welded pipes of a certain sulphur content were prone to selective corrosion. The history of the arguments is discussed using old communications between Wilhelm Schwenk and Wolfgang Stichel, who later published the results in a paper unfortunately only I german.
Thus the knowledge got lost and new cases based on the same material problems are observed in application of so-called C-Steel piping systems. Failure cases are shown.
Anhand der Wirksumme ist eine Abschätzung des legierungsabhängigen Einflusses auf den Korrosionswiderstand gegen chloridhaltige Medien möglich. Die berechneten Werte sind nur bei optimaler Wärmebehandlung und Verarbeitung zutreffend.
Die Anwendung einer einfachen Formel unter Berücksichtigung von Chrom, Molybdän und Stickstoff ist in der Regel völlig ausreichend. Das daraus abgeleitete Ranking von Werkstoffen ist für diverse technische Regelwerke und zur Unterstützung der Werkstoffauswahl geeignet.
Für die Warenein-/Ausgangskontrolle ist die alleinige Feststellung der Wirksumme unzureichend. Ergänzende Korrosionsuntersuchungen/-prüfungen zur Beschreibung des Korrosionswiderstandes sind dafür notwendig. Gleiches gilt für die Beurteilung von Schadensfällen. Hier sind Verarbeitung, Einsatzbedingungen und die Konstruktion von ausschlaggebender Bedeutung.
Viscosity modifying agents: Key components of advanced cement-based materials with adapted rheology
(2022)
Viscosity modifying agents (VMAs) are essential ingredients for the production of flowable cement-based materials. This paper presents an overview of commonly used VMAs and attempts to shed some light on the underlying physics at the origin of their mechanisms of action. The main molecular parameters of VMA controlling the rheological properties of the cement pore solution are highlighted. As the mechanisms of action of VMAs in cement-based materials are closely related to their affinity with the surface of cement particles, the adsorption of the main VMA types is discussed. The effect of VMAs on flow properties and stability of cement-based materials is presented for VMAs added without any superplasticizer, and then in systems incorporating both VMAs and superplasticizers. Finally, the effect of VMAs in enhancing concrete properties to secure adequate performance of different construction applications, and perspectives for future developments of novel cement-based materials made with VMAs are showcased.
Understanding the fundamentals of bioreceptivity enables the developement of functionalized materials. Concrete as the most used building material worldwide is of special interest as microbially greened panels may represent an alternative to classic façade greening with plants.
As standards are not ye established, material characterization in context as well as bioreceptivity assessment itself has been proven to be difficult. The presentation reviews first results of methods adapted for this application.
Bewertung der Innenhydrophobierung als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie bei Betonfahrbahndecken
(2023)
Zur Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im deutschen Autobahnnetz wurden mit dem ARS 04/2013 verbindliche Eignungsprüfungen zum Ausschluss alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen bei Neubau- und Erhaltungsmaßnahmen eingeführt. Das hatte eine signifikante Reduzierung geeigneter Gesteinskörnungen zur Folge. Deshalb wird geprüft, ob durch die Zugabe eines Hydrophobierungsmittels während der Betonherstellung grenzwertig alkaliempfindliche Gesteinskörnungen nutzbar gemacht werden können. In diesem Beitrag wird der Einfluss der Dosierung eines Compounds mit Hydrophobierungsmittel (HM) auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines Waschbetons mit einer reaktiven Grauwacke dargestellt. Es zeigt sich, dass aufgrund des Antagonismus die zunehmende Dosierung des HM-Compounds eine signifikante Erhöhung der Zugabe des Luftporenbildners auf Wurzelharzbasis erfordert. Der AKR-Schädigungsprozess wird ab einer Dosierung des HM-Compounds von 0,75 M.-%, bezogen auf den Zementgehalt, hinreichend vermindert. Die mechanischen Eigenschaften des hydrophobierten Waschbetons verschlechtern sich im betrachteten Dosierungsbereich des HM-Compounds nur geringfügig. Auch der Frost-Tausalz-Widerstand vermindert sich, ohne den normativen Grenzwert für die Abwitterung zu überschreiten.