Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Einfluss einer druckschwellinduzierten Degradation von Fahrbahndeckenbeton auf die schädigende AKR
(2020)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Neben dem AKR-fördernden Einfluss von alkalihaltigen Taumitteln werden Fahrbahndecken zyklischen mechanischen Belastungen infolge des Verkehrs und Zwangsspannungen durch klimatische Einwirkungen ausgesetzt. Solche mechanischen Belastungen werden bisher in keinem AKR-Prüfverfahren berücksichtigt. Die zyklischen Belastungen können zu einer Degradation des Betongefüges führen, die ggf. einen AKR-fördernden Einfluss hat. Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, die zur Beantwortung der Frage nach dem Einfluss einer zyklischen mechanischen Belastung auf den AKR-Schadensprozess beitragen. Dabei wird der Hypothese nachgegangen, dass die ermüdungsinduzierte Degradation zu einer Erhöhung des Stofftransports führt.
Dieser hat einen Einfluss auf die AKR-Schadensentwicklung, da die Reaktionspartner zunächst zum Reaktionsort transportiert werden müssen. Daher wird angenommen, dass sich mit dem Stofftransport auch die AKR-Schädigung verstärkt. Es werden Betonproben aus typischen Fahrbahndeckenbetonen einer vorgeschalteten zyklischen Druckschwellbelastung ausgesetzt.
Die Degradation infolge der Vorbelastung wird simultan mittels ZfP-Verfahren charakterisiert. Anschließend werden die Auswirkungen der zyklischen Vorschädigung auf den Stofftransport sowie auf die AKR vergleichend an Prüfkörpern ohne und mit Vorschädigung untersucht. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die zyklische Vorschädigung sowohl den Stofftransport als auch die AKR fördert.
O-rings made of HNBR, EPDM and FKM were aged in the compressed and uncompressed state at 150 °C, 125 °C, 100 °C, 75 °C, 60 °C and 23 °C for aging times of up to five years. Hardness was measured and increased with aging time and temperature for HNBR and EPDM, but it remained practically constant for FKM. Indenter modulus measurements were performed on the lateral O-ring surface (that was free of DLO effects) to assess an influence of the compression during aging, but none was detected. The equilibrium compression set (CS) exhibited faster and stronger degradation than hardness and was used for lifetime predictions using the time-temperature superposition (TTS) principle. With an end-of-lifetime criterion of 70 % CS, lifetimes of 4.5 years, 50 years and 526 years at 75 °C were estimated for HNBR, EPDM and FKM, respectively. The activation energies derived from an Arrhenius plot of the shift factors from the TTS were 85 kJ/mol, 99 kJ/mol and 78 kJ/mol for HNBR, EPDM and FKM, respectively, revealing that a higher activation energy does not necessarily mean that the material has a higher lifetime at lower temperatures. Furthermore, the measured lifetime of EPDM O-rings at 100 °C (5 years) was compared to that predicted on the basis of the lifetime at 150 °C as well as 125 °C using the corresponding shift factors. The error of the prediction was only ± 4 %. However, this precise prediction could only be achieved using the five-year long-term aging data. When using only data from aging times up to 0.5 years and 2 years, the lifetime of EPDM O-rings at 100 °C was underestimated by 31 % and 22 %, respectively.
The impact fracture behavior of two common high-density polyethylene grades for container applications were intensively studied by the instrumented Charpy impact test after well-defined exposure to UV-irradiation. Individual stages of the impact event, such as crack initiation and crack propagation energy as well as maximum impact load, were investigated from the recorded load–deflection curves. UV-induced material property changes were further investigated by infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and dynamic-mechanical analysis as well as density measurements. Based on the results of the Charpy impact test, three indicators were identified to describe the extend of photooxidation on high-density polyethylene: (a) a reduced Charpy impact strength—at least to half of its initial value for a distinctly brittle impact fracture, (b) a marked decrease in the crack propagation contribution to the impact strength, and (c) an increase of the brittle features of the fracture surface.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen.
In diesem vierten und letzten Teil dieser Aufsatzreihe werden die Ergebnisse der analytischen Beanspruchungsanalysen vorgestellt, die mit dem entwickelten Hybrid-Behältermodell berechnet wurden. Unter simulierten Einsatzbedingungen des Brandeinsatzes wird dabei ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten berücksichtigt. Zur Bewertung der realen Degradation einer Atemluftflasche im Feuerwehrbetrieb, werden zudem die Ergebnisse von 90 zerstörenden Prüfungen vorgestellt, die an altersbedingt ausgesonderten Atemluftflaschen durchgeführt wurden. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden final in einer sicherheitstechnischen Bewertung kondensiert.
Polyether and -ester urethanes (PU) were exposed to artificial weathering at 40 °C and artificial UV radiation in a weathering chamber. In 3 parallel exposures, humidity was varied between dry, humid, and wet conditions. Material alteration was investigated by various analytical techniques like size exclusion chromatography
(SEC), liquid chromatography-infrared spectroscopy (LC-FTIR), thermal-desorption gas chromatography-mass spectrometry (TD-GC-MS), fluorescence mapping and dynamic mechanical analysis (DMA). Our results show that depending on the weathering conditions, different degradation effects can be observed. By means of SEC an initial strong decrease of the molar masses and a broadening of the mass distributions was found. After a material dependent time span this was followed by a plateau where molar mass changes were less significant. A minor moisture-dependent degradation effect was only found for polyester PU. Fluorescence measurements on two materials revealed an increase in the luminescence intensity upon weathering process reaching a saturation level after about 500 h. The changes in the optical properties observed after different exposure conditions and times were very similar. The TD-GC-MS data showed the fate of the stabilizers and antioxidant in the course of weathering. LC-FTIR measurements revealed a change in peak intensities and the ratio of urethane and carbonyl bands.
The physical and chemical effects of diesel and biodiesel fuels on two high-density polyethylene (PE-HD) types were investigated. Both semi-crystalline PE-HD are common thermoplastic materials for container and storage tank applications. Biodiesel, a composition of unsaturated fatty acid esters from renewable resources, was chosen as it is regarded a possible green alternative to fossil fuels. The study aims at identifying significant differences between biodiesel and conventional diesel fuels based on the differences in the chemical nature of the two. The physical effects of the fuels on the polymer at first comprises the sorption behavior, i.e. kinetics and final equilibrium concentration. Not only are both fuels absorbed by the amorphous phase of the semi-crystalline PE-HD, they also induce a plasticization effect that modifies the molecular mobility and therefore also the characteristic yielding properties, manifest in the obtained stress-strain curves. The chemical effects related to degradation phenomena is investigated by a long-term storage scenario using partially immersed tensile test specimens in diesel and biodiesel. We were able to confirm the proposed co-oxidation mechanism by Richaud et al. for polyethylene-unsaturated penetrant systems on a larger scale based on practical tensile tests. One of the investigated polyethylene grades subjected to tensile drawing showed a significant loss of plastic deformation and the onset of premature failure after 150 days of storage in biodiesel. Further biodiesel storage showed a systematically reduced elongation at break before necking. None of these effects were observed in diesel. Oxidation of fuels and polymer after progressing storage times were analyzed by the evolution of carbonyl species in FT-IR/ATR spectroscopy.
Three-dimensional (3D) γ-MnO2@ZnFe2O4/reduced graphene oxide (rGO) nanohybrids were synthesized using a one-pot hydrothermal self-assembly method. The morphology and properties of the nanohybrids were investigated.
The synergistic interactions among γ-MnO2, ZnFe2O4, and rGO resulted in 3D nanoflakes distributed uniformly in the rGO structure with a thickness of approximately 2–5 nm, leading to a high surface area. The nanohybrid containing 10 wt. % rGO exhibited superior catalytic activities for phenol degradation through the activation of peroxymonosulfate (PMS) to generate active sulfate radicals (SO4 •–). Typically, 50 mL of a 20 ppm phenol solution was degraded completely and 85% of the carbon content had been mineralized in 30 min at 25 °C using 10 mg of the nanohybrid. The nanohybrid could be recovered easily using a magnet and reused, maintaining high stability during catalytic oxidation. The 3D γ-MnO2@ZnFe2O4/rGO nanohybrid catalyst could be applied to the removal of hard-to-degrade waste materials owing to its high efficiency and excellent reusability.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.
Visualization of surface modifications may be very challenging for coating/substrate systems of either almost identical optical constants, e.g. transparent films on substrates of the same material, or minor film thickness, substance quantity and affected area, e.g. ultra-thin or island films. Methods for visualization are optical microscopy (OM), imaging ellipsometry (IE), and referenced spectroscopic ellipsometry (RSE). Imaging ellipsometry operates at oblique incidence near Brewster angle of the bare, clean or unmodified substrate. In this configuration, reflected intensities are rather weak. However, the contrast to add-on and sub-off features may be superior. Referenced spectroscopic ellipsometry operates in a two-sample configuration but with much higher intensities. In many cases, both ellipsometric techniques reveal and visualize thin films, printed-pattern, laser-induced changes, and impurities better than optical microscopy. In particular for stratified homogeneous modifications, ellipsometric techniques give access to modelling and hence thickness determination. Modifications under investigation are polymer foil residue on silicon, laser-induced changes of ta-C:H coatings on 100Cr6 steel, imperfections of ta-C:H on thermal silicon oxide, degradation of glass, thin film tin oxide pattern on silicon, printed and dried pattern of liquids such as deionized water, cleaning agents, and dissolved silicone. © 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.