Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Elastomers, such as hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber (HNBR) are usually mechanically reinforced with high loadings of carbon black (CB) to achieve the properties demanded; high amounts of mineral flame retardants are used to fulfill fire safety requirements. These high filler loadings sometimes cause deterioration of the physical properties of the material. In this study, multilayer graphene (MLG), a nanoparticle made of only 10 graphene sheets, is applied in low loadings (3 phr) to reduce the total amount of filler or boost performance.1,2,3 In former studies nanofiller achieved increased flame retardancy at very low lowdings.4,5,6 The dispersion of the nanofiller is essential for the properties of the nanocomposites.7 The nanocomposites were prepared via master batch by an ultrasonically assisted solution mixing and subsequent conventional two-roll milling.
SEM and TEM micrographs and rheological measurements revealed that the MLG nanoparticles were well dispersed in the HNBR matrix. In the HNBR nanocomposites, 3 phr MLG replaced 15 phr CB, 3 phr ATH or 15 phr CB + 3 phr ATH and achieved large consistent improvement in curing, rheological and mechanical properties of the HNBR. The nanocomposites with partial replaced CB reduced the filler loading up to 60% without any deterioration of the properties. The HNBR/MLG nanocomposites achieved an even higher Young’s modulus, hardness and thermal conductivity. MLG achieved advanced flame retardancy by improving the protection layer. The layer is created during the burning phase and acted as an afterglow suppressor. This study proposed the combination of ATH with MLG as a promising approach to reduce the amount of filler, in addition to improving the mechanical properties and fire performance of HNBR rubbers.
High performance polymers of intrinsic microporosity (PIMs) have emerged as novel materials with broad applications from gas separation to electronic devices. Sufficiently rigid, even contorted polymer chains show only limited molecular mobility, therefore undergo inefficient packing and give rise to intrinsic microporosity with pore size generally smaller than 1 nm and BET surface areas larger than 700 m2/g. Further performance optimization and long-term stability of devices incorporating PIMs rely on our understanding of structure-processing-property relationships and physical aging, in which glass transition plays a key role. Up to now no glass transition temperature (Tg) of PIMs could be detected with conventional thermal analysis techniques before degradation. Decoupling the time scales responsible for the glass transition and the thermal decomposition is a reliable strategy to overcome this. This was achieved by employing fast scanning calorimetry (FSC) based on a chip sensor, which is capable to heat and cool a small sample (ng-range) with ultrafast rates of several ten thousand K/s. FSC provides definitive evidence of glass transition of a series of PIMs with a special consideration on the chain rigidity. The determined glass transition temperature of these PIMs follows the order of the rigidity of their backbone structures. FSC provides the first clear-cut experimental evidence of the glass transition of PIM-EA-TB with a Tg of 663 K, PIM-1 of 644 K and PIM-DMDPH-TB of 630 K at a heating rate of 1Χ104 K/s. Local fluctuations are featured in glass transition of highly rigid PIMs. As conformational changes are prevented by the backbone rigidity, the glass transition must rather be assigned to local small scale fluctuations.
Für Bauteile (Komponenten) von Versorgungsanlagen für flüssige Brenn- und Kraftstoffe muss die Beständigkeit der metallenen Werkstoffe und Polymere nachgewiesen werden. Im Anwendungsfall von Heizöl mit 20 % biogenen Anteilen in Form von Rapsölfettsäuremethylester (FAME, Biodiesel) ist es für eine konservative Beurteilung des Korrosionssystems Werkstoff/Medium/Umgebung wichtig, die Alterungseffekte des Mediums einzubeziehen.
Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Untersuchung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen und Polymeren in Heizöl und Heizöl-FAME-Blends, das für eine Vorauswahl der Werkstoffe und zum Nachweis der Beständigkeit im Hinblick auf die bauaufsichtlichen Zulassungsverfahren geeignet ist. Ein Schwerpunkt wird bei den metallenen Werkstoffen auf der Erprobung von Messmethoden liegen, mit denen sich in kurzer Versuchszeit ein Korrosionsangriff detektieren lässt.
Metallene Werkstoffe:
Weder örtliche Korrosion noch erhöhte Flächenkorrosion (Korrosionsrate:< 0,1 m/Jahr) sind bei den bisher geprüften Werkstoffen: Aluminium,
C-Stahl 1.0037, austenitischer CrNi-Stahl 1.4301, Kupfer und Messing in Heizöl und B20 (Heizöl mit 20% Biodiesel) aufgetreten. Diese Werkstoffe sind in den Prüfmedien Heizöl und B20 als beständig zu bewerten.
Es wurde keine signifikante Veränderung des pH-Wertes der Prüfmedien gemessen.
Polymere:
Massebestimmung:
Die Prüfkörper der Elastomere ACM, HNBR und PUR sowie in geringerem Maße PE neigten zur Quellung in Heizöl und B20 nach 42 d und 84 d Auslagerung; für PA 6, POM und PVC wurde keine Masseänderung gemessen. Die Masseänderung der Prüfkörper in Heizöl und B20 ist mit Ausnahme von PUR vergleichbar. Bei PE traten Verfärbungen durch die Brennstoffe auf.
Zugeigenschaften:
ACM, HNBR, PE und PVC sind in Heizöl und B20 beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 15 % beträgt. PA und POM sind bedingt beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 30% beträgt.
Compatibility of polymeric materials with heating oil/biodiesel blends at different temperatures
(2019)
Materials compatibility is a major concern whenever the fuel composition is changed. The question arises of whether polymeric materials are resistant to heating oil with admixtures of 10 % biodiesel (B10) and 20 % biodiesel (B20).
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extrac-tion. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties and chemical changes of polymeric materials.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used sealing materials such as FKM, EPDM, CR, CSM, NBR, IIR, VMQ, FVMQ, PA and PUR in up to four-year aged B10 for 84 days at 20 °C, 40 °C and 70 °C.
The polymeric materials: ACM, FKM, HNBR, PA, PE; POM, PUR and PVC were ex-posed to B20 for 84 days at 40°C and 70°C in another research project.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after the exposure for 84 (42) days in the heating oil blends B10 and B20.
There is not determined a threshold for the reduction in tensile properties and Shore hardness in the international standards. Therefore, a threshold of 15 % was deter-mined for the evaluation of the compatibility.
Measurements of the variations in mass, tensile properties and Shore hardness after exposure of the polymers in non-aged and aged heating oil B10 showed clearly that FKM, FVMQ and PA were the most resistant materials in B10. The elastomers CR, CSM, EPDM, IIR, NBR and VMQ were generally not resistant to B10. Damage to the materials increased with higher test temperatures and the age of B10.
FKM, POM and PVC showed high compatibility in B20 at 40°C and 70 °C. ACM, HNBR and PA were evaluated as resistant in B20 at 40 °C but not at 70°C.
Für Bauteile (Komponenten) von Versorgungsanlagen für flüssige Brenn- und Kraftstoffe muss die Beständigkeit der metallenen Werkstoffe und Polymere nachgewiesen werden. Im Anwendungsfall von Heizöl mit 20 % biogenen Anteilen in Form von Rapsölfettsäuremethylester (FAME, Biodiesel) ist es für eine konservative Beurteilung des Korrosionssystems Werkstoff/Medium/Umgebung wichtig, die Alterungseffekte des Mediums einzubeziehen.
Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Untersuchung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen und Polymeren in Heizöl und Heizöl-FAME-Blends, das für eine Vorauswahl der Werkstoffe und zum Nachweis der Beständigkeit im Hinblick auf die bauaufsichtlichen Zulassungsverfahren geeignet ist. Ein Schwerpunkt wird bei den metallenen Werkstoffen auf der Erprobung von Messmethoden liegen, mit denen sich in kurzer Versuchszeit ein Korrosionsangriff detektieren lässt.
Die untersuchten Werkstoffe Aluminium, Stahl 1.0037, 1.4301, Kupfer, Messing (CuZn40Pb) und Zink (ZP0410) sind in B0, B20, B100 und in 6 Jahre altem B100 beständig.
Auch in einem Jahr alten B20 und in einem Jahr alten B100 sind die Werkstoffe beständig.
Bei Kupfer blieb die Korrosionsrate in der Flüssigphase sowohl in B20 (0 μ m/ a) als auch in B100 (4 μ m/ a) nach einem Jahr unverändert. Für das 6 Jahre alte B100 stieg die Korrosionsrate des Kupfers an (16 μ m/a). Im Gegensatz dazu sank bei Messing die Korrosionsrate in der Flüssigphase mit dem Alter des Brennstoffs, nach einem Jahr für B20 von 4 μ m/ a auf 1 μ m/a und für B100 von 36 μ m/ a auf 6 μ m/ a, im 6 Jahre alten B100 lag die Korrosionsrate des Messings bei 0 μ m/ a.
In 8 Jahre altem B10 trat bei Zink in der Flüssigphase Flächenkorrosion auf, es ist in dem Medium demnach nicht beständig. Messing zeigte örtliche Korrosion in der Gasphase, es ist folglich unbeständig und für den Einsatz in stark gealterten B10 nicht geeignet.
Aluminium, 1.0037, 1.4301 und Kupfer sind in dem 8 Jahre alten B10 beständig.
Die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung von ACM, HNBR und FKM in Heizöl, B20 und gealterten B10 beträgt < 15 %. Diese Werkstoffe sind in Heizöl, B20 und in gealterten B10 unter Berücksichtigung des von der BAM zur Beurteilung der Beständigkeit festgelegten Grenzwertes von 15 % bei 40 °C als beständig zu bewerten.
PUR ist bei 40 °C nicht beständig in B20 und in gealtertem B10. Bei 70 °C ist HNBR nicht in B20 beständig aufgrund der Verringerung der Zugfestigkeit (40 %) und der Reißdehnung (50 %). FKM ist bei 70 °C in Heizöl und in B20 beständig.
Biodiesel is subject to degradation processes like oil and grease. The oxidative degradation products of vegetable oil esters in biodiesel particularly lead to enhanced sedimentation in blended fuels.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extraction. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties and chemical changes of polymeric materials. It also accelerates the degradation (hydrolysis and oxidation) of these materials with the loss of additives and stabilizers.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used polymeric materials such as ACM, EPDM, FKM, FVMQ, CR, CSM, IIR, HNBR, NBR, PA, PE; POM, PUR, PVC and VMQ in biodiesel and heating oil with 10 %/20 % biodiesel (B10/B20) at 40°C and 70°C.
Mass, tensile strength and breaking elongation of the test specimens were determined before and after the exposure for 84 days in the biodiesel heating oil blends. The visual examination of some elastomer test specimens clearly showed the great volume increase until break or partial dissolution. Shore hardness A and D were determined before and after exposure of the test specimens in the biofuels for 42 days.
The elastomers CR, CSM, EPDM, IIR, NBR and VMQ were generally not resistant to biodiesel and B10 at 40°C and 70°C. FKM, ACM, HNBR, PA, PE, POM, and PVC showed high compatibility in B10/B20 at 40°C. A lower compatibility was determined for ACM in biodiesel. ACM and HNBR were not resistant in B20 at 70°C.
Für Bauteile (Komponenten) von Versorgungsanlagen für flüssige Brenn- und Kraftstoffe muss die Beständigkeit der metallenen Werkstoffe und Polymere nachgewiesen werden. Im Anwendungsfall von Heizöl mit 20 % biogenen Anteilen in Form von Rapsölfettsäuremethylester (FAME, Biodiesel) ist es für eine konservative Beurteilung des Korrosionssystems Werkstoff/Medium/Umgebung wichtig, die Alterungseffekte des Mediums einzubeziehen.
Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Untersuchung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen und Polymeren in Heizöl und Heizöl-Biodiesel-Blends, das für eine Vorauswahl der Werkstoffe und zum Nachweis der Beständigkeit im Hinblick auf die bauaufsichtlichen Zulassungsverfahren geeignet ist. Ein Schwerpunkt wird bei den metallenen Werkstoffen auf der Erprobung von Messmethoden liegen, mit denen sich in kurzer Versuchszeit ein Korrosionsangriff detektieren lässt.
Biodiesel is viewed as a major source of energy. In areas such as the European Union, where 80 % of the oil-based fuel is imported, there is also the desire to reduce dependence on external oil supplies.
Materials compatibility is a major concern whenever the fuel composition is changed. The question arises of whether polymeric materials are resistant to heating oil with 20 % biodiesel (B20) in comparison to pure heating oil.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extraction. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties. Extraction alters the fuel chemistry. These chemical changes could also accelerate the degradation (hydrolysis and oxidation) of the polymeric material with the loss of additives and stabilizers.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used materials for components in middle distillate facilities such as ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC in heating oil and heating oil blend B20 for 84 days at 40 °C, and FKM, HNBR, PA, POM, PUR and PVC at 70 °C.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after exposure for 84 (42) days in the test fuels under static conditions.
For the investigations under compressed conditions, the mass and the compression set of FKM test specimens were determined before and after exposure for 3, 7, 14, 28, 56 and 90 days in B20 at 40 °C and 70 °C according to ISO 815-1 “Rubber, vul-canized or thermoplastic - determination of compression set – Part 1: At ambient or elevated temperatures”.
There is not determined a threshold for the reduction in tensile properties and Shore hardness in the international standards. Therefore, a threshold of 15 % was determined for the evaluation of the compatibility.
The change of tensile strength and breaking elongation of test specimens made of ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC exposed to heating oil and the blend B20 was less than 15 % at 40 °C. A maximum reduction in Shore hardness A of 14 % was determined for ACM at 40 °C and for HNBR of 15 % at 70 °C.
It can be concluded that ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PVC and PUR were resistant in B20 at 40°C. FKM, PA, POM and PVC were evaluated as resistant in heat-ing oil and B20 at 70 °C, HNBR and PUR were not resistant in these fuels at 70°C.
Based on the mass increase and compression set values of FKM test specimens it can be stated that FKM is resistant in B20 under compressed conditions at 40 °C and 70 °C.
Am Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden auch in Berlin vermehrt Fassadenverblendung aus Eifeler Tuffsteinen errichtet. Die Eifeler Tuffsteine zeichnen sich aufgrund ihrer hohen Porosität einerseits durch eine gute Verarbeitbarkeit aus. Andererseits sind sie nur schwach gebunden und besitzen deshalb eine geringe Verwitterungsbeständigkeit.
Das Pergamonmuseum ist eines der am meisten besuchten Museen Berlins. Es wird seit etwa 20 Jahren im Rahmen des 1999 von der Stiftung Preußischer Kulturbesitz beschlossenen Masterplans Museumsinsel schrittweise grundhaft instandgesetzt und um einen weiteren Flügel ergänzt, der 2025 fertig gestellt sein soll. In diesem Kontext wurde auch kurz nach dem Beschluss des Masterplans eine Bauzustandsanalyse an den in Originalgröße in der Antikensammlung ausgestellten Baudenk¬ mälern durchgeführt. Allerdings stellte man dabei fest, dass herkömmliche Erkundungsverfahren wie die Bauaufnahme, die baugeschichtliche Untersu¬ chung, das Quellenstudium sowie die äußerliche Begutachtung nicht ausreichen, um die innere Struktur der antiken Baudenkmäler hinreichend zu charakterisieren. Deshalb wurde die BAM im Jahr 2003 von der ARGE Pfanner Pergamonmuseum
beauftragt, in enger Zusammenarbeit mit zwei Ingenieurbüros, dem Ingenieurbüro Patitz (IGP) und der Gesellschaft für geophysikalische Unter¬ suchungen mbH (GGU) unter Hinzuziehung einer Restauratorin, die innere Struktur ausgewählter an¬ tiker Baudenkmäler zerstörungsfrei zu untersuchen. Das Ziel der zerstörungsfreien Strukturaufklärung zum inneren Aufbau der Bauteile war es, einerseits sicherheitsrelevante Informationen für die statische Nachweisführung bereitzustellen, sowie andererseits eine Planungsgrundlage für die eventuell erforder¬ liche Ertüchtigung der Baudenkmäler zu schaffen. Im Fokus der Untersuchungen standen dabei das Markttor von Milet und das Säulenjoch der Heiligen Halle am Markt von Priene1 • Im nachstehenden Beitrag werden exemplarisch die am Markttor von Milet durchgeführten Untersuchungen vorgestellt.
An den vor allem vor 2006 errichteten Betonfahrbahndecken sind in den letzten Jahren vermehrt AKR-Schäden aufgetreten. Vor diesem Hintergrund wurde durch das BMVBS das ARS 04/2013 erlassen. Dieses wiederum sieht verbindlich im Vorfeld des Neubaus und der Erneuerung von Fahrbahndecken aus Beton im deutschen Bundesautobahnnetz einen Eignungsnachweis für die Gesteinskörnungen vor. Das hatte in den Folgejahren eine drastische Reduzierung der einsatzbaren Gesteinskörnungen zur Folge. Vor diesem Hintergrund wird in dem Beitrag die Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie zur Nutzbarmachung grenzwertig alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen aufgezeigt. Dabei wird ein Einblick in die Ergebnisse zweier aufeinander aufbauender BASt-Forschungsvorhaben gegeben. Den Schwerpunkt bildet hierbei die Bewertung des Einflusses der Dosierung des Hydrophobierungsmittels auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften im Rahmen von Basisuntersuchungen im Labor. Aufbauend darauf wird das Prüfprogramm eines großmaßstäblichen Technikumsversuchs und der aktuelle Stand der Umsetzung aufgezeigt.
Analyse des Tausalzeintrages in Fahrbahndeckenbetone im Kontext der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2018)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz (BAB-Netz) vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die zum Teil zu einer Halbierung ihrer geplanten Nutzungsdauer von 30 Jahren führte. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, die bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und dem alkalischen Milieu durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führt. Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu. Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig ist hierbei die fehlende differenzierte Betrachtung des Natriumgehaltes im Zementstein und in der Gesteinskörnung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag an Hand von Bohrkernen aus einem AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und interagierenden Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen des Bohrkerns aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels Zementsteinkriteriums (Nutzung unterschiedlichen Ca-Gehalts in Zementstein und Gesteinskörnung) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (MRFA) belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen.
Aber auch bei der Verifizierung der Übertragbarkeit der Ergebnisse der zum Ausschluss reaktiver Gesteinskörnung bei Neubau und Erneuerung im BAB-Netz eingesetzten Performanceprüfungen mit externem Alkalieintrag auf Praxisverhältnisse hat sich das LIBSVerfahren bewährt. So wurde festgestellt, dass die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Laborprüfkörper aus einem repräsentativen Fahrbahndeckenbeton bei der Klimawechsellagerung (KWL) über ihre gesamte Höhe von 10 cm einen Eintrag von Na und Cl erfahren. Weiterhin konnte im Gegensatz zu bisherigen Annahmen erstmals mit LIBS und Nasschemie gezeigt werden, dass die Frost-Tauwechsel-Phase bei der KWL zu keinem erhöhten Tausalzeintrag führt.
AKR an Betonfahrbahndecken - ausgewählte Einflussgrößen und neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
(2019)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt Schäden an vor 2005 hergestellten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion(AKR) in Verbindung gebracht werden. Vor diesem Hintergrund werden in diesem Beitrag zunächst die Voraussetzungen und ausgewählte Einflussgrößen für eine schädigende AKR aufgezeigt.
Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Rolle des Tausalzeintrags durch den Winterdienst bei Betonfahrbahndecken geschenkt. So wird mit Löseversuchen in 1 M KOH-Lösung zweier Gesteinskörnungen bei 80 °C gezeigt, dass mit zunehmender NaCI-Zugabe die Löslichkeit von SiÖ2 zunimmt und die von AI2O3 eine Verminderung erfährt. Basierend auf dem so exemplarisch erbrachten Nachweis für die Verstärkung der schädigenden AKR durch das Tausalz wird die Notwendigkeit und Richtigkeit der Durchführung von AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr im ARS 04/2013 zur zukünftigen Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im Rahmen von Neubau- und Erneuerungsmaßnahmen im Bundesfernstraßennetz belegt. Zusätzlich durchgeführte WS-Grundprüfungen nach dem ARS 04/2013 mit den beiden Gesteinskörnungen der Löse versuche veranschaulichen, dass die nach der Alkali-Richtlinie des DAfStb als unbedenklich eingestuften Gesteinskörnungen bei den Betonversuchen mit Alkalizufuhr durchaus als alkaliempfindlich bewertet werden können. Dies wiederum führt zu einer Verminderung der für den Betonstraßenbau verfügbaren Gesteinskörnungen.
Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung der als grenzwertig alkaliempfindlich eingestuften Gesteinskörnungen erlaubt.
Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung bzw. Verminderung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zurzeit im Aufträge der BASt an der BAM ein Forschungsvorhaben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (D > 8)/Unterbeton und einem Oberbeton 0/8 mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss zweier Hydrophobierungsmittel auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letzteren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss beider Hydrophobierungsmittel auf die schädigende AKR mittels AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr beleuchtet. Dabei gelangen ergänzend zur Beurteilung des Tausalzeintrags die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) und zur Bewertung der Ausprägung der AKR und sekundären Ettringitbildung (SEB) die Dünnschliffmikroskopie zum Einsatz.
Verstärkt auftretende Schäden in Betonfahrbahndecken des Bundesfernstraßennetzes, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden, haben zu einer massiven Verschärfung der Prüfvorschriften zur Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Ge-steinskörnungen geführt. Die damit verbundene Einschränkung potenziell für den Straßenbau einsetzbarer Gesteinskörnungen ruft eine verstärkte Ressourcenknappheit und ein erhöhtes Transport- und damit einhergehendes Kostenaufkommen hervor. Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung grenzwertig alkaliempfindlich eingestufter Gesteinskörnungen erlaubt. Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungs-prozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innen-hydrophobierung zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zur-zeit im Auftrage der BASt an der BAM ein Forschungsvorhaben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste ausgewählte Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens vorgestellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (0/8) mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss eines Hydrophobierungsmittels auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letzteren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss der Innenhydrophobierung auf die schädigende AKR mittels verschiedenartiger AKR-Performanceprüfungen beleuchtet.
Die vorstehend dargestellten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Mit dem für die mechanische Vorschädigung entwickelten Versuchsstand und
gewählten Prüfregime können die für die ermüdungsinduzierte Schadensevolution
typische stabilisierende und stabile Phase in der auf Zug beanspruchten
Betonrandzone gut abgebildet werden. So wurde dort zum Beispiel, ausgehend
von dem hier gewählten praxisnahen Belastungsregime, mit Ultraschall in der
Ruhephase durch das Trockenschwingen ein maximaler Abfall des relativen
dynamischen E-Moduls von ca. 8 - 10 % ermittelt.
• Mit aufbauenden kapillaren Aufsaugversuchen wurde gezeigt, dass die erzeugte
Betondegradation zu einer moderaten Erhöhung der Aufnahme des Prüfmediums
führt.
• Zur Bewertung der Auswirkungen einer alleinigen Vorschädigung (Trockenschwingen)
auf die schädigende AKR mittels Performance-Prüfung ist die Klimawechsellagerung
aufgrund der einseitigen Tausalzbeaufschlagung am besten
geeignet. Die hier ermittelten Dehnungsverläufe lassen auf einen moderaten
Einfluss der mechanischen Vorschädigung auf die AKR schließen.
• Die zusätzlich im Kontext der Nasschwingversuche durchgeführten 60°C Betonversuche
zeigen, dass die zyklische Beanspruchung vor und nach dem Aufbringen
der Tausalzlösung die schädigende AKR gleichfalls moderat erhöht.
In derzeit laufenden ergänzenden Untersuchungen wird der separate Einfluss der ermüdungsinduzierten
Rissbildung auf die schädigende AKR an homogen, stärker geschädigten
Prüfkörpern mit einem hohen inneren AKR-Schädigungspotenzial im 60°C
Betonversuch grundhaft analysiert. Zusätzlich wird gegenwärtig der Einfluss der degradierten
Betonrandzone auf die Dehnungsverteilung an großformatigen Prüfkörpern
über die Höhe im 40°C Betonversuch vertiefend für die makroskopische Modellierung
untersucht.
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.
In der aktuellen RL-SIB (DAfStB) wie auch in der TR Instandsetzung (DIBt) ist bei Anwendung des Instandsetzungsprinzips W-CL der Erfolg der Maßnahme durch Einbau und Messung von Korrosionsstromsensoren gefordert. Art und Aufbau der Sensoren sowie Kriterien zur Bewertung der Ergebnisse gibt es nicht.
Ziel ist die Ausarbeitung eines Regelwerks-Entwurfes für die Art und den Aufbau von Korrosionsmonitoring-Systemen sowie für Kriterien zur zuverlässigen Bewertung der Messergebnisse, mit denen der Erfolg bei verschiedenen Instandsetzungskonzepten überprüft werden kann.
Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion wartungsbedingter Verkehrsbeeinflussungen in Tunnelbauwerken ist es von Bedeutung, die intensiven und aufwendigen Reinigungs- und Pflegearbeiten für Ein- und Anbauteile aus nichtrostendem Stahl in Straßentunneln zu reduzieren. Unter diesem Aspekt besteht großes Interesse die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle, zu den bislang gebräuchlichen nichtrostenden austenitischen Stählen 1.4404 und 1.4571, zu eruieren. In dem Forschungsprojekt geht es um die Qualifizierung nichtrostender ferritisch austenitischer Stähle (Duplexstahl) in Straßentunneln. Diese verfügen im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Korrosionsbeständigkeit. In dieser Präsentation werden die Auslagerungsergebnisse nach 3 Jahren vorgestellt.
Aufgrund der stark korrosiven Atmosphäre in Tunnelbauwerken kommt es aufgrund von Reinigungs- und Sanierungsmaßnahmen an Ein- und Anbauteilen aus nichtrostendem Stahl häufig zu wartungsbedingten Verkehrsbeeinflussungen und Tunnelsperrungen. Bislang ist nur eine kleine Gruppe rostfreier Edelstähle für die Verwendung in Tunnelbauwerken zugelassen. Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion von Wartungsarbeiten besteht jedoch großes Interesse, die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu erhöhen. Ziel ist die Qualifizierung ferritischer-austenitischer Stähle.
Erste Untersuchungen nach 2 Jahren Auslagerung zeigten bisher vielversprechende Ergebnisse.
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber.
In der aktuellen RL-SIB wie auch im Gelbdruck der Instandhaltungsrichtlinie ist bei Anwendung des Instandsetzungsprinzips W-Cl bzw. Verfahren 8.3 der Erfolg der Maßnahme durch Einbau und Messung von Korrosionsstrom-Mess-Einrichtungen nachzuweisen. Auch wird bei der Instandsetzung von chloridbelasteten Rissen bei Stahlbetonbauteilen durch Verpressen der Risse bzw. Aufbringen einer Rissbandage ein Korrosionsmonitoring empfohlen. Anerkannte Regelwerke oder Normen über Art und Aufbau des Monitoring-Systems sowie Kriterien zur Bewertung der Messergebnisse im Hinblick auf den Erfolg der Instandsetzungsmaßnahme gibt es derzeit nicht. Auch sind keine Untersuchungen zur Qualität der Messergebnisse veröffentlicht. Ziel des Vorhabens ist die Ausarbeitung eines Regelwerks-Entwurfes für die Art und den Aufbau von Korrosionsmonitoring-Systemen sowie für Kriterien zur zuverlässigen Bewertung der Messergebnisse, mit denen der Erfolg bei folgenden Instandsetzungskonzepten überprüft werden kann.
Aufgrund der stark korrosiven Atmosphäre in Tunnelbauwerken kommt es aufgrund von Reinigungs- und Sanierungsmaßnahmen an Ein- und Anbauteilen aus nichtrostendem Stahl häufig zu wartungsbedingten Verkehrsbeeinflussungen und Tunnelsperrungen. Bislang ist nur eine kleine Gruppe rostfreier Edelstähle für die Verwendung in Tunnelbauwerken zugelassen. Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion von Wartungsarbeiten besteht jedoch großes Interesse, die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu erhöhen.
Um dies zu ermöglichen, entwickelten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), gemeinsam mit dem Landesbetrieb Straßenbau NRW, in Zusammenarbeit mit der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (ISER), mit Unterstützung des Edelstahlherstellers Outokumpu und der Wilhelm Modersohn GmbH & Co. KG ein Forschungsprojekt zur Auslagerung von nichtrostenden Duplexstählen in Straßentunnel. Im Oktober 2019 beteiligte sich der Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer in Hamburg und ermöglichte die Auslagerung im Elbtunnel auszuweiten.
Genormte künstliche Bewitterungstests sind häufig nicht spezifisch für die Anwendungssituation oder das Material. Das macht die Entwicklung spezifischer Tests erforderlich. Für deren Entwicklung müssen Maximalparameter der Anwendungssituation bekannt sein, womit dann der künstliche Test formuliert wird und dessen Bedingungen werden dann solange optimiert, bis die Korrelation der Effekte von natürlichem und künstlichem Test ausreichend ist.
Für Untersuchungen der Freisetzung kann der verbleibende Rest in der Probe und/oder die freigesetzte Menge in Luft, Boden, Wasser bestimmt werden.
Im ersten Beispiel der Witterungswirkung wurde die Freisetzung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) aus Polymer-Kompositen untersucht (unter Verwendung von empfindlich-nachweisbarer radioaktiver 14C-Markierung für einzelne CNT-Partikel), in einem zweiten die Freisetzung von anorganischen und organischen Bestandteilen aus elastomeren Bestandteilen von Sportböden (Bahnen und Kunstrasen) in Wasser.
Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
In den letzten Jahrzehnten wurde die Degradation der polymeren Matrix von flammgeschützten Polymeren eingehend untersucht. Erst in den letzten Jahren jedoch hat sich die Frage der Lebensdauer der Funktionalität des Flammschutzes selbst als wichtige Fragestellung herauskristallisiert, z.B. bei Kabeln. Deshalb sollte diese Fragestellung durch systematisch-variierte künstliche Klima- und Bewitterungstests an flammgeschützten Polymerwerkstoffen untersucht werden
If the amount of sulfate within the mix design for concrete is not balanced, ettringite formation which first controls solidification continues while the concrete is hardening. Ettringite forms by reaction of sulfate contained in the cement or in some admixture with calcium aluminate (C3A) as cement component. The “late primary
ettringite formation” promotes an increase in volume within the hardened concrete leading to cracks. To analyze the effect of substituting part of ordinary Portland cement (OPC) by a treated brown coal fly ash mortar bars were tested according to ASTM C452. This test method was originally developed to extrapolate from the internal to external sulfate attack and is based on the idea that by testing a concrete mixture containing sulfate the process of deterioration is accelerated because it does not have to diffuse into the concrete before reaction first. In addition to the samples prescribed in ASTM C452 further samples in the size of the German SVA procedure were tested also designed for accessing the external sulfate resistance. The results show that while the replacement of 25 % of cement by brown coal fly ash leads to length changes around the limit defined by ASTM, the substitution of 50 % cement exceeded the limit by a multiple. The progress of expansion is the very similar for the two geometries tested. In-situ XRD measurements confirmed that while for pastes made of OPC the formation of ettringite is completed after 20 hours, this is not true for the mixtures containing the brown coal fly ash.
In a different study the effect of hydrothermal treatment on the phase composition of ultra-high-performance concrete was analyzed. The results show that the sulfate and aluminate resulting from the decomposition of ettringite are bound into new phases. If this binding is permanent this might allow the larger use of sulfate bearing raw
materials.
Composite UHPC facade elements with self-cleaning surface: Aspects of technological manufacturing
(2020)
In the framework of the European collaborative project H-House, which was finished in 2017, large façade elements were developed consisting of a box shaped external shell of ultra-high-performance concrete (UHPC) with a functionalized surface and an insulation of autoclaved aerated concrete (AAC). The exposed concrete of the elements was further refined by adding self-cleaning properties to the surface through imprinting a microstructure in combination with chemical agents directly in the casting process. The paper focuses on selected technological aspects of the manufacturing process of large-scale prototypes. Presented are results of the upscaling process of functionalized surfaces from small specimen up to large UHPC composite facade elements produced for the construction of a demonstrator.
Die geringe Zugfestigkeit von zementgebundenen Materialien kann durch die Zugabe von Fasern maßgeblich verbessert werden. Ziel eines gemeinsamen Verbundprojekts mit einem Industriepartner war die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von kurzen Polymer- und Carbonfasern durch eine Verbesserung des Verbundes zwischen Faseroberfläche und Zementsteinmatrix.
Von der IONYS AG wurde dazu eine spezielle Funktionalisierung entwickelt, die über eine Hydrophilisierung der Faseroberfläche eine chemische Anbindung an die Zementsteinmatrix gewährleistet. Aufgabe der BAM war es, die Effizienz der neuen Beschichtung bezüglich der Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit und der Reduzierung der Schwindrissbildung während der Erhärtungsphase zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Funktionalisierung die Neigung zur Schwindrissbildung für die Carbonfasern und in noch stärkerem Maße für die Polymerfasern reduziert.
Eine Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit konnte dagegen nur für die deutlich steiferen Carbonfasern nachgewiesen werden.
Composite Facade Elements with Self-Cleaning Surface made of Ultra-High-Performance Concrete (UHPC)
(2020)
In the framework of the European project H-House various concrete façade elements were developed with the aim to ensure a long service life by combining a very durable material with self-cleaning properties. The façade elements presented are made of a shell of UHPC filled with blocks of aerated autoclaved concrete as insulating material. Self-cleaning properties were realized amongst others by imprinting a microstructure into the surface during casting. The paper focuses on selected technological aspects of the manufacturing process of prototypes which had to be performed in two concreting sections. Furthermore the challenges faced when upscaling the self-cleaning properties are addressed and the strategy to assess the self-cleaning properties by measuring the contact and the roll-off angel is presented. The results show that a successfull upscalaing process requires detailed planning and that the best results can often be achieved with a moderate work effort or material use.
By the combination of an optimized granulometry, a reduced water cement ratio and the use of superplasticizers ultra-high performance concrete achieves a compressive strength of over 150 N/mm2 and a high resistance regarding acids and water-soluble salts. In different Research projects the effect of an autoclavation on the mechanical strength and the phase composition was analyzed. In systematic studies, the concrete mix and the process parameters were varied.
The results show that autoclavation leads to an improved pozzolanic and hydraulic reaction and significantly improves the mechanical strength compared to a conventional thermal treatment. If a minimum time-span for hydration is ensured, the achievable strength level is not dependent on the prestorage time. However, the duration of the autoclaving is significant. After the Maximum strength is reached there is only a very slight decrease, even if unrealistically long autoclaving times are applied.
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.
For the construction of hot water storage tanks, ultra high performance concrete proofed to be a suitable building material to ensure water tightness. Common storage tanks build with concrete are designed to endure temperatures up to 90 °C. To increase the energy efficiency however, modern tanks need to withstand temperatures above 100 °C. With increasing temperature and correlating water vapor pressures, the cement must meet new requirements. Thermodynamic modelling is a promising tool for predicting the phase stabilities of minerals in the cement within these temperature and pressure ranges (T/P). Thus, mixture designs can be investigated and optimized with regard to the expected mineral phases in selected T/P-ranges. Additionally, predictions of the long-term material behavior can be derived from thermodynamic data and subsequently the experimental effort can be reduced notably. On the other hand, validation of predictions is needed. The base for the thermodynamic model is a thermodynamic equilibrium and thus, the experimental data for validation should approach the presumed conditions of the equilibrium. This study investigates variable experimental conditions for the hydration of Portland cement at 100 °C to reach a sufficiently progressed development of the phase composition. In case of Portland cement, the highest degree of hydration achievable within a reasonable time span is the most significant parameter. Therefore, Portland cement pastes with w/c ratios from 0.4 to 0.6 and dwell times up to three weeks were examined with powder X-ray diffraction to identify mineral phase changes. At 100 °C and high humidity, Portland cement paste shows the expected mineral phases like portlandite, katoite, and remaining clinker phases. The cement pastes with high water content and long dwell time seem to have the highest degree of hydration, even though the AFm phases stabilize with increasing w/c ratio. A dwell time of two weeks and a w/c ratio of 0.5 was found to provide the mineral composition with the highest degree of hydration including the major phase transitions.
Ultra high performance concrete (UHPC) is characterised by its high compressive strength of more than 150 MPa and its high durability. Due to thermal treatment at 90°C a strength comparable to the 28-days-strength can be achieved immediately after the treatment and in some cases can be even further increased up to 30 %. The explanations for the increase in strength are the accelerated hydration of the clinker minerals and the intensified pozzolanic reaction contributing to a denser microstructure and hence, a high performance in compressive strength.
Former research shows that thermal treatment can lead to inhomogeneities in form of a visible zonation within the cross-section. The width of the margin increases with shorter pre-storage time before the thermal treatment and with omitting protective measures against desiccation during the treatment. Specimens exhibiting a zonation typically show a lower compressive strength compared to the undisturbed reference whereas changes in chemistry, mineral content and microstructure were not reported in detail.
In this study the zonation of thermally treated UHPC is investigated with respect to its chemistry, mineral composition and microstructure to allow predictions on durability and strength development. Measurements show a change in pore sizes, minerals phase composition and element distribution leading to the visible zonation and weaker bending tensile strength compared to the reference.
The adaption of the set-up for gas permeability measurements for ultra-high performance concrete
(2022)
In the framework of this project, a steam pressure vessel was to be developed from ultra-high perfor-mance concrete (UHPC) to withstand process temperatures of 200 °C and the respective steam pressure of 15,5 bar. To guarantee the long-term water vapour tightness of the system, the permeability of two UHPC mixtures were tested after long-term cyclic autoclaving. As UPHC shows a high density and therefore low permeability, measurements after the RILEM-Recommendation (TC 116-PCD) reached their detection limit. Therefore, the measurement set-up was adapted to measure the permeability of highly dense UHPC more reliably and quickly. This adaption includes measurements in a higher pres-sure range, the change of sample size thickness and the usage of Ar as a medium compared with the RILEM Recommendation. Additionally, the system was equipped with two pressure sensors and Ar-flowmeters to guarantee a continuous record of the experimental parameters. The new system was tested and evaluated by comparing measurements with the RILEM recommended system. Preliminary results show that the adapted system is capable to provide efficient and reliable results of concrete with low permeability.
Ein Durchlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Die zerborstenen Gehäuseteile aus Kunststoff führten zu einem Austreten der Kühlflüssigkeit am Betriebsort sowie zu einem Personenschaden mit Knalltrauma. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet, aber reproduzierbar Knalleffekte auf der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass beim aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat ist nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar waren.
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
Composition and microstructure stability of cement compound under cyclic hydrothermal condition
(2020)
There have been many researches focused on the performance improvement of ultra-high performance concrete (UHPC) by autoclaving treatment. The goal of autoclaving is to increase the pozzolanic reaction, and to densify the cement stone and the transition zone which originates from the incorporation of supplementary cementitious materials (SCMs), such as silica fume, fly ash and blast furnace slag. Due to the superior properties, UHPC can also be utilized under high mechanical load and aggressive condition, for example, the fabrication of water tanks for thermal storage which is of great significance for saving energy and reducing CO2 emission. It is known that mineral stability of the hydration products of an inorganic binder is highly related to the temperature and pressure of the environment. A certain stable composition at room temperature, however, may undergo a phase transformation at high temperature and the performance decrease under this severe condition will generally be more severe. In this way, the rationale behind this deterioration under long-term hydrothermal condition involving many cycles and long duration has to be clarified, and then appropriate optimizing methods will be performed in order to obtain a kind of construction with high durability under aggressive environment. For this purpose, different types and amounts of SCMs are introduced into the standard mixture of UHPC and the phase compositions after autoclaving at 200 °C and 15.5 bar are determined by combined X-ray diffraction and scanning electron microscope. Mercury intrusion porosimeter is used to characterise the microstructure of the samples. In order to establish the relationship between microstructure and macroscopic properties, compressive and flexural strength are also investigated.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) ist ein weit verbreitetes Material für Transportbehälter, die oft für eine längere Nutzungsdauer vorgesehen sind. Insbesondere in diesem Fall können mikroskopische Schäden im Material auch weit unterhalb der Streckgrenze auftreten, die durch eine Spannungskonzentration verursacht werden, deren Ursprung in intrinsischen Materialfehlern oder äußeren Kratzern liegt. Mit fortschreitender Schädigung bilden sich Rissstrukturen, die von verstreckten Fibrillen aufgespannt werden, bis es zum Versagen dieser Fibrillen kommt und sich der Riss ausbreitet. Dieser Schadensmechanismus des langsamen Risswachstums kann durch eine Vielzahl von Umgebungsmedien beschleunigt werden und wird dann als "environmental stress cracking" (ESC) bezeichnet. Eine international normierte Methode zur Validierung der Spannungsrissbeständigkeit von PE-HD Materialien ist der „Full Notch Creep Test“ (FNCT).
Anhand von Bruchflächenauswertungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie, werden die typischen Schädigungsstrukturen des ESC sichtbar. Die fibrillierten Strukturen des ESC auf der Bruchfläche von PE-HD ergeben sich besonders bei oberflächenaktiven wässrigen Umgebungsmedien. In Lösungsmittel-Umgebungsmedien, im Zusammenspiel mit PE-HD, kommt es aufgrund der plastifizierenden Wirkung zur Herabsetzung der Streckspannung und Bruchflächen aus dem FNCT veranschaulichen keine signifikanten Anzeichen des Schädigungsmechanismus ESC.
Currently, the Full Notch Creep Test (FNCT) [1] method is used by material suppliers and end users in industry for the approval of container and pipe materials based on high-density polyethylene (PE-HD). The resistance to environmental stress cracking (ESC) of the material is evaluated using the time to failure of the specimen in an aqueous solution of a detergent [2, 3]. Usually specimens made of sheets with isotropic material properties, manufactured by hot pressing, are employed in order to obtain intrinsic properties of the material in terms of ESC failure. In contrast, the processes used in manufacturing to form containers and pipes, such as extrusion blow molding or extrusion, impose anisotropic properties to the material. These are mostly due to a microstructural orientation (polymer chains or crystallites) [4]. Furthermore, the different cooling conditions significantly affect the size distribution of crystallites as well as the overall morphology. It is therefore essential to understand the influence of process-induced material characteristics on failure due to ESC.
A large number of studies on material properties as a function of microstructural preferential orientation have already been conducted [5-7]. However, effects on ESC as the major failure mechanism of containers and pipes are still rather unexplored [8, 9]. The most important factor is whether primarily intramolecular high-strength covalent bonds or the substantially weaker intermolecular van der Waals forces are predominantly loaded.
In addition to the widely established classification by time to failure, the strain or crack opening displacement (COD) provides valuable information about the evolution and progression of damage as a function of time [10, 11]. Optical strain measurement using digital image correlation allows the differences in COD for isotropic and different angles of orientation of anisotropic specimens to be discussed. Also, a post-fracture surface analysis provides clarification on the craze-crack mechanism of the ESC. These different ESC-related properties of extruded and hot-pressed specimens have been investigated at different environmental medium temperatures and different initial stresses to provide a broad characterization of the fracture behavior of PE-HD.
Concrete has a long history in the construction industry and is currently one of the most widely used building materials. Unfortunately, the concrete industry has a significant impact on the environment by contributing to about 9% of the total anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. Concrete is a highly complex composite material. However, the main source of concrete's GHG emissions is the cement. This leads to two main strategies when trying to reduce the environmental impact. The first is to reduce the cement within the concrete mix. This can be done by substituting it using additives or increasing the amount of aggregates. Usually this will lead to decreased material properties, like compressive strength or stiffness. The second option is to reduce the amount of required concrete by optimizing the topology of the structure. However, this might require higher compressive strength. In addition, there are other properties like to workability which need to be considered. All in all, this leads to a highly complex optimization problem, which requires the estimation of effective concrete properties, based on the mixture as input to a predictive simulation.
We present an automated workflow framework which combines experimental data with simulations, calibrates the simulation and performs the desired optimization. This workflow includes classical FE models, design guidelines based on model codes, as well as data driven methods. The chosen example is a beam, for which the concrete mixture is optimized to reduce GHG emissions. The first step is an estimation of material parameters, based on experimental data. This includes measures of stochastic distribution, allowing the quantification of the quality of the estimated parameters. The second step is the optimization. It takes into account constraints like the loading capacity after 28 days, the maximum allowed temperature during cement hydration and the maximum time till demoulding. The applied models include a Mori-Tanaka-based homogenization method to estimate effective concrete parameters, an FE simulation including the evolution of the concrete compressive strength and stiffness, the temperature field, displacements, and stress. This research shows a way towards a more performance-oriented material design.
Concrete has a long history in the construction industry and is currently one of the most widely used building materials. Especially precast concrete elements are frequently utilized in construction projects for standardized applications, increasing the quality of the composite material, as well as reducing the required building time. Despite the accumulated knowledge, continuous research and development in this field is essential due to the complexity of the composite combined with the ever-growing number of applications and requirements. Especially in view of global climate change, design aspects as CO2 emissions and resource efficiency require new mix designs and optimization strategies. A result of the material’s high complexity and heterogeneity on multiple scales is that utilizing the full potential with changing demands is highly challenging, even for the established industry. We propose a framework based on an ontology, which automatically combines experimental data with numerical simulations. This not only simplifies experimental knowledge transfer, but allows the model calibration and the resulting simulation predictions to be reproducible and interpretable. This research shows a way towards a more performance oriented material design. Within this talk we present our workflow for an automated simulation of a precast element, demonstrating the interaction of the ontology and the finite element simulation. We show the automatic calibration of our early-age concrete model [1, 2], to improve the prediction of the optimal time for the removal of the form work.
The aim of the project LeBeDigital is to present opportunities of digitalization for concrete applications and show a way towards a performance oriented material design.
Due to the high complexity of the manufacturing process of concrete and the range of parameters affecting the effective composite properties, a global optimization is challenging.
Currently, most optimization is only carried out on a narrow scope related to the respective players, e.g. a mix optimization for a target strength, or a design optimization for minimum weight, using a given mix. To enable a path toward a full global optimization
requires a reproducible chain of data, accessible for all contributors.
We propose a framework based on an ontology, which automatically combines experimental data with numerical simulations. This not only simplifies experimental knowledge transfer, but allows the model calibration and the resulting simulation predictions to be
reproducible and interpretable. In addition to an optimized set of parameters, this setup allows to study the quality and uncertainty of the data and models, as well as giving information about optimal experiments to improve the data set.
We will present the proposed optimization workflow, using the example of a precast concrete element. The contribution will focus on the workflow and challenges of an interoperable FEM formulation.
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.
Tuff ist in vielen historischen Objekten in Deutschland verbaut, hat aber wegen seiner Porosität und hygrischen Eigenschaften eine schlechte Verwitterungsresistenz. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines gesteinsmehlmodifizierten Schutzsystems auf Kieselsäurebasis (GEMOSK) zur Konservierung verbauter Tuffe. Für die Schutzmittelherstellung wird eine geeignete Mischung aus Kieselsol und feinen Gesteinsmehlen aus Steinbruchrückständen und Tuffabfällen verwendet. Bei erfolgreichem Abschluss des Projektes kann GEMOSK im Denkmalpflegebereich eingesetzt werden. Dadurch werden die Bausubstanz besser erhalten, Tuffsteinressourcen eingespart und Tuffabfälle wiederverwertet.
2D layered nanoparticles enable a distinct reduction of filler loadings in rubber compounds combined with a boost in performance due to their high surface to volume ratio. They often enable unique property profiles providing a great potential as effective fillers in rubber, especially by enhancing mechanical and barrier properties.
As the best possible incorporation into the elastomer matrix is crucial for the efficiency of the nanofiller, dispersing and exfoliation of the nanoparticles without formation of agglomerates usually constitutes an outstanding challenge - especially when using conventional processing methods. Laboratory-scale approaches for highly dispersed nanocomposites sometimes solve this problem, but these are often too energy and time consuming and provide no scale up possibility for real applications. Therefore, a latex premixing process was established to produce highly filled masterbatches, enabling the processing with conventional techniques.
The presence of nanoparticles greatly impacts the behavior of elastomeric compounds, besides affecting the properties of the final product also the processing is influenced (rheology, crosslinking).
In this study, nanocomposites of natural rubber and multilayer graphene (MLG) were prepared via a latex masterbatch route. Different strategies for masterbatch premixing are compared (stirring vs. ultrasonication, coagulation vs. drying). Dispersion and exfoliation of MLG were determined by transmission electron microscopy. The reinforcing effect of MLG affects the viscosity while the dispersed graphene layers may also act as diffusion barrier/absorbent for the crosslinking agents. In contrast to that, MLG forms physical crosslinks in the final product. Swelling measurements and differential scanning calorimetry allow a differentiation between chemical and physical network links. Different technical properties of the nanocomposites were measured with respect to mechanical and application relevant behavior.
The incorporation of nanoscale particles into elastomers enable a boost in performance and/or a distinct reduction of conventional filler loadings due to their high surface to volume ratio. 2D layered nanoparticles like graphene and graphene-related materials provide a great potential as effective fillers in rubber, especially by enhancing mechanical and barrier properties. The type and properties of the nanoparticles, their interface and the elastomeric matrix materials influence the technical behavior, and therefore the potential application fields of such rubber nanocomposites. Especially crucial for the efficiency of the nanofiller, however, is its best possible incorporation into the elastomer. The dispersing of nanoparticles without agglomerates usually constitutes a challenge when using conventional two-roll milling or internal mixing. Academic approaches for highly dispersed nanocomposites solve this problem but are often energy and time consuming with no feasible scale up possibility. Therefore, an ultrasonic assisted NR latex premixing process was established to produce highly filled masterbatches, enabling the main processing with conventional rubber processing techniques.
Two carbon-based nanoparticles with similar specific surface areas were investigated and incorporated in natural rubber as nanocomposites: A commercially available multilayer graphene (MLG) and a nanoscale carbon black (nCB). The mentioned premixed masterbatches were further processed to nanocomposites by the addition of matrix NR, two-roll milling, and hot pressing (vulcanization). By this procedure an increase in Young’s modulus of 157% (MLG) and 71% (nCB) could be obtained at a concentration level of 3 phr. As anisotropic material behavior was observable for the nanocomposites containing MLG, different measurement methods were investigated to quantify the orientation of the nanoparticles in the nanocomposites: Sorption measurements (swelling in 2 dimensions), hardness and dynamical mechanical analysis (in-plane vs. cross-plane), X-Ray diffraction and transmission and scanning electron microscopy.
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, dynamic metallurgy, and mechanical behaviour that make 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 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. Though, the simulation of a moving heat source leads to a hardly separable parametric problem, which is handled by applying a novel mapping approach. Using this procedure, it is possible to create a simple separated representation of the model, also allowing to simulate multiple layers.
In this contribution, a PGD model is derived for the WAAM procedure simulating the temperature field. 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.
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.
Numerical simulations are essential in predicting the behavior of systems in many engineering fields and industrial sectors. The development of accurate virtual representations of actual physical products or processes (also known as digital twins) allows huge savings in cost and resources. In fact, digital twins would allow reducing the number of real, physical prototypes, tests, and experiments, thus also increasing the sustainability of production processes and products’ lifetime. Standard numerical methods fail in providing real time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications.
This work aims to use a reduced order model for efficient wire arc additive manufacturing simulations, calibrations and real-time process control. Model reduction, e.g. the proper generalized decomposition [1,2] method, is a popular concept to decrease the computational effort. A new mapping approach [3] was applied to simulate a moving heat source with the proper generalized decomposition. Using this procedure even complex models can be simulated in real-time. The physical model is later on calibrated with the use of a stochastic model updating process and the reduced order model, leading to an optimized real-time simulation.
In this contribution, a proper generalized decomposition model for a bead-on-plate wire arc additive manufacturing is presented. It is also coupled with a stochastic model updating process identifying the heat source characteristics as well as the boundary conditions of the transient thermal problem, whereas the heat source shape is simulated using a Goldak heat source
In recent years, the demand for new and sustainable products has been constantly rising. Especially cementitious materials are known for their high carbon footprint and novel approaches will be needed to counterbalance that. The BAM departments 7.1 (building materials) and 4.0 (Material and the environment) try to improve the sustainability of concrete panels by establishing a biofilm on the weather protection layer. Using an ultra-high-performance-concrete allows the production of very thin facade tiles with a small carbon footprint. Furthermore, the durability of these tiles is expected to surpass the one of “normal” concrete facades and offer the possibility of modular renewing of defective tiles instead of a wall, or even remodeling a whole building. The controlled application of biofilms on facades aims to improve biodiversity, microclimate, and air quality in cities. Furthermore, the greening of typically gray surfaces could improve the mental health of the residents. The project focuses on testing a multiplicity of concrete samples, varying e.g., in roughness or pH. The bioreceptivity is analyzed via laboratory tests, as well as in perennial outdoor experiments.
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.
Explosive spalling is caused by, among others, the thermohydraulic spalling mechanism. During this process, vaporization, dehydration, moisture-transport and condensation processes interact. As a result, a drying and dehydration zone as well as a saturated zone, known as a moisture clog, are observed inside the unilaterally-heated concrete. The presented research is focused on the experimental investigation of the underlying thermohydraulic processes.
To investigate these, a test methodology based on X-ray computed tomography (CT) and nuclear magnetic resonance (NMR) was developed. Thereby, the X-ray CT scans are carried out simultaneously during the application of a defined unilateral-heating regime on a specially-constructed specimen. This miniaturized specimen, equipped with a double-layer casing, reproduces the condition within a planar, unilaterally-heated building component.
A preliminary test methodology and the first experimental results were presented at the 5th International Workshop on Concrete Spalling in Borås, Sweden (2017). The contribution for the upcoming workshop presents an improved version of this test methodology and new results for a high-performance concrete (HPC) mixture exposed to temperatures up to 500 °C. Regarding the CT measurements, a higher time-resolution of 15 min was achieved and a quantification of the moisture changes was implemented. Due to an increase in signal quality of the NMR measurements, a pore-size specific moisture distribution can now be resolved. This allows to conclude about the moisture reconfiguration between small gel pores and larger interhydrate pores. Additionally, the NMR measurement are no longer limited to first 2.5 cm below the heated surface but a one-dimensional moisture distribution can now be estimated over the whole 10 cm long specimen.
The presented results demonstrate that the combination of X-ray CT and NMR measurements enables to image and quantify the thermally-induced moisture transport and reconfiguration from small gel pores up to macro pores. This provides important insights into the thermohydraulic damage mechanism and leads to a better understanding of spalling avoidance strategies, like the addition of polypropylene fibres.
Beton, der heutzutage meist verwendete Baustoff, weist neben gutem Festigkeits- und Dauerhaftig-keitsverhalten ebenfalls erhöhte Brandschutzeigenschaften auf. Jedoch zeigen zahlreiche Schadensfälle, dass vor allem gefügedichte Betone im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen neigen. Diese führen zum Freilegen der vorhandenen Stahlbewehrung und zur Verminderung des tragfähigen Bauteilquer-schnitts. Das wiederum kann im schlimmsten Fall eine Gefährdung der Standsicherheit eines Bauwerks zur Folge haben.
Nach derzeitigem Stand werden die explosionsartigen Abplatzungen auf thermomechanische und thermohydraulische Prozesse zurückgeführt. Letztere beruhen auf der Generierung hoher Wasserdampfdrücke in einseitig brandbeanspruchten Betonbauteilen, die zum einen auf die geringe Permeabilität des hochfesten Betons und zum anderen auf die Bildung einer wassergesättigten Zone, der sogenannten „moisture clog“ zurückzuführen sind. Die experimentelle Analyse der dabei ablaufenden Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsmechanismen ist Gegenstand des Vortrags.
Dazu wurde an der BAM im Rahmen eines MI-Typ 2 Projektes (FB 7.1, 7.3, 8.5) ein Versuchsstand aufgebaut, der die dreidimensionale, simultane Analyse und Quantifizierung des Feuchtetransports an einsei-tig erwärmten, miniaturisierten Prüfkörpern aus gefügedichtem Beton mittels Röntgencomputertomographie erstmals ermöglicht. Zusätzlich wird die eindimensionale Feuchteverteilung im Prüfkörper mittels Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technik vor und nach einseitiger Erwärmung untersucht. Mithilfe dieser Prüfmethodologie ist es möglich, die Ausbildung einer Trocknungs- bzw. Dehydrationszone sowie einer tiefergelegenen Feuchteakkumulationszone zeitlich aufgelöst abzubilden. Darüber hinaus können die Einflüsse einer Polypropylenfaserzugabe auf den thermisch induzierten Feuchtetransport quantifiziert werden.
UHPC (engl. ultra-high-performance concrete) bietet außergewöhnliche Eigenschaften, die sich durch eine optimierte Wärmebehandlung weiter verbessern lassen. Wie bei normalen Beton beschleunigt eine Wärmebehandlung den Aushärteprozess und reduziert das Schrumpfen. Durch Ausbildung eines dichteren Gefüges wird weiterhin die Druckfestigkeit und die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen erhöht.
Die Art der Wärmebehandlung wird durch die Parameter: Temperatur, Druck, Wasserdampfsättigung und Dauer definiert und hat einen entscheiden Einfluss auf die Phasenentwicklung und damit auf die makro- und mikroskopischen Eigenschaften des UHPCs. Auch die Dauer und Art der Vorlagerung des UHPCs vor der thermischen Behandlung sind von Bedeutung.
Ziel der vorgestellten Untersuchung war der Vergleich und die Optimierung verschiedener Wärmebehandlungsarten mit Blick auf die Druckfestigkeits- und Phasenentwicklung. Dafür wurden UHPC-Zylinder und Prismen hergestellt und ungeschützt bzw. in Folie eingeschweißt bei 90 °C im Ofen, im Heißwasserbad, sowie alternativ bei 185 °C und 1.1 MPa im Autoklaven wärmebehandelt. Zusätzlich wurde die Vorlagerungs- und die Behandlungszeit systematisch variiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine praxisnahe Wärmebehandlung im Ofen (kurze Vorlagerungs- und Behandlungszeit, Verdunstungsschutz durch Einschweißen in Folie) zwar zu einer stark erhöhten Frühfestigkeit führt, aber die Langzeitfestigkeit wird nicht signifikant erhöht. Erst längere Behandlungszeiten verbunden mit intensiviertem Schutz gegen das Austrocknen führen darüber hinaus zu deutlich erhöhten Langzeitfestigkeiten. Nach der Autoklavierung dagegen wurden Festigkeitszuwächse von bis zu 30 % gemessen.
Die röntgenographisch nachgewiesene Phasenentwicklung wird in beiden Behandlungsarten durch die Limitierung des zur Verfügung stehenden Wassers bestimmt. Bei der Wärmebehandlung im Ofen wird das durch den Ettringitzerfall freigesetzte Wasser für die puzzolanische Reaktion der Mikrosilika verbraucht, reicht aber für eine weitere Reaktion der Klinkerphasen nicht aus. Bei der hydrothermalen Behandlung dagegen zeigen die Veränderungen im Phasenbestand sowohl eine Intensivierung der puzzolanischen als auch der hydraulischen Reaktion. Der für autoklavierte Baustoffe charakteristische Tobermorit konnte jedoch nicht im Probeninneren, sondern nur als Belag auf der Probenoberfläche nachgewiesen werden. Ursächlich hierfür ist vermutlich wiederum das zu geringe Wasserangebot im Gefüge des UHPC.
For centuries, churches, secular buildings and museums have been furnished with valuable works of art. Many works of art are UV- and light-sensitive. It is well known that especially UV radiation causes damage and discoloration in paintings, textiles, plastics, wood and other materials. In particular, the wavelengths between 280 and 410 nm cause color changes, embrittlement or destruction of e.g. plastics over time. Therefore, strongly UV-absorbing glasses are advantageous for architecture and are necessary for the protection of cultural assets. As restorers in all disciplines become more and more aware, the demands placed on buildings and their furnishings in terms of climate are becoming increasingly detailed and precise. The aim in each case is to preserve the valuable artwork.
For some years now, the industry has been offering the protection of cultural objects by installing special UV-protective glasses. Currently, UV protection for church buildings is realized by laminated safety glass equipped with appropriate UV-protective plastic films. Technically, this always means a second pane of glass in front of the windows, which is installed outside the building. This creates climatic gaps that are difficult to control and deterioration due to ageing effects can be expected. At the same time, this protective glazing is not invisible and has a considerable aesthetic influence on the interior and exterior appearance of the building. Meanwhile, the preservation of historical monuments accepts such aesthetic cuts on buildings in order to protect the artwork in the interior from UV light. To this day, however, the long-term durability of UV protection provided by inserted plastic films is still controversial.
To date the only available alternative on the market is a mouth-blown UV protection glass which uses a so-called overlay to provide UV protection. This shows that UV protection can also be achieved by glasses without plastic films thus realizing an exclusive inorganic protection which normally is more stable than a polymeric one. So far there are not enough studies to prove long-term durability.
The aim of this project is to provide existing glazing or new glazing to be created with a highly transparent layer that ensures this UV-protective filter function below 400 nm. The glass coating is to be applied to the glass over a large area and fired into the surface like a classic ceramic enamel paint with the same technics. In addition, it should be long-term durable in its function. It means, that the glass has to be fused at temperatures below 630 °C during the firing process, its chemical durability has to be high, its coefficient of thermal expansion has to be as close as the one of the substrate (usually float glass) and the glass has to absorb the UV-radiation within a thin thickness (thinner as 100 µm).
In this project, the long-term durability of commercial UV-protective glasses is examined. New low melting glasses containing UV-absorbing ions are being developed. Their UV-absorption as a thin layer is analyzed as well as their chemical durability and their thermal properties.
We are grateful to BMWI for the financial support in the frame of the Central Innovation Programme for SMEs (ZIM).
Polymers with intrinsic microporosity are promising candidates for the active separation layer in gas separation membranes. Here, by means of inelastic neutron scattering, the vibrational density of states (VDOS) and the molecular mobility were investigated for PIM-1, the prototypical polymer with intrinsic microporosity. The results are compared to data measured for a more conventional high-performance polyimide used in gas separation membranes (Matrimid).
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. In comparison to the Boson peak of Matrimid, that of PIM-1 is shifted to lower frequencies. This shift is discussed considering the microporous, sponge-like structure of PIM-1 as providing a higher compressibility at the molecular scale than for conventional polymers.
Elastic fixed window scans were measured on a neutron backscattering spectrometer to have an overview about the molecular dynamics at a time scale of ca. 1 ns. The temperature dependence of the estimated mean squared displacement shows a step-like increase in the temperature range from 100 K to 250 K indicating the onset of some molecular mobility. The nature of this motional process was analyzed in detail by quasielastic neutron scattering where the data are discussed with regard to both the q- and the temperature dependence.
Polymers with intrinsic microporosity are promising candidates for the active separation layer in green gas separation membranes and as active materials for electronic applicatons. Here, by means of inelastic neutron scattering, the vibrational density of states (VDOS) and the molecular mobility were investigated for PIM-1, the prototypical polymer with intrinsic microporosity. The results are compared to data measured for a more conventional high-performance polyimide used in gas separation membranes (Matrimid).
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. In comparison to the Boson peak of Matrimid, that of PIM-1 is shifted to lower frequencies. This shift is discussed considering the microporous, sponge-like structure of PIM-1 as providing a higher compressibility at the molecular scale than for conventional polymers.
Elastic fixed window scans were measured on a neutron backscattering spectrometer to have an overview about the molecular dynamics at a time scale of ca. 1 ns. The temperature dependence of the estimated mean squared displacement shows a step-like increase in the temperature range from 100 K to 250 K indicating the onset of some molecular mobility. The nature of this motional process was analysed in detail by quasielastic neutron scattering combining Time-of-Flight and backscattering where the data are discussed with regard to both the q- and the temperature dependence.
Basic oxygen furnace slags (BOFS) are a by-product of steel production. In 2016, 10.4 Mt of BOFS were produced in the European Union (EU). The main part of BOFS is used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. A smaller part is returned to the metallurgical circle, used as fertilizer or landfilled. However, it is also possible to produce higher value products from BOFS. For example, many researchers have investigated the possibility of producing Portland cement clinker and crude iron from BOFS by a carbothermal post-treatment.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as reducing agent. The carbothermal treatment reduces the iron oxides in the BOFS to metallic iron, which accumulates at the bottom of the furnace by density separation. In addition to metallic iron, the process generates a mineral product rich in the tricalcium silicate solid solution alite. As the main constituent of Portland cement clinker, the hydraulic reactive mineral alite is of high economic importance.
In previous studies, the hydraulic reactivity of the mineral product was investigated by testing the compressive strength of blends with 70 wt.% ordinary Portland cement (OPC). Recent investigations focused on the hydraulic properties of the pure mineral product from the reduced BOFS. The heat of hydration of the mineral product was measured by isothermal calorimetry and compared with the heat of hydration of a synthetic low-iron slag and OPC. In addition, the formation of hydration products was investigated with differential scanning calorimetry (DSC) and x-ray diffraction analysis (XRD) on freeze-dried samples after defined curing times. The results of the calorimetric measurements indicate that the mineral product produced less heat of hydration and its reaction was delayed compared to the synthetic low-iron slag and OPC. Hydration products such as portlandite and calcium silicate hydrates (C-S-H) formed later and in lower amounts.
The production of a hydraulic material from BOFS by reductive treatment is of great interest to both the cement and steel industries. The substitution of cement clinker in OPC with a hydraulic material such as reduced BOFS leads to a reduction in greenhouse gas emissions from cement production. The steel industry benefits from an application for its by-products that avoids cost expensive landfilling and may even bring economic advantages. Furthermore, it may be possible to return the recovered crude iron to production.
Basic oxygen furnace slag (BOFS) is a by-product of the steelmaking process, of which about 10.4 Mt are produced annually in the European Union. Besides its predominant use in road construction, earthwork, and hydraulic engineering, it is also possible to use BOFS as a source material for Portland cement clinker.
The main difference in the chemical composition of BOFS from the chemical composition of Portland cement clinker is its high content of iron oxides (7-50 wt.%). In recent decades, many researchers have investigated the production of both Portland cement clinker and crude iron from BOFS via thermochemical reductive treatment. Carbothermal treatment of liquid BOFS causes reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as reducing agent. The produced low-iron mineral product was chemically similar to Portland cement clinker and contained the most important Portland cement mineral alite (Ca3SiO5) as main component. Besides alite, the mineral product contained other Portland cement clinker constituents such as belite (β-Ca2SiO4) and tricalcium aluminate (Ca3Al2O6).
The production of Portland cement clinker and crude iron from BOFS has economic and ecological benefits for both the cement and steel industry. Cement clinker from reduced BOFS may be used as a substitute for cement clinker from conventional cement production, thereby CO2 emissions will be reduced. The steel industry benefits from a high-value application for its by-products that avoids cost expensive landfilling and may even bring economic advantages. However, reductive treatment requires high temperatures and, for economic reasons, has to be carried out immediately after casting of the liquid BOFS, which is a logistical challenge for most steel plants. A cost-benefit analysis is therefore essential.
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.
Basic oxygen furnace slag (BOFS) is a by-product of steelmaking of which about 10.4 Mt are produced annually in the EU. BOFS is mostly used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. However, in this use, the iron bound in BOFS is lost and the opportunity to produce higher value products from BOFS is forgone.
In recent decades, many researchers have investigated the production of both Portland cement clinker and crude iron from BOFS via a thermochemical reductive treatment. The reductive treatment of liquid BOFS causes a reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density and can be recovered. An advantage of this process is that simultaneously the chemical composition of the reduced BOFS is adapted to that of Portland cement clinker and the hydraulic reactive mineral alite (Ca3SiO5) is formed.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace and a low-iron mineral product rich in alite was produced. Despite a chemical and mineralogical composition similar to that of Portland cement clinker, the reduced BOFS produced less heat of hydration, and its reaction was delayed compared to Portland cement. However, adding gypsum accelerated the hydration rate of the reduced BOFS.
Further research to improve the hydraulic properties of the reduced BOFS is essential. If successful, the production of a hydraulic material and crude iron from BOFS could have economic and ecological benefits for both the cement and steel industry.
While today, engineers can choose from a wide range of rheology modifying admixtures, in some parts of the world, these are difficult to access, due to their complex processing. However, alternatives can be bio-based polymers such as polysaccharides from various sources. These are easily accessible all over the world, do not demand for complicated processing, and typically they are more sustainable than many established materials, which are crude oil-based.
The paper presents the effects of acacia gum, cassava starch and the gum of triumfetta pendrata A. Rich on the rheological performance of cementitious systems. It is shown that acacia gum can be as efficient as polycarboxylate based superplasticisers, cassava starch can reduce the yield stress slightly with little effect on the plastic viscosity, and the gum of triumfetta pendrata A. Rich increases the thixotropy of cement pastes with plasticizing polymers significantly.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
During their lifetime, polymer components subjected to mechanical loads and environmental influences show a loss of their mechanical properties required for their specific applications. In this respect, the craze-crack damage mechanism slow crack growth (SCG) is relevant for PE-HD components used in high-performance applications such as pipes and containers for the storage and transport of dangerous goods. SCG is considered to be the major failure mechanism in polyolefins and it typically occurs suddenly and unexpectedly. Due to the fields of application, SCG is a safety relevant issue. To test for the resistance of PE-HD pipe and container materials against SCG, the full-notch creep test (FNCT) is widely applied in Europe. In this study, SCG phenomena in PE-HD are investigated in detail based on an improved FNCT, especially including the consideration of the influence of environmental liquids effecting the damage mechanism. Using an enhanced fracture surface and a crack propagation analysis with imaging techniques such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM), X-ray computed tomography (CT-scan) and scanning electron microscopy (SEM), detailed data concerning SCG are obtained.
The combined application of FNCT and such imaging techniques is explicitly advantageous and recommended to gain important information on damage occurring to PE-HD induced by mechanical stress and the influence of environmental liquids, which is essential within the Fourth Industry Revolution.
Emanating from developing flame retarded biocomposites, we have proposed renewable natural fibers (including keratin) taken from industrial waste as an authentic sustainable approach. More recently, we have investigated non-vegan flame retardant approaches. This paper loves to give you an insight into our ongoing projects on biogenic industrial wastes like leather, bone meal, and insects. Materials were characterized multi-methodically, flame retardant modes of action quantified, decomposition mechanism proposed, and synergisms explained. Considering the large quantities of leather waste (LW) in industrial-scale production, we underline LW as multifunctional bio-adjuvants. LW enhances the flame retardancy of poly(ethylene-vinyl acetate) (EVA) containing phosphorus flame retardants (P-FR). Products/by-products of the invertebrate and vertebrate farming, respectively, are promising bio-based adjuvants in flame retarded bio-epoxy thermosets. While the addition of bone meal yields the formation of an inorganic shield, protein-based powders from insects provide an intumescent behavior. In combination with a P-FR superior charring and self-extinguishing are obtained.
Acknowledgement: In part of this work was supported by the Volkswagen Foundation grant “Experiment!” No. 97437.
Main message: Sustainability, or in other words, exploiting environmental conservation for the economic welfare and prosperity for all, would revolutionise the plastics industry were it to become predominant practice as a linear, fossil-fuel–based economy is switched to a carbon circular economy. Food for though is given by dint of a critical overview of the current trends in sustainable flame-retardant polymeric materials.
Introduction:
Transforming the plastics industry into a carbon circular economy over the next 30 years requires an immediate revolution entailing the development of cutting-edge materials and the planning of future industrial production plants. Hence, the innovative field of flame-retardant polymeric materials should lend its strength to drive this challenge. Visionary solutions are proposed to inspire us, while the implementation of economically feasible concepts can take us forward into the future.
Experimental The synthesis, processing, polymer analysis, thermal analysis, and investigation of fire behaviour from our own research are performed according to the state of the art, mostly in accordance with the pertinent ISO standards. Indeed, some of our equipment is part of the accredited lab; for the other methods we fulfil equivalent quality standards in terms of maintenance, calibration, participation in round robins, etc. Work steps such as the synthesis or preparation of new materials are usually outsourced or done with partners that have the relevant core competence. The talk also presents examples from other groups whose experimental is described in the corresponding scientific papers.
Results and Discussion An overview of current trends towards producing sustainable, flame-retardant polymeric materials is presented, using examples from the literature and by sketching our own projects performed in recent years. The examples are structured along a common theme leading from the use of old and new natural materials with some intrinsic flame retardancy, via flame-retardant biopolymers and biocomposites, to using renewable sources for flame retardants with the objective of exploiting natural sources available as industrial waste streams. Natural flame retardants and adjuvants are highlighted, although the status of most may be assessed as merely motivating our vision. Nevertheless, there are natural material streams finding their way into polymer mass production as fillers, adjuvants, polymers, or renewable educt sources. Natural substances originating from industrial waste streams open the door to sustainable solutions, because they are often available at low cost and avoid competition for land with farming or virgin forests. Aside from this main topic, remarks will address the recycling of flame-retarded polymeric materials; vitrimers are mentioned as a potential material for recyclable thermosets. At the end of the day, only convincing property profiles will prevail both for exploiting renewable sources and circular design, including cost effectiveness, sufficient availability, consistent quality, processibility, mechanical properties, and flame retardancy. However, sustainability must not be merely tolerated as an additional demand, but should instead be recognized as a solution, because sustainability aspires to ensure our economic welfare now and in the future.
Acknowledgement:
The examples shown from own project were supported by funding grants: BMBF WTZ: 01DN16040, DFG Scha 730/19-1, VW-Stiftung: Experiment No: 97437, DFG Scha 730/20-1, BMBF KMU Innovativ 031B1289B.
A few layer/multilayer graphene (MLG) with a specific surface area of BET ≥ 250 m2/g is proposed as an efficient multifunctional nanofiller for rubbers. The preparation method, i.e., ultrasonically-assisted solution or latex premixing of master batches followed by conventional two-roll milling, strongly influences the dispersion in the elastomeric matrix and is fundamental for the final properties. When homogenously dispersed, single stacks of only approximately 10 graphene sheets, with an aspect ratio of ca. 35, work at low loadings, enabling the replacement of large amounts of carbon black (CB), an increase in efficiency, and a reduction in filler load. The appropriate preparation yielded nanocomposites in which just 3 phr are sufficient to significantly improve the rheological, curing, gas barrier properties, electrical and thermal conductivity, as well as mechanical properties of different rubbers, as shown for chlorine-Isobutylene-Isoprene rubber (CIIR), nitrile-butadiene rubber (NBR), natural rubber (NR), and styrene-butadiene rubber (SBR).[1-5] 3 phr of MLG tripled the Young’s modulus of CIIR, an effect equivalent to 20 phr of CB. The stronger interactions between MLG and NR or SBR also resulted in a reduction in the elongation at break by 20% and 50%, respectively, while the same parameter was hardly changed for CIIR/MLG and NBR/MLG. CIIR/MLG and NBR/MLG were stiffer but just as defomable than CIIR and NBR. The strong reinforcing effect of 3 phr MLG was confirmed by the increase of greater than 10 Shore A in hardness. MLG reduces gas permeability, increases thermal and electrical conductivities, and retards flammability. We investigated MLG also as a synergist for reducing the aluminium trihydrate loading in flame retardant hydrogenated acrylonitrile-butadiene (HNBR), polybutadiene chloroprene (BR/CR), and chlorosulfonated polyethylene rubber(CSM).[6-8] The higher the nanofiller concentration is, the greater the improvement in the properties. For instance, the permeability decreased by 30% at 3 phr of MLG, 50% at 5 phr and 60% at 10 phr, respectively. Moreover, the MLG nanocomposites improve stability of mechanical properties against the effects of weathering. In key experiments an increase in UV-absorption and a pronounced radical scavenging were proved as stabilizing mechanisms. In a nutshell, MLG is an efficient multifunctional nanofiller ready to be used for innovative rubber development.
Overview of the state of the art and current trends with the main topics:
- renewable sources in flame retardant polymers (flame retarded bio-polymers and biocomposites; bio-flame retardants, renewable adjuvants from industrial waste)
- flame retardancy meets sustainability
- concepts between analogy and out-of-the-box.
A few layer/multilayer graphene (MLG) with a specific surface area of BET=250 m2/g is proposed as an efficient multifunctional nanofiller for rubbers. The preparation method, i.e., ultrasonically-assisted solution mixing of master batches followed by two-roll milling, strongly influences the dispersion in the elastomeric matrix and is fundamental for the final properties. When homogenously dispersed, single stacks of only approximately 10 graphene sheets, with an aspect ratio of 34, work at low loadings, enabling the replacement of large amounts of carbon black (CB), an increase in efficiency, and a reduction in filler load. The appropriate preparation yielded nanocomposites in which just 3 phr are sufficient to significantly improve the rheological, curing, gas barrier properties, electrical and thermal conductivity, as well as mechanical properties of different rubbers, as shown for chlorine-Isobutylene-Isoprene rubber (CIIR), nitrile-butadiene rubber (NBR), natural rubber (NR), and styrene-butadiene rubber (SBR). 3 phr of MLG tripled the Young’s modulus of CIIR, an effect equivalent to 20 phr of CB. The stronger interactions between MLG and NR or SBR also resulted in a reduction in the elongation at break by 20% and 50%, respectively, while the same parameter was hardly changed for CIIR/MLG and NBR/MLG. CIIR/MLG and NBR/MLG were stiffer but just as defomable than CIIR and NBR. The strong reinforcing effect of 3 phr MLG was confirmed by the increase of greater than 10 Shore A in hardness. MLG reduces gas permeability, increases thermal and electrical conductivities, and retards flammability, the latter shown by the reduction in heat release rate in the cone calorimeter. We investigated MLG also as a synergist for reducing the aluminium trihydrate loading in flame retardant hydrogenated acrylonitrile-butadiene (HNBR), polybutadiene chloroprene (BR/CR), and chlorosulfonated polyethylene rubber(CSM). The higher the nanofiller concentration is, the greater the improvement in the properties. For instance, the permeability decreased by 30% at 3 phr of MLG, 50% at 5 phr and 60% at 10 phr, respectively. Moreover, the MLG nanocomposites improve stability of mechanical properties against the effects of weathering. In key experiments an increase in UV-absorption and a pronounced radical scavenging were proved as stabilizing mechanisms. In a nutshell, MLG is an efficient multifunctional nanofiller ready to be used for innovative rubber development.
Analyzing the performance of discrete galvanic anode systems using electrochemical investigations
(2021)
Corrosion of reinforcement is one of the major reasons in questioning the service life of building structures. The application of cathodic protection techniques plays a big role in controlling the corrosion process to ensure a longer service life of building structures. This systematic study compares the efficiency and durability of various discrete galvanic zinc anode systems available in the current market using different criteria for measuring efficiency such as potential measurements, electrolyte resistance measurements and several polarization methods to determine the polarizability of the anodes. The results to validate the performance of long-time exposure of discrete zinc anodes in concrete medium are discussed.
The collaborative project “Impacts of impurities in CO2 streams captured from different emitters in a regional cluster on transport, injection and storage (CLUSTER)” aimed to set up recommendations on how to define “reasonable minimum composition thresholds” that CO2 streams should meet when accessing CO2 transport pipeline networks. Within CLUSTER, we investigated potential impacts of CO2 streams with different and temporally variable compositions and mass flow rates along the whole CCS chain. Investigations included, amongst others, impacts on: Corrosion of pipeline steel, pipeline network design and related transport costs, alteration of well bore cements, pressure evelopment and rock integrity, geochemical reactions, and petrophysical and geomechanical rock properties.
All investigations are based on a generic CCS chain scenario. In this scenario, CO2 streams are captured from a spatial cluster of eleven emitters and collected in a regional pipeline network. Emitters comprise seven fossil fuel-fired power plants equipped with different capture technologies, two cement plants, one refinery and one integrated iron and steel plant. In total, 19.78 Mio t CO2 (including impurities) are captured in the emitter cluster annually. The combined CO2 stream is transported in a trunk line with a length of 400 km (100 km of these offshore) and is injected into five generic storage structures. The storage reservoirs are saline aquifers of the Buntsandstein.
The investigations revealed beneficial and deteriorating impacts of different impurities and combinations thereof. Overall, no fundamental technical obstacles for transporting, injecting and storing CO2 streams of the modelled variable compositions and mass flow rates were observed. Based on the results, the CLUSTER project team recommends not to define “minimum composition thresholds” for CO2 streams as strict threshold values for eachindividual impurity in the stream. Instead, CO2 stream compositions and variabilities for specific CCS projects should be constrained with regard to a set of parameters including i) the overall CO2 content, ii) maximum contents of relevant impurities or elements, iii) acceptable variability of CO2 stream composition, and iv)impurity combinations to be avoided.
Depending on the CO2 generating and the capture process as well as on consecutive purification steps applied, CO2 streams from different emitters may differ in their composition. When CO2 streams with different compositions are fed into a larger pipeline network, there are several aspects that must be considered: i) chemical reactions, such as acid formation, may occur within the joint CO2 stream; ii) there may be a variation of mass flow rate and CO2 stream composition within the pipeline network if the feed-in behavior of different CO2 sources changes with time. Potential impacts of changing CO2 stream compositions and mass flow rates in CCS cluster systems were investigated in the collaborative project "CLUSTER" (see also www.bgr.bund.de/CLUSTER). In this presentation, we focus on the experimental investigations of formation and condensation of strong acids and their impacts on the corrosion of pipeline steels. When SO2, NO2, O2 and H2O are present simultaneously in CO2 streams chemical cross-reactions may occur leading to the formation of strong acids such as sulfuric and nitric acid. To prevent this acid formation the concentration of at least one of these four impurities must be kept very low (e.g., Rütters et al., 2016). At temperatures below the acid dew point temperature, acids will condense, e.g., on pipeline steel surfaces. In turn, these acid condensates may trigger steel corrosion. To better understand the process of acid formation and condensation and its implications for steel corrosion, exposure tests were performed on pipeline steel X70 in dense CO2 with varying SO2, NO2 and O2 concentration under high pressure and at 278 K in an observable autoclave, in which water was added as droplets or as vapor. Further, electrochemical tests were carried out with X70 specimens immersed in 500 mL CO2-saturated synthetic condensate solution or in droplets of the same solution on the specimen’s surface. Depending on impurity concentrations in the CO2 streams, condensates consisting of different relative amounts of nitric and sulfuric acid were formed. In condensates containing both nitric and sulfuric acid, corrosion rates were higher than the sum of those of the individual acids. In addition, corrosion products and forms depended on the condensate composition. Investigations of water droplets on steel surfaces in impurity-containing dense-phase CO2 revealed the diffusion of SO2 and NO2, followed by cross-reactions forming corresponding acids. An increase in droplet size (from 1 to 5 µl) lead to higher corrosion rates. However, in comparison to measurements in bulk solution, corrosion reactions in droplets resulted in thick, high-resistance corrosion products and observed droplet corrosion rates were significantly lower. In addition, the possibility of acid droplet formation and growth in impure liquid CO2 is influenced by the wetting behavior of the acid droplet on the steel surface. Thus, the contact angle between a water droplet and the surface steel specimens in a CO2 atmosphere was investigated in a high pressure view cell following the sessile drop method. The contact angle wasand found to be larger at higher CO2 pressures (studied from 5 to 20 MPa) and at higher temperatures (e.g. 278 K to 333 K). Further, measured contact angles were larger on rough than on smooth metal surfaces. In addition, acid formation reduced the contact angle, i.e. lead to better wetting, thereby stimulating condensation that was followed by a corrosion process. These detailed insights on the complex interplay of acid formation, condensation, wetting behavior and corrosion allow a better assessment of material suitability for pipeline transportation of impure CO2 streams
The corrosion resistance of stainless-steels grades is of high importance for the technical safety in different environmental conditions. Processing and surface finish influences the corrosion resistance of ferritic stainless steels, which may be considered for some application in marine environment. Three ferritic stainless steel alloys (X2CrNi12, X2CrTiNb18 and X2CrMoTi18-2) were exposed in four different surface finishes (rolled, dry grinding, glass beaded and electro polished) for five years in marine environment to obtain reliable information about the corrosion resistance. All samples were assessed after 22 and 60 months according to DIN EN ISO 10289 in validation degrees from 1 to 10. Complementary investigation using accelerated chamber test (salt spray test followed by four weeks storage at 30 °C / 80 % relative humidity) and short-term electrochemical methods (electrochemical potentiodynamic reactivation, pitting potentials and the KorroPad method) were conducted to compare their results. The presentation gives an overview on all methods and the generated results, which show benefits and restrictions of long-term, accelerated and short-term corrosion tests.
Mit der KorroPad-Prüfung kann die Lochkorrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle auf sehr einfache, schnelle und kostengünstige Weise eingeschätzt werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter und Anwender nichtrostender Stähle eine interessante Alternative zu zeitintensiven Langzeitversuchen und komplexen elektrochemischen Untersuchungsmethoden. Die prinzipiellen Funktionsweise der KorroPad-Prüfung wird im Vortrag beschrieben, um anschließend verschiedene Anwendungen aus Industrie und Forschung vorzustellen. Exemplarisch werden dazu die Bewertung von Schleif- und Passivierungsprozessen, die Qualitätskontrolle der Wärmebehandlung und Oberflächenbearbeitung von Schneidwaren vorgestellt. Mit der KorroPad-Prüfung lassen sich aber auch werkstoff- und gefügebedingte Einflüsse auf die Lochkorrosionsbeständigkeit gezielt untersuchen. Dies wird an Beispielen aus aktuellen Forschungsarbeiten dargestellt.
Mit der KorroPad-Prüfung können lochkorrosionsanfällige Oberflächenbereiche einfach, schnell und kostengünstig nachgewiesen werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter, Anwender und Forscher eine interessante Alternative zu zeitintensiven Auslagerungsversuchen und elektrochemischen Untersuchungsmethoden, die normalerweise bei der Charakterisierung nichtrostender Stähle zur Anwendung kommen. Mit der KorroPad-Prüfung können auch werkstoff- und gefügebedingte Einflussfaktoren sichtbar gemacht werden, die Lochkorrosionsanfälligkeit verursachen. Um dies zu veranschaulichen, wird die Nachweisgrenze des KorroPads an Referenzlegierungen mit abgestuftem Chromgehalt aufgezeigt. Darauf aufbauend wird dargestellt, wie die Sensibilisierung nichtrostender Stähle durch Chromverarmung mit einer gezielten Verschärfung der KorroPad-Prüfung nachgewiesen werden kann.
Der nichtrostende Duplexstahl 1.4062 (X2CrNiN22-2) hat sich im Bauwesen als Werkstoffalternative zu den nichtrostenden Austeniten etabliert. Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen aus 1.4062 wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Oberflächennachbehandlung der Schweißnaht beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich und geforderter Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstandenen Anlauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberfläche sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als gebeizte oder elektropolierte Oberflächen. Die Auswahl des Strahlmittels bestimmt auch die Prozesskosten, wobei das Strahlen mit Korund effektiver als das Strahlen mit Glasperlen ist. In den letzten Jahren wurden korrosionsanfällige Oberflächen bei nichtrostenden Stählen beobachtet, wenn diese mit Korund geschliffen wurden. Daher wird nun auch beim Strahlen kritisch hinterfragt, ob Korund als Strahlmittel die Korrosionsbeständigkeit verändert. Diese Fragestellung wird im Vortrag beantwortet indem geschliffene, gebeizte, mit Korund gestrahlte und mit Glasperlen gestrahlte Schweißverbindungen vergleichend untersucht werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen von den Strahlmitteln und den gestrahlten Oberflächen werden mit den Ergebnissen der Salzsprühnebelprüfung, den kritischen Lochkorrosionspotentialen und der KorroPad-Prüfung korreliert.
Aufgrund guter mechanischer und chemischer Eigenschaften sowie einer hohen Biokompatibilität sind CoCrMo-Legierungen als Implantatwerkstoffe seit Jahrzehnten fester Bestandteil medizintechnischer Anwendungen. Diese Eigenschaften resultieren bekanntermaßen aus chemischer Zusammensetzung, atomarem Aufbau und dem Gefüge. Letzteres wird durch Legierungszusammensetzung, Herstellungsprozess und Wärmebehandlungen bestimmt. In der Vergangenheit wurden bereits Erkenntnisse zum Einfluss der Mikrostruktur auf mechanische bzw. chemische Eigenschaften von CoCrMo gewonnen. Ebenso wurde in der Literatur das Korrosionsverhalten von CoCrMo im Beisein von Körperflüssigkeiten betrachtet. Bisher fehlt es jedoch an vergleichenden Untersuchung, die das Korrosionsverhalten verschiedener Phasen- bzw. Gefügezustände in verschiedenen Körpermedien betrachten. In dieser Arbeit werden bei einer ausgewählten CoCrMo Legierung verschiedene Gefügezustände durch plastische Verformung und Wärmebehandlung erzeugt und vergleichend untersucht. Das Korrosionsverhalten wird anhand elektrochemischer Untersuchungen in verschiedenen körperflüssigkeitsnahen Lösungen im Vergleich zu Titan charakterisiert und der Einfluss von bestimmten Zusätzen (HCL und H2O2) ermittelt.
The double loop electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) method is a standardised procedure for detecting and quantifying sensitisation on austenitic, ferritic and ferritic-austenitic stainless-steel grades. This sensitisation is caused by microstructural alternations, as the formation of chromium carbides, nitrides or sigma-phases, which generate local chromium depleted zones nearby. The latter strongly influence the corrosion resistance and the electrochemical response of a stainless steel during electrochemical potentiodynamic reactivation, providing important information on the degree of chromium depletion. In case of martensitic stainless steels, which are used for cutlery and surgical instruments, the heat treatment has a strong impact on the microstructure, the material properties and especially on the corrosion resistance. To study this interaction, the EPR method was modified for the application on martensitic stainless steels with about 13 wt.-% chromium. Different H2SO4 concentrations and EPR-parameters were tested and compared on two standard martensitic stainless-steel grades (AISI 420 A / X20Cr13 and AISI 420 C / X46Cr13) to define applicable parameters. Afterwards, these parameters were used to study the effect of austenitisation time and cooling rate on the corrosion resistance of both martensitic stainless steels. The response of both alloys was different due to the different carbon levels, which will be explained by microstructural investigations in detail. All results allow postulating a process window, in which chromium depletion is suppressed and an optimised corrosion resistance is guaranteed. Based on this research, the modified EPR-test is now used to control the heat treatment and its impact on the corrosion resistance of martensitic stainless steels in the cutlery industry. The EPR-test is thus an interesting alternative for manufacturers, processors, users and researchers to the time-consuming exposition test normally used to characterise the corrosion resistance of martensitic stainless steels.
Der Vortrag behandelt zunächst die wesentlichen Grundlagen der elektrolytischen Korrosion, die für das Verständnis der Eigenschaften korrosionsbeständiger (nichtrostender) Stähle notwendig sind. Anschließend wird das Phänomen der Passivität vorgestellt und die Wirkung von Legierungselementen auf Gefüge und Korrosionsbeständigkeit erläutert.
Der Vortrag behandelt zunächst die wichtigsten lokalen Korrosionserscheinungen (Spaltkorrosion, Interkristalline Korrosion, Lochkorrosion und Spannungsrisskorrosion), die bei korrosionsbeständigen (nichtrostenden) Stählen auftretenden können und gibt wichtige Hinweise zu deren Vermeidung. Außerdem werden die verschiedenen Werkstoffklassen (Ferrite, Austenite, Martensite und Duplexstähle) im Bereich der nichtrostenden Stähle vorgestellt und auf die Eigenschaften und Besonderheiten eingegangen.
Der Vortrag behandelt zunächst das Vorgehen bei der Beurteilung der Korrosionsbelastung unter atmosphärischen Bedingungen, wobei ausgewählte Einflussfaktoren (Chlorid-Gehalt und Schwefeldioxid-Gehalt) näher betrachtet werden. Anschließend wird die bisherige und die aktualisierte Normung der Werkstoffauswahl am Beispiel des Bauwesens vorgestellt und auf die verschiedenen Beständigkeitsklassen im Bereich der nichtrostenden Stähle eingegangen. Abschließend werden beispielhaft Schadensfälle und aktuelle Fragestellungen vom Fachbereich 7.6 zum Einsatz nichtrostender Stähle vorgestellt und erläutert.
Normung der KorroPad-Prüfung zum Nachweis lochkorrosionsanfälliger Oberflächen und Werkstoffzustände
(2018)
Mit der KorroPad-Prüfung kann die Lochkorrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle auf sehr einfache, schnelle und kostengünstige Weise eingeschätzt werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter und Anwender nichtrostender Stähle eine interessante Alternative zu zeitintensiven Langzeitversuchen und komplexen elektrochemischen Untersuchungsmethoden. Die prinzipiellen Funktionsweise der KorroPad-Prüfung wird im Vortrag beschrieben, um anschließend verschiedene Anwendungen vorzustellen. Exemplarisch werden dazu die Bewertung von Schleif-, Strahl- und Passivierungsprozessen, die der Einfluss von Schwefel und die werkstoffbezogene Nachweisgrenze der KorroPad-Prüfung. Abschließend wird auf ein geplantes Vorhaben zur Normung der KorroPad-Prüfung eingegangen.
Einfluss industrieller Korundschleifprozesse auf die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle
(2018)
Im Vortrag werden Ergebnisse des AiF Forschungsvorhabens "Optimierung industrieller Korundschleifprozesse zur Sicherstellung der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle" vorgestellt, die den Einfluss verschiedener Schleifmittel auf die Korrosionsbeständigkeit geschliffener Oberflächen nichtrostender Stähle belegen. Es konnte ein signifikanter Einfluss durch die Verwendung von Granulatschleifbändern nachgewiesen werden, der die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen reduziert. Grund sind auf der Oberfläche zurückbleibende Materialaufplattungen von Eigenmaterial aus dem Schleifprozess. Es wurden unterschiedliche Korrosionsuntersuchungen durchgeführt und durch Oberflächenanalytik im Rasterelektronenmikroskop untermauert.
Einfluss der Schweißnaht-Nachbehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit des Duplex-Stahls 1.4062
(2018)
Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen aus dem Duplex-Stahl 1.4062 wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Oberflächennachbehandlung der Schweißnaht beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich und geforderter Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstandenen Anlauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberfläche sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als gebeizte oder elektropolierte Oberflächen. Die Auswahl des Strahlmittels bestimmt auch die Prozesskosten, wobei das Strahlen mit Korund effektiver als das Strahlen mit Glasperlen ist. Ziel der Untersuchungen war es festzustellen, ob das Strahlen aus Sicht der Korrosionsbeständigkeit äquivalent zu anderen Nachbehandlungsverfahren ist. Diese Fragestellung wird im Vortrag beantwortet indem geschliffene, gebeizte, mit Korund gestrahlte und mit Glasperlen gestrahlte Schweißverbindungen vergleichend untersucht werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen von den Strahlmitteln und den gestrahlten Oberflächen werden mit den Ergebnissen der Salzsprühnebelprüfung, den kritischen Lochkorrosionspotentialen und der KorroPad-Prüfung korreliert.
Nickel-free, nitrogen alloyed austenitic stainless-steels, with about 19 wt.-% Mn and 0,8 wt. % N, are an interesting alternative to classic CrNi austenitic stainless steels due to their superior mechanical properties (Rm > 900 MPa, A5 > 50 %, Av > 350 J) in the solution annealed condition. The formation of chromium-rich nitrides during suboptimal heat treatment, processing or application leads to an inhomogeneous distribution of alloying elements in the microstructure, which reduces the corrosion resistance. Consequently, an accurate knowledge of the sensitization behavior is indispensable for the use of nickel-free, high-nitrogen austenitic stainless steels. The relationship between artificial aging, phase formation and corrosion resistance was investigated on the alloys X8CrMnN18-19 (1.3815) and X8CrMnMoN18-19-2 (1.4456), both alloyed with 0,8 wt.-% Nitrogen, in the present work. The microstructural evolution was studied by LM and SEM while the corrosion resistance was characterized with the electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) and the KorroPad indicator-test. Both alloys showed increased corrosion susceptibility within critical aging parameters. Finally, a sensitization diagram was described successfully for both alloys showing the positive effect of molybdenum.
Ergebnisse aus dem AiF Forschungsvorhaben IGF 18823 N/1 "Optimierung von Korundschleifprozessen"
Ein Referenzwerkstoff mit einem definierten Oberflächenzustand wurde zunächst umfassend mittels elektrochemischer Korrosionsuntersuchungen, KorroPad-Untersuchungen und oberflächenanalytischer Verfahren charakterisiert. Anhand definierter Schleifversuche an diesem Referenzzustand wurden anschließend verschiedene Schleifparameter variiert, deren Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit mit den gleichen Methoden beurteilt wurden. Somit war es möglich, den Einfluss einzelner Schleifparameter auf das Korrosionsverhalten aufzuzeigen.
For extrusion-based 3D concrete printing, the early age mechanical behavior is influenced by various time dependent phenomena: structural build-up, plasticity as well as viscosity. The structural build-up is governing the stability and early-age strength development of the fresh printable cementitious materials and with that influencing the printability, buildability, and open time of the printing process. Generally, it is influenced by a number of factors, i.e. composition of the printable material, printing regime, and ambient conditions (temperature, humidity, etc.). There are several approaches to model the structural build-up of cementitious materials. All models are based on a time-dependent internal structural parameter describing the flocculation state, which is assumed to be zero after mixing and increases with time. The approaches differ in the definition of the time dependency (linear, exponential, bi-linear). Usually, the parameters are defined for a specific material composition without considering the influence of ambient conditions.
In this contribution, the bi-linear structural build-up model [Kruger et al., Construction and Building Materials 224, 2019] is extended by the temperature influence. Temperature changes will occur in real life printing processes due to changing ambient conditions (summer, winter, day, night) as well as the printing process (pressure changes etc.) and have a significant impact on the structural build-up process: an increase of the temperature leads to a faster dissolution of cement phases, accelerates hydration and boosts the Brownian motion. For that reason, the model parameters are simulated as temperature dependent using an Arrhenius function. Furthermore, the proposed extended model is calibrated based on measurement data using Bayesian inference. A very good agreement of the predicted model data with the measured control data was reached. Additionally, the structural build-up model is integrated into a viscoelastic and elastoplastic mechanical model, simulating the whole mechanical behavior during layer deposition.
Lessons learned from long-term corrosion investigations and –monitoring in saline thermal waters
(2018)
Investigations of corrosion processes in geothermal well in Groß Schönebeck showed
Most tested materials (apart of carbon steel) proved to be corrosion resistant within the installations.
- Stability of coatings cannot be guaranteed.
- Main risk: Electrochemical corrosion of carbon steel casing with dissolved Cu resulting in clogging the reservoir
The corrosion prevention strategy requires use of higher alloyed casing materials depending on resistance parameters, availability and economic feasibility.
Fugenfüllsysteme für Fahrbahnbeläge unter höchsten Beanspruchungen bestimmen in zunehmenden Maße die sichere Verfügbarkeit des Autobahnnetzes. Die aktuellen europäischen technischen Regelungen zu deren Verwendbarkeit folgen noch einem spezifikatorischen Ansatz auf empirischen Grundlagen. Es hat sich gezeigt, dass ein solcher Ansatz den Dauerhaftigkeits- und Nutzungsanforderungen nicht mehr entsprechen kann. Der Autor plädiert in seinem Vortrag für einen Paradigmenwechsel hin zu einem funktionsanalytischen Bewertungsansatz. Es werden Vorschläge für eine versuchstechnische Lösung des Problems und die damit verbundenen Chancen für Optimierung und Innovation aufgezeigt.