Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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In the late 1980s, a new type of corrosion appeared in drinking water installations where galvanized steel pipes failed forming a deep groove with no corrosion at the other surfaces. The reason was discussed quite fiercely between failure analysts and material suppliers. In the end the discussion lead to the solution: inductive welded pipes of a certain sulphur content were prone to selective corrosion. The history of the arguments is discussed using old communications between Wilhelm Schwenk and Wolfgang Stichel, who later published the results in a paper unfortunately only I german.
Thus the knowledge got lost and new cases based on the same material problems are observed in application of so-called C-Steel piping systems. Failure cases are shown.
Die Oberflächentexturierung der Betonfahrbahndecken mittels Grinding und Grooving steht seit einigen Jahren im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung des Betonstraßenbaus in Deutschland. In den vergangenen Jahren wurden die vorteilhaften Oberflächenperformances derartiger Texturen, wie z.B. Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung, in zahlreichen Forschungsprojekten umfassend untersucht. Im Kontext des gegenwärtig verfolgten ganzheitlichen performanceorientierten Ansatzes liegt der Fokus nun verstärkt auf der Analyse und Charakterisierung der Oberflächentopografie von Grinding- bzw. Groovingtexturen. Insbesondere gilt ein Hauptaugenmerk hierbei der zeitlichen Entwicklung der Oberflächentexturen in Abhängigkeit von äußeren Einwirkungen durch Klima und Verkehr.
Im Rahmen eines von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Forschungsvorhabens wurden zunächst die messtechnischen Voraussetzungen für eine hochaufgelöste dreidimensionale Erfassung der Oberflächentopografie von Grinding- und Groovingtexturen in situ geschaffen. Das schließt auch die Entwicklung einer Messanordnung, die eine Wiederholbarkeit der 3D-Messungen gewährleistet und somit die Erfassung der zeitlichen Texturveränderungen ermöglicht. Basierend darauf wurden Auswerteroutinen zur qualitativen und quantitativen Beschreibung der Oberflächentexturen und deren Veränderungen entwickelt und angewandt. Anschließend wurde der Zustand von Grinding- und Groovingtexturen an ausgewählten Praxisstrecken in definierten Zeitintervallen erfasst. Unter Verwendung der erarbeiteten Auswerteroutinen wurden die erfassten Oberflächen analysiert und repräsentative Texturkennwerte abgeleitet.
The screening of coatings shows that the modification by adding individual pigment was not sufficient to protect carbon steel even during a short-term exposure, indicated by the discoloration after only seven days of exposure.
Electrochemical tests indicated that the coating cathodically protects carbon steel or slows down the corrosion reaction.
A long-term exposure test confirmed that the PANI/SiO2 modified coating successfully protects the carbon steel in the Sibayak artificial geothermal water at 150 °C for 6 months.
A new approach towards performance-related design and scientific evaluation of joint sealing systems
(2020)
While there is a permanent improvement of concrete pavement mixtures and pavement construction types over the last decades, the state-of-the-art joint sealing materials and joint constructions seem to stagnate on an antiquated empirical level. This status has been reaffirmed in the latest European standard.
The consequences in the motorway network due to unsatisfying capability and durability of joint sealing systems are unacceptable. In addition, inadequate traffic performance (noise emissions, roll-over comfort) and traffic safety losses in the joint area of concrete pavements are existing challenges. These deficits and weaknesses reflect a demand for joint sealing materials and constructions whose approval requirements take functional aspects into account. Furthermore a sufficient analysis of decisive loads and a practice-oriented method to evaluate the requirements towards performance and durability is still missed.
In this contribution decisive loads to German highways are analyzed. The design of test specimen for representative functional testing of joint sealing systems is discussed. The focus is on the geometry of the test specimens and the used concrete mixture. Finally, a new approach for a function-orientated test concept that considers representative load functions is presented. The potential of this approach to validate the durability and capability of various joint sealing systems is also presented using an example.
The methods of computational damage mechanics are well-established for the description of degradation of materials under monotone loading. An extension to structural damage induced by cyclic loading is however significantly limited. This is due to enormous computational costs required to resolve each load cycle by conventional temporal incremental integration schemes while a typical fatigue loading history comprises between thousands and millions of cycles. Despite the permanent increase of computational resources and algorithmic performance, a successful approach is rather based on the development of novel multiscale in time integration schemes.
A Fourier transformation-based temporal integration (FTTI) is represented, which takes advantage of temporal scale separation incorporated into the cycle jump method. The response fields are approximated by a Fourier series whose coefficients undergo the evolution on a long-time scale. This is correlated with the evolution of the history variables, including damage, by means of the adaptive cycle jump method of various orders. The necessary extrapolation rates are obtained from the underlying solution of a short-time scale problem, which results from the oscillatory boundary condition and fulfills the global equilibrium of the Fourier coefficients. In this way, a remarkable speedup is achieved because the number of cycles to be fully integrated dramatically decreases.
The key idea behind the FTTI method is that the global in space equilibrium problem is linear since it is decoupled from the evolution equations. The latter are solved in the quadrature points under response fields prescribed throughout the whole load cycle. Consequently, integration of a single load cycle is much more efficient than the conventional single scale integration where the global equilibrium iteration and the local iteration of the evolution equations are coupled. This results in an additional speedup of the FTTI method.
The performance of the FTTI technique is demonstrated for two different constitutive behaviors: a viscoplastic model with a damage variable governed by the local equivalent viscoplastic strain; a quasi-brittle response where the damage variable is driven by a non-local equivalent strain. The latter is implicitly introduced as proposed by Peerlings. Both, the explicit and implicit extrapolation schemes are validated. The FTTI solutions agree very well with the reference cycle-by -cycle solutions, while significantly reducing the computational costs. The adaptive determination of the jump length can properly recognize the particular responses throughout the fatigue loading history (stationary fatigue, acceleration of fatigue damage when approaching failure) as well as stress redistribution phenomena.
CCS technology - Carbon Dioxide Capture and Storage, has been recognized as an excellent technology to reach the target of CO2 reduction. However, the safety issue and cost effectiveness currently hinder the future of CCS. Recent studies have shown that even at a very low concentration of impurities (less than 100 ppmV of SO2, NO2, O2 and H2O) the droplet formation and condensation of sulfuric and nitric acids in dense phase CO2 are possible and observable [1-3].To reveal the mechanism of droplet corrosion in dense CO2 at high pressure and low temperature, further studies on factors that affect wettability and resulting corrosion behaviors of transport pipeline steels are needed.
In this work, carbon steel 1.8977 (L485MB), CrMo-alloyed steel 1.7225 (42CrMo4), martensitic steel 1.4313, and superaustenite steel 1.4562 (alloy 31) were investigated. The wettability was determined by contact angle measurement of sessile drop in CO2 atmosphere, at different pressure and temperature. The corrosion behavior of steels was investigated with standard exposure tests, followed by mass loss determination, surface characterization by scanning electron microscope (SEM) and chemical analysis by Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX). Exposure tests with and without the synthetic CO2 saturated water droplets were performed at both low temperature (278 K) and higher temperatures (288 K and 313 K) at high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The investigated flue gases were SO2 (70-220 ppmV) and O2 (6700 ppmV) and water (50-200 ppmV). To reveal the effects of surface morphology, carbon steel coupons with different surface roughness were prepared to expose to CO2 stream containing oxidizing/reducing impurities to observe the condensation and the corrosion process that followed.
Acoustic emission testing
(2018)
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden. Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und
Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden.
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.
The copper alloyed stainless steel 1.4542 (X5CrNiCuNb16-4) is used in different areas due to its good mechanical properties and corrosion resistance. Strength and corrosion resistance can be adjusted by the heat treatment, which is of importance for the application of this alloy. The mechanical properties (strength and hardness) are attributed to the dispersive precipitation of the copper rich ε–Phase. The additional precipitation of chromium carbides can reduce the corrosion resistance. Different ageing states were produced to investigate the precipitation behaviour with various methods. Furthermore, the influence of cold-rolling on the precipitation behaviour was studied in comparison to a solution annealed state without deformation. The microstructure was studied by SEM and the variations of hardness and magnetic proportion were characterised. The electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) was used to determine the corrosion resistance and detect chromium depletion in all heat-treated states. The results show that a work hardening accelerates the precipitation rate, while ageing at 600 °C reduces the corrosion resistance due to chromium depletion.
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.
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.
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.
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 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.
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.
In the last years flowable concrete has become increasingly important in applications such as, for systems with highly reinforced concrete with a complicated formwork, or sprayed concrete and 3D-printing of concrete. For all these applications it is necessary to have tailored rheological properties. Rheology can be described by values of yield stress and plastic viscosity, which can be determined for example by evaluation of rheometer measurements. But for different materials various rheometers with different geometries and stirrers are being used. To see the effects from paste in concrete, it is necessary to investigate mixes of paste, mortar and concrete, stepwise. But currently there exists no device, which is calibrated for these different systems at once. Due to this fact, conventional tests such as V-funnel efflux-time and flow diameter were determined, as well as rheometer data in different cell sizes and geometries.
In this study the assessment of rheological effects in the binder on the rheology of mortar was investigated by using combination of two rheometers.
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.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
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.
Anhand der Wirksumme ist eine Abschätzung des legierungsabhängigen Einflusses auf den Korrosionswiderstand gegen chloridhaltige Medien möglich. Die berechneten Werte sind nur bei optimaler Wärmebehandlung und Verarbeitung zutreffend.
Die Anwendung einer einfachen Formel unter Berücksichtigung von Chrom, Molybdän und Stickstoff ist in der Regel völlig ausreichend. Das daraus abgeleitete Ranking von Werkstoffen ist für diverse technische Regelwerke und zur Unterstützung der Werkstoffauswahl geeignet.
Für die Warenein-/Ausgangskontrolle ist die alleinige Feststellung der Wirksumme unzureichend. Ergänzende Korrosionsuntersuchungen/-prüfungen zur Beschreibung des Korrosionswiderstandes sind dafür notwendig. Gleiches gilt für die Beurteilung von Schadensfällen. Hier sind Verarbeitung, Einsatzbedingungen und die Konstruktion von ausschlaggebender Bedeutung.
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung, die mechanische Bearbeitung, die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten, wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung,die mechanische Bearbeitung,die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von möglichen Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.
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.
Der Vortrag stellt ein neuartiges Korrosionsprüfverfahren für Zinküberzüge auf Basis gelartiger Elektrolyte vor und führt die Vorteile gegenüber konventionellen Prüfverfahren auf. Basierend auf den Ergebnissen wird die Idee für einen IGF-Projektantrag in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS vorgestellt.
Der Vortrag stellt ein neuartiges Korrosionsprüfverfahren für Zinküberzüge auf Basis gelartiger Elektrolyte vor und führt die Vorteile gegenüber konventionellen Prüfverfahren auf. Basierend auf den Ergebnissen wird die Idee für einen IGF-Projektantrag in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS vorgestellt.
Aus Rapsöl gewonnener Biodiesel ist eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Energiequellen. In der Europäischen Union, in der 80 % der ölhaltigen Brennstoffe importiert werden müssen, besteht zudem ein Interesse, die Abhängigkeit von exter-nen Ölversorgern zu reduzieren.
Bei jeder Veränderung der Zusammensetzung eines Brennstoffs muss auch die Ma-terialverträglichkeit gewährleistet bleiben. Es stellt sich die Frage, ob Elastomere im Vergleich zu reinem Heizöl auch in Heizöl mit 20 % Biodiesel (B20) beständig sind.
Die Polarität des Biodiesels erhöht die Quellung und fördert die Permeation und Ex-traktion. Sowohl Quellung als auch Extraktion bedingen Änderungen der physikali-schen Eigenschaften der Elastomere. Extraktion verändert die chemische des Heiz-öls. Diese chemischen Veränderungen können auch den Abbau (Hydrolyse und Oxi-dation) der Polymere durch das Herauslösen von Additiven und Stabilisatoren be-schleunigen.
Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der Beständigkeit der Elastomere ACM (Poly-acrylatkautschuk), HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadienkautschuk), FKM (Fluorkaut-schuk) und PUR (Polyurethan) in Heizöl und im Heizölgemisch B20.
Prüfkörper der Elastomere wurden für 42 Tage (Härteprüfung) und 84 Tage (Zugprü-fung) bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde die Änderung der Masse, Shore Härte A, Zugfestigkeit, und Reißdehnung bezogen auf die Werte vor der Aus-lagerung bestimmt. Die weniger zur Quellung neigenden Elastomere FKM und HNBR wurden zusätzlich bei 70 °C ausgelagert.
Um die Elastomere im verpressten Zustand zu testen, wurde der Druckverformungs-rest nach DIN ISO 815 bestimmt. Hierzu wurden zylindrische Prüfkörper aus ACM, HNBR und FKM verpresst und in Heizöl und Heizöl mit 20 % FAME für 3, 7, 14, 28, 56 und 90 Tage bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde über die Dickenmes-sung der Druckverformungsrest ermittelt. Zum Vergleich wurden Prüfkörper verpresst und ohne Medium bei 40 °C ausgelagert.
In den internationalen Normen wurde kein Grenzwert für die Veränderung der Zugei-genschaften und der Härte für eine positive Bewertung der Beständigkeit festgelegt. Deshalb wurde in der BAM ein Grenzwert von 15 % für die Beständigkeitsbewertung herangezogen.
Bei 40 °C lag die Änderung der Zugeigenschaften und der Shore Härte von ACM, HNBR und FKM in Heizöl und in B20 unter 15 %. Folglich sind ACM, HNBR und FKM bei 40 °C in Heizöl und in B20 beständig. PUR ist bei 40 °C in Heizöl beständig, je-doch nicht für eine Verwendung in B20 geeignet, da sich die Zugfestigkeit und Reiß-dehnung um 50 % vermindert haben.
Bei 70 °C ist FKM in Heizöl und B20 beständig, wohingegen HNBR an seine Einsatz-grenzen gelangt und unbeständig ist, in B20 haben sich die Zugfestigkeit um 40 % und die Reißdehnung um 50 % reduziert.
Beton ist weltweit einer der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe und zeichnet sich durch eine enorme Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Anforderungen aus. Damit verbunden ist eine hohe und kontinuierlich zunehmende Komplexität hinsichtlich der Ausgangsstoffe, Rezepturen und des Herstellungsprozesses. Folglich setzt eine Ausschöpfung des technischen und umweltbezogenen Potenzials der Betonbauweise höchste Expertise bei den Einzelakteuren der Bauindustrie voraus.
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.
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.
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.
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.
Alkali silica reaction (ASR) is a major concrete durability problem resulting in significant maintenance and reconstruction costs for concrete infrastructures all over the world. To determine whether an aggregate is potentially reactive, accelerated concrete tests are used. Aim of this study is the chemical and microstructural characterization of ASR-products formed under the performance conditions of motorway pavements and during subsequent tests on the remaining ASR susceptibility. Samples were taken from concrete motorway pavements. Some of the samples already showed first indications for beginning damages whereas others showed deteriorations only after applying a performance testing procedure for the estimation of future risk of ASR damage. In a first step ASR-products were identified by polarized light microscopy in thin sections. The reaction products where then analyzed by Raman Spectroscopy and finally the chemical composition of the ASR-products was identified by SEM with EDX.
The results indicate that most reaction products show an increasing Ca/Si-ratio with progressive crack length. If an ASR-product develops inside an aggregate and moves through the cement paste, it has a high (Na+K)/Si-ratio at the beginning which decreases with increasing distance from its place of origin. The Raman spectra of the ASR-products are characterized by two broad bands indicating specific Q-species of different amorphous gel networks. Within the scope of the analysis distinctions in the microstructure and the chemical composition of the ASR-gels were detected relating to various conditions of accelerated testing.
In recent years superglassy polymers exhibiting intrinsic microporosity established a new perspective for a number of applications, especially for gas separation membranes as These polymers Combine extremely high permeabilities with attractive selectivities. The essential factor governing the structure Formation in the solid film or layer is either a contorted rigid Backbone (polymers of intrinsic microporosity - PIMs) or extremely bulky side groups (polynorbornenes and polytricyclonenenes).
For a deeper understanding of both types of such high-Performance polymers for gas separation membranes and their further development broadband dielectric spectroscopy (BDS) can provide a substantial contribution.
BDS addresses molecular relaxations characterizing the dynamics of the solid polymer as a major factor determining the gas transport properties but also the physical aging behavior which is an essential issue for such polymers.
BDS is applied on PIMs where fluctuations of molecular dipoles connected to the backbone can be directly monitored. Furthermore, also polynorbornenes were investigated which carry no dipole moment in their repeat unit - the high resolution of modern equipment allows for the detailed analysis also for very small dielectric losses originating from partially oxidized moieties or marginal catalyst residues.
Additionally, from interfacial polarization phenomena, such as Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) polarization due to blocking of charge carriers at internal interfacial boundaries on a mesoscopic length scale, valuable information on the intrinsic microporosity and its changes induced by physical aging can be obtained.
Finally, also conductivity can be characterized in detail in such polymeric systems revealing contributions of interactions of aromatic moieties (π-π-stacking) or the drift motion of charge carriers. These features also determine the structure formation in the solid state.
Severe mechanical fatigue conditions for worldwide proliferating windfarms are a Major challenge for high-performance concrete in towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-performance concrete offers potential for the application in offshore windfarms, not only regarding its good mechanical, but also chemical resistivity due to low diffusivity in the highly densified microstructure. For a more reliable fatigue assessment, monitoring based on nondestructive testing can be a valuable complement to design rules. Both approaches demand reliable experimental data, information about scalability and the development of standardized testing methods. This article presents results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), which is a part of a joint national project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject implemented by BAM examines the fatigue behavior in dependence of size and slenderness for varying concrete strength at different stress levels. Besides fatigue strength, nondestructive testing is carried out additionally.
Methods used are strain measurement and ultrasonic testing. The change of strain, stiffness and ultrasonic pulse velocity in the fatigue process is discussed. Results disclose a deeper insight into the damage process under cyclic loading of high-performance concrete and contribute to improve nondestructive monitoring.
Das langsame Risswachstum (slow crack growth, SCG) sowie der umgebungsbedingte Spannungsriss (environmental stress cracking, ESC) sind relevante Schädigungsmechanismen für teilkristalline Werkstoffe auf Basis von Polyethylen hoher Dichte (PE-HD).
Der Vortrag gibt einerseits einen Überblick über die grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in diesem Kontext, andererseits werden auch verschiedene praxisorientierte Prüfverfahren vorgestellt. Letztere wurden in gemeinsamen Forschungsprojekten von BAM und LBF mit dem Schwerpunkt Gefahrgutbehälter bzw. Pflanzenschutzmittel vergleichend untersucht und durch weitergehende Analytik ergänzt.
Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) is a promising technology to reach the target for reduction of CO2 emissions. Crucial points for a sustainable and future-proof CCUS system are reliability and cost efficiency of the whole process chain, including separation of CO2 from the source, compression of CO2, its subsequent transportation to the injection site and injection into geological formations, e.g. aquifers. Recent studies have shown that even at a very low concentration of impurities, condensation of sulfuric and nitric acids in dense phase CO2 are possible and observable. Thus, impact of impure CO2 stream toward corrosion susceptibility of materials to be used in CCUS system need to be considered. In this talk, basing on results achieved from two German long-term projects (COORAL and CLUSTER), the dominating impurities of the CO2 stream and corrosion mechanisms are addressed. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide a material recommendation for certain parts.
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
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.
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.
Biodiesel (FAME) from rapeseed is an environmentally friendly alternative to common fossil fuels. It is also suitable to serve as blending component to fuels like heating oil. If the fuel composition is changed, materials compatibility must be guaranteed. Adding polar biodiesel to nonpolar heating oil, changes the blend’s solvency and might cause swelling, extraction and solvation of polymers.
The objective of this research was to investigate the compatibility of polymeric materials, which are commonly used for components in middle distillate facilities, along with blends of heating oil and 20 % biodiesel (B20). For this propose, ACM, HNBR, FKM, PE, PA 6, POM, PUR and PVC were exposed to heating oil and B20 for 42 and 84 days at 40 °C. In addition, the polymers HNBR, FKM, PA, POM and PVC were also exposed at 70 °C. Furthermore, the resistance of polymers in eight-year aged B10 at 40 °C was evaluated. Ageing of biodiesel increases acidity which might propagate polymer corrosion.
The materials were evaluated as resistant, if the loss in tensile properties (tensile strength and elongation at break) and Shore hardness remained under 15 % compared to the initial unexposed material values. For investigations under compressed conditions, the compression set was determined for specimens of ACM, FKM and HNBR after exposure in heating oil B0 and B20 for 3,7,14, 28, 56 and 90 days at 40 °C according to ISO 815-1.
It was found that the resistance in B20 at 40 °C was given for all tested polymers except PUR. In the 8 years aged B10, PUR and POM were not compatible and ACM just conditionally compatible. At 70 °C, FKM and PVC were resistant in B20, whereas HNBR and PA 6 were not compatible. Swelling occurred for the elastomers ACM, HNBR and PUR.
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.
CO2 quality specifications are not only a matter of CO2 purity (i.e. CO2 content).
The “rest” also matters, in particular contents of reactive impurities affecting material corrosion (and rock alteration).
Also chemical reactions in CO2 stream needs to be considered, in particular when combining CO2 streams of different compositions.
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.
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.
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.
The elemental dissolution of Cu-Zn alloys was investigated as a function of Zn content ranging from 0 to 45 wt%. Atomic emission spectroelectrochemistry (AESEC) was utilized to directly monitor Cu2+ and Zn2+ release, oxide growth, and the enrichment of Cu metal as function of time during potentiodynamic experiments. It was determined that Cu dissolution undergoes a simultaneous mechanism of Cu2O formation and Cu2+ release. The addition of Zn in Cu-Zn alloy does not measurably change the dissolution mechanism of Cu2+ and the rate of aqueous Cu2+ was only dependent on the potential. Zn dissolution was however blocked by the formation of a Cu(0) film which shifted the Zn dissolution in the anodic direction.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for carbon capture, utilization and storage (CCUS) applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2-stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide material recommendations for certain parts.
Commercially available carbon steels are suitable for compression and pipelines as long as moisture content and impurities are limited. (water 50 to 100 ppmv, SO2 and NO2 ca. 100 ppmv) Corrosion rates increase with increasing water content. (0.2 – 20 mm/a) Condensation of acids and therefore droplet formation is always possible, even at low water contents. A low SO2 content within the CO2-stream might be more important than a low water content. Cr13-steels showed a general susceptibility to shallow pitting and pitting. So, they seem to be not suitable for CCUS applications. Low alloyed steels showed better corrosion behavior (predictable uniform corrosion). For direct contact with saline aquifer fluids only high alloyed steels shall be used.
A new approach to the assessment of the corrosion behaviour of zinc coatings under atmospheric conditions can be achieved using gel-type electrolytes as an alternative to standard aqueous test electrolytes. Gel-type electrolytes allow minimally invasive corrosion investigations on zinc coatings. They also provide the possibility to carry out corrosion investigations onsite. By using gel-type electrolytes corrosion-relevant characteristic values such as corrosion currents and polarization resistanc-es can be determined. These allow to describe the formation and the stability of the formed corrosion product layers under various climatic conditions. With this knowledge, a prediction of the zinc coating life cycle is possible. In this contribution, the value of gel-type electrolytes for corrosion research on zinc coatings is presented.
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.
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for CCUS applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2 stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide the following recommendations for certain parts. Commercially available carbon steels are suitable for compression and pipelines as long as moisture content and impurities are limited (water 50 to 100 ppmv, SO2 and NO2 ca. 100 ppmv).
Corrosion rates increase with increasing water content (0.2 – 20 mm/a).
Condensation of acids and therefore droplet formation is always possible, even at low water contents.
A low SO2 content within the CO2-stream might be more important than a low water content.
Cr13-steels showed a general susceptibility to shallow pitting and pitting. So, they seem to be not suitable for CCUS applications.
Low alloyed steels showed better corrosion behavior (predictable uniform corrosion).
For direct contact with saline aquifer fluids only high alloyed steels shall be used.
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.
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.
Demonstrationsexperimente
(2019)
Demonstrationsexperimente
(2024)
Since geothermal wells are a feasible energy source to replace fossil fuel supply, many technologies have been developed to take advantage of geothermal energy. Nevertheless, service conditions in geothermal facilities are in many cases extreme in terms of corrosion due to the chemical composition of hydrothermal fluids and temperatures. Therefore, materials selection based on preliminary material qualification is essential to guarantee a secure and reliable operation of the facilities. During operation of a geothermal research facility in Groß Schönebeck copper and lead effects have been found downhole. Occurring mechanisms and measures to prevent precipitation or scaling needed to be investigated as well as potential influences of such precipitates on corrosion resistance of metallic materials used for equipment.
This contribution deals with the evaluation of the corrosion behavior of carbon steel and corrosion resistant alloys in copper and/or lead containing artificial geothermal water, simulating the conditions in the Northern German Basin.
The behavior of these materials in an artificial geothermal water obtained by electrochemical measurements and exposure tests are presented. While carbon steel exhibits precipitation and deposition, higher alloyed material shows different response to such species and a higher resistance in saline geothermal water.
Basing on these results the suitability of the investigated corrosion resistant alloy is given for use in such conditions, whereas carbon steel creates difficulties due to its susceptibility to Cu- and Pb-precipitation.
“Corrosive to Metals” (H290) describes the general potential danger of a substance to metallic materials. Uniform and localized attack is considered. It has nothing to do with containment material. Corrosion resistance of materials is determined similarly, but with much lower threshold values.
Manual shall provide a simple test to easily determine the aggressivity potential to cause corrosion on metallic materials.
Even a simple test requires experienced personnel. There seems to be a need of awareness and understanding training for both officials and applicants.
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.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Weathering reference materials are used to characterize the harshness of an exposure, aiming on either reproducibility of a specific exposure or on the comparability between various kinds of weathering exposure.
The materials that are used as weathering reference materials differ in their sensitivities (as well as in interactions and interferences of the latter), conditioned by the different processes which lead to the respective property change. It is also essential to take into account the necessary measurement equipment for the respective property change, in order to allow timely intervention.
What are the key issues on choosing a weathering reference material?
What can be learned from the weathering reference materials, investigated so far?
Possibilities and limitations are discussed on the basis of existing weathering reference materials. Conclusions are drawn, for establishing new weathering reference materials.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS 08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 µL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
While alkali-activated binders offer certain advantages over traditional Portland cement binders, particu¬larly in terms of resistance against chemical attacks and potentially environmental footprint, their degra¬dation mechanisms remain incompletely understood at present, specifically carbonation. Thus, this study investigates the impact of natural and accelerated carbonation (1% and 4% CO2) on three different compositions of alkali-activated concretes: 100% calcined clay (C100) binder, 100% ground blast furnace slag (S100) binder, and a 40% calcined clay and 60% blast furnace slag blend (C40S60). C100 concretes exhibit faster carbonation kinetics, with five times greater natural carbonation depths than S100. This difference diminishes under accelerated carbonation, showing a 1.5 times difference for 1% CO2 and complete carbonation for 4% CO2 at 90 days. The results thus confirm that accelerated carbonation testing of low-Ca alkali-activated concretes yields results that are not representative of natural carbonation. The C40S60 sample demonstrates a carbonation profile similar to a CEM I concrete, i.e., a high carbonation resistance. Microstructure analysis indicates the formation of three polymorphs of calcium carbonate for S100 (calcite, vaterite, and aragonite), with a higher CO2 concentration favouring aragonite over vaterite. C100 exhibits no calcium carbonates; instead, sodium carbonates form, including trona for 4% CO2 and natrite for both accelerated tests. C40S60 shows calcium and sodium carbonates, although to a lesser extent, containing predominantly calcite and minor signals of natrite. Suitable compositions, like C40S60, prove as effective during natural or accelerated carbonation tests as conventional Portland cement concrete.
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.
Weltweit stellen Waldbrände eine große Bedrohung für Umwelt, Wirtschaft und menschliches Leben dar. Der fortschreitende Klimawandel verstärkt Trockenheit und Dürre, wodurch die Größe und Intensität von Waldbränden sowie das daraus resultierende Gefahrenpotential zusätzlich erhöht werden. Um im Risikofall eine schnelle und effektive Waldbrandbekämpfung zu gewährleisten, sollen Einsatzkräfte in Zukunft von KI-basierten Ausbreitungsmodellen unterstützt werden.
Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht dabei schnelle und zielgerichtete Ausbreitungsvorhersagen in Echtzeit, die in den Prozess der Brandbekämpfung als zusätzliche Information einfließen können. Im Rahmen des durch das EU-Förderprogram Horizon 2020 finanzierte Projekt TREEADS wird ein solches Modell für Europa entwickelt.
Dazu wird mit verschiedenen Satellitendaten des Copernicus-Programms und der NASA ein auf räumlicher und zeitlicher Ebene aufgelöster Datensatz zu europäischen Waldbränden aufgebaut. Zu den erfassten Waldbränden werden wichtigen Faktoren, die Einfluss auf die Brandausbreitung haben, ergänzt. Dazu gehören das von Copernicus bereitgestellte, digitale Geländemodell Europas und verschiedene, von Sentinel-2 Messungen abgeleitete Informationen zu Vegetation und Landnutzung. Dieser 2D-Trainingsdatensatz zu realen Waldbränden wird durch die zeitlich hochaufgelösten, meteorologischen Reanalyse-Produkte – Copernicus European Regional ReAnalysis (CERRA) und ERA5-Land – vervollständigt und ist die Grundlage für ein Modell zur Ausbreitungsvorhersage von Waldbränden.
Methoden des Maschinellen Lernens können komplexe Muster in den gesammelten Daten erkennen und so zu einer verbesserten Vorhersage der Brandausbreitung beitragen. Die vielfältigen, von Copernicus bereitgestellten Daten sind dabei ein unabdingbarer Bestandteil des Modells, mit dem den Einsatzkräften ein zusätzliches Tool für den effizienten Einsatz ihrer limitierten Ressourcen zur Verfügung steht.
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.
Bedingung für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ist die vollständige Ausbildung der Passivschicht. Voraussetzung dafür sind glatte, blanke, saubere Oberfläche, eine gleichmäßige Elementverteilung, wenig Ausscheidungen und Verunreinigungen. Eine mögliche Beeinflussung der Gefügeausbildung durch Warmumformung und durch die schweißtechnische Verarbeitung sind zu beachten. Anlauffarben müssen durch geeignete geeignete chemische bzw. mechanische Nachbehandlung entfernt werden. Eine ausreichende Nachbehandlung kann durch elektrochemische Prüfverfahren ebenso sichergestellt werden wie mittels der KorroPad-Prüfmethode. Letzte ist einfach und schnell in der Anwendung und ermöglicht es dem Verarbeiter, die Geeignetheit einer Nachbehandlung zu überprüfen.
Anlauffarben, die beim Schweißprozess entehen sind korrosionsanfällig und müssen nachgearbeitet werden. Dafür sind in der Praxis unterschiedliche Methoden gängig. In diesem Vortrag wird besonderes Augenmerk auf die Korrosionseigenschaften gestrahlter Schweißnähte gelegt und die Korrosiopnsbeständigkeit mit verschiedenen Methoden bestimmt und gegenübergestellt.
Anlauffarben, die beim Schweißprozess entehen machen den nichtrostenden Stahl korrosionsanfällig und müssen entfernt werden. Dafür haben sich in der Praxis unterschiedliche Methoden etabliert. Im Vortrag werden verschiedene Nachbehandlungsverfahren verglichen. Die erreichte Korrosionsbeständigkeit wird mit verschiedenen Methoden bestimmt und die Ergebnisse gegenübergestellt.
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.
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.
Die Rheologie von fließfähigen zementären Systemen mit Fließmitteln wird durch eine Vielzahl parallel stattfindender Effekte beeinflusst. Zu diesen Effekten zählen Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und Ionen in der Porenlösung, frühe Phasenbildung, zeitabhängige und kompetitive Adsorption zwischen anionischen Polymeren und Sulfationen, Bildung von Phasen in der Porenlösung sowie Morphologieänderungen an Partikeloberflächen. Die frühe Hydratation von Zement, die durch Lösungs- und Fällungsprozesse angetrieben wird, beeinflusst diese Effekte erheblich. Das permanente Ungleichgewicht der Porenlösung führt zu Veränderungen der Partikeloberflächen, welches widerum zur Folge hat, dass rheometrische Messungen dieser Zementleime anfällig für Streuungen sind. Um die Einflüsse aus der Zementhydratation zu minimieren, wurden die rheometrischen Untersuchungen mit Zement in Wasser, wässriger Phase von Zementleim bzw. mit vorhydratisiertem Zement durchgeführt. Zusätzlich wurden die gleichen Systeme mit Zugabe von Polycarboxylatethern untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Leime mit Wasser niedrigere Werte für Fließgrenze und plastische Viskosität aufweisen, als die Systeme mit der wässrigen Phase von Zementleim. Während die Polymere eine Verminderung der Fließgrenze zur Folge hatte, war die Wirkung von Polymeren auf die plastische Viskosität vernachlässigbar. Zusätzlich wurde die frühe Hydratation unter Verwendung von Wärmeflusskalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nadeleindringtiefe beobachtet.
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.
Im Vortrag werden die wesentlichen Grundlagen zum Verständnis der Korrosion metallener Werkstoffe in komprimierter Form vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung der atmosphärischen Korrosion und den sich daraus ergebenden Anforderungen an den Korrosionsschutz insbesondere für den Bereich Verpackungen.
The electrochemical behavior of UNS N08031 was investigated as a function of electrode potential in Green-Death solution at 40 °C. The UNS N08031 surface is in a stable passive state during cyclic potentiodynamic polarization without an initiation and/or propagation of localized corrosion. In potentiostatic polarization of UNS N08031 for 3600 s, passive current density increases with an increase in the passivation potential from 0.7 to 1.0 VSSE (silver/silver chloride reference electrode in saturated potassium chloride) Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Mott-Schottky (M-S) analysis showed that a more defective n-type semiconductive passive film forms as the potential increases. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) revealed that passive film consists of mainly chromium and minor iron and nickel oxides. The mechanism of the defective passive film formation is discussed. The increase of the applied potential is considered to be a reason for the change in passive film stability.