Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Ausgehend von den verstärkt auftretenden AKR-Schäden an den vor 2005 hergestellten BAB-Abschnitten verfolgte das Forschungsvorhaben zwei Ziele. So sollte einerseits die Ursache für die mit der AKR-Schadensentwicklung einhergehende Dunkelfärbung der Oberfläche der Betonfahrbahndecke im Fugenbereich ermittelt werden. Andererseits galt es, ausgehend von der Zustands- und Schadenserfassung das AKR-Restschädigungspotenzial der Prüfkörper aus je drei ein- und zweischichtig ausgeführten, unterschiedlich stark AKR-geschädigten BAB-Abschnitten vergleichend zu bewerten. Folgende Ergebnisse wurden u. a. erzielt:
1. Dunkelfärbung Experimenteller Nachweis mit kombinierter insitu-
Feuchtemessung mit Radar (integral) und NMR (tiefenaufgelöst), dass Dunkelfärbung der Oberfläche der Betonfahrbahndecke im Fugenbereich auf eine erhöhte Durchfeuchtung der Betonrandzone zurückzuführen ist; erfolgreiche Validierung der ZfP-Ergebnisse mit Darr-Wäge-Versuch.
2. Zustand beprobter BAB-Abschnitte und schadenskategoriespezifische
Bewertung der AKR-Prüfverfahren:
• Auffinden von Horizontalrissen im Bereich der Querscheinfuge bei allen AKR-geschädigten BAB-Abschnitten,
• Ermittlung mittlerer Eindringtiefen bei Natrium von maximal 20 bis 45 mm und bei Chlorid von maximal 15 bis 60 mm im Entnahmezustand;
keine Korrelation mit der AKR-Schadenskategorie des jeweiligen BAB-Abschnitts,
• Nachweis gleichzeitig auftretender SEB bei allen AKR-geschädigten BAB-Abschnitten im Entnahmezustand,
• keine signifikante Verminderung der Spaltzugfestigkeit durch die verstärkte AKR am Plattenrand,
• Ermittlung eines erhöhten AKR-Restschädigungspotenzials bei vier der sechs beprobten BAB-Abschnitte primär mittels AKR-erformanceprüfungen,
• Ermittlung höherer Dehnungen bei Performanceprüfungen aus Ober- und Unterbeton bestehenden Halbschalen, als an separat aus Ober- und Unterbeton gewonnenen Prismen,
• Unauffälliges Verhalten nahezu aller bei der Performanceprüfung auffälligen Bestandsbetone im 40°C- und 60°C-Betonversuch; vermutete Ursache: mit LIBS nachgewiesene hohe und tiefreichende Auslaugung der Alkalien.
Analyse des gefügeabhängigen Löslichkeitsverhaltens potenziell AKR-empfindlicher Gesteinskörnungen
(2021)
Das gefügeabhängige Löslichkeitsverhalten wurde an folgenden vier Gesteinskörnungen unterschiedlicher Alkaliempfindlichkeitsklassen
untersucht:
• GK1 (EIII-S): quarzreicher Kies
• GK2 (EIII-S): Grauwacke (Splitt)
• GK3 (EI-S): Quarz-Feldspat-Porphyr (Splitt)
• GK4 (EI-S): sandsteinreicher Kies
DiePorenstrukturanalyse erfolgte sowohl an Einzelkörnern mittels vergleichender 3D-CT und BET- Untersuchungen als auch an Korngemengen der einzelnen Kornfraktionen (außer Fraktion 16/22 mm) über die Wasseraufnahme und mit BET. Für die Visualisierung und Quantifizierung der von außen zugänglichen Oberflächenanteile der Einzelkörner wurde ein Softwaretool entwickelt, erprobt und erfolgreich angewandt. Es gelang so u.a. den Nachweis zu erbringen, dass die gebrochenen Einzelkörner der Grauwacke und des Rhyoliths einen deutlich geringeren von außen zugänglichen Oberflächenanteil als die gleichartigen Gesteinskörner aus dem Kies besitzen. Aufgrund der limitierten Ortsauflösung der 3D-CT von 11 bis 16,5 μm wurde mit BET eine um drei Zehnerpotenzen höhere spezifische Oberfläche ermittelt.
Zu den Porositätsuntersuchungen an den Korngemengen sei angemerkt, dass zum Teil gegenläufige Trends zwischen offener Porosität und spezifischer Oberfläche festgestellt wurden. Dieses ist beim Bezug des bei den Löseversuchen in 0,1 M KOH mit definierter NaCl-Zugabe aus der Gesteinskörnung gelösten SiO2 und Al2O3 von zentraler Bedeutung. Bei den Löseversuchen an den fraktionsspezifischen Korngemengen selbst zeigte sich, dass die stufenweise Erhöhung des NaCl-Gehalts von 0 auf 10 M.-% im Eluat eine erhöhte SiO2-Löslichkeit und eine verminderte Auslaugung von Al2O3 zur Folge hat. Auffallend war hierbei, dass die Al2O3-Löslichkeit bei GK4 ohne und mit geringer NaCl-Zugabe die mit Abstand höchsten Werte annimmt. Bei den zusätzlich durchgeführten Löseversuchen an den tomografierten Einzelkörnern in 1 M KOH-Lösung mit Zugabe von 1 M.-% NaCl zeigte sich, dass nur vereinzelt bei den untersuchten Gesteinsarten eine Korrelation zwischen dem SiO2- bzw. Al2O3-Gehalt im Eluat und der absoluten BET-Oberfläche nachweisbar ist. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass neben der Oberfläche weitere Parameter (z.B. die mineralogische Zusammensetzung der Einzelkörner) das Löseverhalten maßgebend beeinflussen. Bei den parallel zu den Löseversuchen durchgeführten Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 zeigte sich, dass die Alkaliempfindlichkeit der GK4 bei beiden Betonversuchen mit Alkalizufuhr unterschiedlich zu bewerten ist. So ist unabhängig von der vorgegebenen pessimalen Betonrezeptur des Fahrbahndeckenbetons ausschließlich bei der Klimawechsellagerung die GK4 als alkaliempfindlich einzustufen. Allerdings konnte der Befund der stark ausgeprägten AKR bei der GK4 mit der Dünnschliffmikroskopie nicht bestätigt werden. Analoges gilt für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von GK2 mit den Betonversuchen nach der Alkalirichtlichtlinie des DAfStb. So ist auch hier die GK2 nicht im 60 °C-Betonversuch sondern ausschließlich im 40 °C-Betonversuch als alkaliempfindlich einzustufen.
Dienach den verschiedenartigen Betonversuchen durchgeführten LIBS-Analysen am Vertikalschnitt der Prüfkörper zeigen, dass im Kernbereich nach dem 60 °C-Betonversuch mit 10 %iger NaCl-Lösung und nach der Klimawechsellagerung mit NaCl-Beaufschlagung annähernd gleich hohe Natrium- und Chloridgehalte vorgefunden werden. Wider Erwarten treten an den beaufschlagten Prüfflächen Abreicherungen von Natrium und Anreicherungen von Chlorid auf. Im 40°C- und 60 °C-Betonversuch wurde das Natrium bis in eine maximale Tiefe von ca. 30 mm bzw. 20 mm ausgelaugt. Die aufbauenden korrelativen Betrachtungen zwischen den Ergebnissen des 60°C Betonversuchs mit Alkalizufuhr und der Löseversuche an den fraktionsspezifischen Korngemengen in 1 M KOH-Lösung mit definierter NaCl-Zugabe sind durchaus vielversprechend. So zeigt sich beispielsweise beim Waschbeton, dass der fraktionsspezifisch gewichtete SiO2-Überschuss im Eluat nach 56 Tagen mit Zugabe von 0,5 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche zur gleichen Einstufung der vier betrachteten Gesteinskörnungen wie bei den Dehnungen im 60 °C-Betonversuch mit 3 %-iger NaCl-Lösung führt. Außerdem korrelieren die im 60 °C-Betonversuch mit 10 %-iger NaCl-Lösung ermittelten Dehnungen mit dem gewichteten SiO2-Überschuss im Eluat bei Zugabe von 2 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche.
Ausschließlich bei den Betonversuchen nach der Alkali-Richtlinie erwies sich der Bezug des im Eluat ermittelten SiO2-Überschusses auf die BET-Oberfläche als zielführend. Aufgrund des Potenzials der Löseversuche mit NaCl-Zugabe für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnung im Fahrbahndeckenbeton wird empfohlen, die vergleichenden Untersuchungen zwischen den Löseversuchen an Korngemischen der einzelnen Fraktionen und den Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 mit einer möglichst hohen Anzahl an Gesteinskörnungen und einem präzisierten Untersuchungsumfang fortzuführen.
Utilisation of alkali-sensitive aggregates for concrete pavements by internal hydrophobisation
(2021)
In order to avoid the increased ASR damage to concrete pavements in the German motorway network in the future, the ARS 04/2013 introduced mandatory suitability tests to exclude alkali-sensitive aggregates in new construction measures. This resulted in a significant reduction of suitable aggregates. Against this background, borderline alkali-sensitive aggregates are to be made usable by adding an internal water repellent agent during concrete casting. The ASR avoidance strategy is based on the significant reduction of the penetration of water and de-icing salt solution into the concrete pavement. Laboratory tests show that, with a suitable active ingredient, the ASR damage process can be significantly reduced with internal hydrophobisation. The disadvantage is that this is associated with a deterioration of the mechanical properties and the resistance to freeze-thaw with de-icing salt. The aim of the ongoing research is to reduce these disadvantages through targeted modification of the hydrophobising agent and air-entraining agent.
To prevent future alkali-aggregate reaction (AAR) damage, which has occurred frequently in the Germanhighway network in recent years, a new regulation has been drafted. This regulation severely limits the use of alkali-sensitive aggregates by requiring that their suitability be verified by certified inspectors using newly developed AAR concrete tests that involve the external supply of alkali. This has led to a significant limitation in the number of aggregates usable for concrete pavements. A novel AAR avoidance strategy is now being pursued, which aims to enable the use of borderline alkali-sensitive aggregates through the application of an internal water-repellent treatment. The addition of water repellents during concrete production should significantly reduce the ingress of water and external de-icing salts into the concrete pavement, thus reducing the potential for AAR damage.
This paper presents the results of laboratory tests to assess the suitability of this new AAR prevention strategy. Representative, highly AAR-susceptible road paving concrete made with an alkali- sensitive greywacke and various water repellents were used as the basis for these experiments. The tests for concrete suitability included determining the conventional fresh and hardened concrete properties as well as concrete prism tests with external alkaline supply. Building on these results, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) analyses of de-icing-salt intrusion as well as microscopic examinations for verification of the AAR characteristics were carried out.
The results of the AAR concrete tests with external alkaline supply support the conclusion that, when hydrophobic agents containing a suitable active ingredient are used, the AAR damage process in road paving concrete can be sufficiently prevented.
The durability of concrete structures due to alkali-silica-reaction (ASR) is usually been assessed by ASR concrete prism tests (CPT). Therefore, the expansion of concrete specimens indicates an alkalisensitivity.
In Germany these tests are performed at 40°C or accelerated 60°C. Nevertheless, ASR prism tests are expensive, power and time-consuming. For these reasons, an alternative chemical test (“mod. BTU-test”) was developed in the past. The “mod. BTU-test” was correlated with German standard CPT.
In this test, the solubility of silica and alumina in the liquid phase is measured by ICP-OES.
For special requirements in concrete road construction, stricter test procedures are necessary. The specimens are repeatedly subjected to cyclic alternating storage in NaCl. On the one hand, the presence of NaCl increases the ASR expansion, on the other hand NaCl also changes the dissolution behaviour of silica and alumina.
For now is not possible to correlate the solubilities of “mod. BTU-test” and ASR expansions influenced by NaCl. Therefore, four aggregates with different ASR sensitivities were chosen and ASR concrete prism tests (in addition with NaCl) have been performed. According to the “mod. BTU-test” the solubilities of silica and alumina in presence of different NaCl concentrations were measured.
This paper is about the regression analysis of silica and alumina dissolution and ASR expansion tests in presence of NaCl. The regression analysis shows the influence of a quasi-continuous and an interrupted cyclic alternating storage. Additionally the effects of temperature and NaCl concentration are investigated. In the end, a suitable NaCl concentration of the “mod. BTU-test” for dissolution experiments is recommended. The “mod. BTU-Test” with NaCl might be a serious and reliable test method for ASR classification for concrete road construction.
ln most of the ASR-test procedures, the expansion of concrete or mortar specimens is used as an indicator to assess the ASR-potential of an aggregate or a specific concrete mix. For these tests, the specimens are stored in an ASR-provoking environment, where the reaction is accelerated by elevated temperature and humidity. To measure the length change, the storage must be interrupted for at least a few minutes. Düring the 60 °C Concrete Prism Test (60 °C-CPT), the specimens are cooled down to 20 °C for 24 hours, to ensure the same hygrothermal conditions for every measurement. This limits the number of measurements during the test period and may lead to additional effects, that probably influence the expansion development.
With a recently developed device, it is possible to continuously monitor the expansion ofprisms without interrupting the ASR-provoking storage. Due to the dense database of this automated test, the results can contribute to a better understanding of the ASR-process. This study compares results of the automated and conventional 60 °C-CPT. Tests of different aggregates showed, that the results of the automated and conventional test are consistent, but the expansions during the conventional test are generally higher. Preliminary results led to the conclusion, that the cooling for the measurements leads to additional expansions. Therefore, a modified threshold should be discussed for the automated 60 °C-CPT.
Um die zunehmenden AKR-Schäden an Betonfahrbahnen im deutschen Autobahnnetz zukünftig zu vermeiden, wurden mit dem ARS 04/2013 verbindliche Eignungsprüfungen zum Ausschluss alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen bei Neubau- und Erhaltungsmaßnahmen eingeführt. Dies führte zu einer deutlichen Reduzierung der geeigneten Gesteinskörnungen. Vor diesem Hintergrund soll durch die Zugabe eines Innenhydrophobierungsmittels während der Betonherstellung grenzwertig alkaliempfindliche Gesteinskörnung nutzbar gemacht werden.
Die AKR-Vermeidungsstrategie basiert dabei auf der signifikanten Reduzierung des Eindringens von Wasser und Tausalzlösung in den Fahrbahndeckenbeton. In einem im Aufträge der BASt an der BAM durchgeführten Forschungsvorhaben wurde die Leistungsfähigkeit verschiedener Hydrophobierungsmittel für diesen Einsatzzweck
grundhaft untersucht. In dem Beitrag wird exemplarisch die Leistungsfähigkeit eines geeigneten Hydrophobierungsmittels in einem Waschbeton mit einer sehr alkaliempfindlichen Grauwacke aufgezeigt. Das Spektrum der Laboruntersuchungen reicht dabei von AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr sowie den aufbauend durchgeführten mikroskopischen Untersuchungen zur Bewertung des AKR-Schädigungspotenzials über die Analyse des Feuchte- und Tausalzeintrags bis zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalz-Widerstands.
Abschließend wird der noch vorhandene Forschungsbedarf zur Überführung dieser neuen AKR-Vermeidungsstrategie in die Praxis aufgezeigt.
The microscopic diffusion and the low frequency density of states (VDOS) of PIM-EATB(CH3) are investigated by inelastic and quasi-elastic neutron scattering where also the demethylated counterpart of PIM-EA-TB(H2) is considered. These intrinsic microporous polymers are characterized by large BET surface area values of several hundred m2/g and pore sizes between 0.5 and 2 nm. Detailed comparison is made to the archetype of polymers of intrinsic microporosity, PIM-1, and polynorbornenes also bearing a microporosity. Due to the wavelength of neutrons, the diffusion and vibrations can be addressed on microscopic length and time scales. From the inelastic neutron scattering experiments the low frequency density of states (VDOS) is estimated which shows excess contributions to the Debye-type VDOS known as Boson peak. It was found that the maximum frequency of the Boson peak decreases with increasing microporosity characterized by the BET surface area. However, besides the BET surface area, additional factors such as the backbone stiffness govern the maximum frequency of the Boson peak. Further the mean squared displacement related to microscopic motions was estimated from elastic fixed window scans. At temperatures above 175 K, the mean squared displacement PIM-EA-TB(CH3) is higher than that for the demethylated counterpart PIM-EA-TB(H2). The additional contribution found for PIM-EATB(CH3) is ascribed to the rotation of the methyl group in this polymer because the only difference between the two structures is that PIM-EA-TB(CH3) has methyl groups where PIM-EA-TB(H2) has none. A detailed comparison of the molecular dynamics is also made to that of PIM-1 and the microporous polynorbornene PTCNSi1. The manuscript focuses on the importance of vibrations and the localized molecular mobility characterized by the microscopic diffusion on the gas Transport in polymeric separation membranes. In the frame of the random gate model localized fluctuations can open or close bottlenecks between pores to enable the diffusion of gas molecules.
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.
Vielleicht nannten es die Berliner „Puppen putzen“, wenn in den 1880er Jahren die Marmorstatuen auf der Schlossbrücke vor dem Berliner Stadtschloss mit Bürste, Wasser und Seife von Staub, Ruß und Taubendreck befreit wurden. Soviel Pflege wurde diesen Göttinnen aus der griechischen Mythologie nicht immer zuteil. So haben Klima, Luftverschmutzung und der 2. Weltkrieg, wie bei anderen Kunstwerken auch, tiefe Spuren hinterlassen. Der Erhalt dieser zwischen 1847 und 1857 aufgestellten Skulpturen und vieler vergleichbarer Objekte im Stadtbild ist durch die auch heute weiter fortschreitende Schädigung des Marmors gefährdet. In den Jahren 2006 bis 2010 förderte die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ein Projekt zur „Entwicklung und Überprüfung von Einhausungssystemen zur Reduzierung umweltbedingter Schädigungen von außenexponierten Marmorobjekten mit dem Ziel des langfristigen Erhalts in situ an einem national bedeutenden Objektkomplex, den Schlossbrückenfiguren unter den Linden, Berlin“. Geleitet und restauratorisch betreut wurde das Projekt durch das Landesdenkmalamt (LDA) Berlin. Durch die Abteilung Strukturgeologie und Geodynamik (GZG) der Georg-August Universität Göttinnen wurden die Verwitterungsmechanismen des Marmors untersucht und auf dieser Basis Anforderungen an das Schutzsystem formuliert. Anhand von numerischen Simulationen des Instituts für Bauklimatik der Technischen Universität Dresden (TUD) wurde das bauphysikalische Konzept des Einhausungssystems optimiert. Die konstruktive Gestaltung eines Prototyps und des finalen Entwurfs erfolgte durch das Fachgebiet Konstruktives Entwerfen und Tragwerkslehre der Universität der Künste Berlin. Durch den Fachbereich Baustoffe der BAM erfolgten die Realisierung des Prototyps der Einhausung sowie ein umfangreiches Klimamonitoring an den Skulpturen. Anhand dieses interdisziplinären Projektes und ergänzt durch weitere Messungen wird gezeigt, mit welchen Methoden die für die Degradation von Marmor relevanten Mechanismen untersucht werden können. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sind die Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Pflege- und Schutzkonzepte für die kulturhistorisch wertvollen Skulpturen. Nur mit solchen modernen konservatorischen Programmen können die Originalskulpturen im Berliner Stadtraum erlebbar bleiben.
The mechanical characterization of adobe bricks is an important first step in the study of the behaviour of adobe masonry. For this reason, in the last decades, different authors have conducted research on the mechanical behaviour of adobes from various regions of the world. Despite the importance of mechanical characterization, there are still only a few standards and normative documents with clear indications for the mechanical testing of earthen materials and, in general, These indications are not thorough and vary among different countries. Consequently, authors tend to adopt different types of test specimens and procedures in their experimental work, thus obtaining results that are not directly comparable. The fact that the materials and procedures traditionally used are also not standardized,varying greatly from region to region, also contributes to the difficulty of comparing results from different studies. This chapter presents a review of the indications provided by codes, standards and other technical recommendations for the mechanical testing of adobe bricks, as well as a detailed review of procedures adopted, and results obtained by different authors regarding the mechanical characterization of traditional adobe bricks. This chapter focuses, in particular, on the behaviour of adobe bricks when subjected to simple compression. It provides an overview of the existing knowledge and identifies needs for future research and development.
The characterization of the mechanical properties and behaviour of adobe masonry is fundamental for the understanding of the structural behaviour of adobe constructions. Thus, in the last decades, experimental studies focused on this topic have been carried out by different authors. Many of the existing experimental works, however, were carried out aiming to support broader studies focused on the seismic behaviour of adobe constructions and are not very detailed. Moreover, authors tend to adopt different procedures in their experimental work, since there are few indications in existing standards for testing adobe masonry. The wide variety in materials used, both for the adobes and mortars, further complicates this work, making it difficult to compare results obtained in different studies. This chapter provides an overview of the indications given by standards and other technical recommendations for the mechanical testing of adobe masonry. It presents a review of existing research on the mechanical behaviour of adobe masonry, addressing studies that focus on: (i) compression behaviour, (ii) shear behaviour, (iii) joint shear behaviour. It provides a global analysis of the existing knowledge, suggesting improvements for normative documents and identifying future Research needs.
Das Pergamonmuseum ist eines der am meisten besuchten Museen Berlins. Es wird seit etwa 20 Jahren im Rahmen des 1999 von der Stiftung Preußischer Kulturbesitz beschlossenen Masterplans Museumsinsel schrittweise grundhaft instandgesetzt und um einen weiteren Flügel ergänzt, der 2025 fertig gestellt sein soll. In diesem Kontext wurde auch kurz nach dem Beschluss des Masterplans eine Bauzustandsanalyse an den in Originalgröße in der Antikensammlung ausgestellten Baudenk¬ mälern durchgeführt. Allerdings stellte man dabei fest, dass herkömmliche Erkundungsverfahren wie die Bauaufnahme, die baugeschichtliche Untersu¬ chung, das Quellenstudium sowie die äußerliche Begutachtung nicht ausreichen, um die innere Struktur der antiken Baudenkmäler hinreichend zu charakterisieren. Deshalb wurde die BAM im Jahr 2003 von der ARGE Pfanner Pergamonmuseum
beauftragt, in enger Zusammenarbeit mit zwei Ingenieurbüros, dem Ingenieurbüro Patitz (IGP) und der Gesellschaft für geophysikalische Unter¬ suchungen mbH (GGU) unter Hinzuziehung einer Restauratorin, die innere Struktur ausgewählter an¬ tiker Baudenkmäler zerstörungsfrei zu untersuchen. Das Ziel der zerstörungsfreien Strukturaufklärung zum inneren Aufbau der Bauteile war es, einerseits sicherheitsrelevante Informationen für die statische Nachweisführung bereitzustellen, sowie andererseits eine Planungsgrundlage für die eventuell erforder¬ liche Ertüchtigung der Baudenkmäler zu schaffen. Im Fokus der Untersuchungen standen dabei das Markttor von Milet und das Säulenjoch der Heiligen Halle am Markt von Priene1 • Im nachstehenden Beitrag werden exemplarisch die am Markttor von Milet durchgeführten Untersuchungen vorgestellt.
Das Pergamonmuseum ist eines der am meisten besuchten Museen Berlins. Es wird seit etwa 20 Jahren im Rahmen des 1999 von der Stiftung Preußischer Kulturbesitz beschlossenen Masterplans Museumsinsel schrittweise grundhaft instandgesetzt und um einen weiteren Flügel ergänzt, der 2025 fertig gestellt sein soll. In diesem Kontext wurde auch kurz nach dem Beschluss des Masterplans eine Bauzustandsanalyse an den in Originalgröße in der Antikensammlung ausgestellten Baudenk¬ mälern durchgeführt. Allerdings stellte man dabei fest, dass herkömmliche Erkundungsverfahren wie die Bauaufnahme, die baugeschichtliche Untersu¬ chung, das Quellenstudium sowie die äußerliche Begutachtung nicht ausreichen, um die innere Struktur der antiken Baudenkmäler hinreichend zu charakterisieren. Deshalb wurde die BAM im Jahr 2003 von der ARGE Pfanner Pergamonmuseum beauftragt, in enger Zusammenarbeit mit zwei Ingenieurbüros, dem Ingenieurbüro Patitz (IGP) und der Gesellschaft für geophysikalische Unter¬ suchungen mbH (GGU) unter Hinzuziehung einer Restauratorin, die innere Struktur ausgewählter an¬ tiker Baudenkmäler zerstörungsfrei zu untersuchen. Das Ziel der zerstörungsfreien Strukturaufklärung zum inneren Aufbau der Bauteile war es, einerseits sicherheitsrelevante Informationen für die statische Nachweisführung bereitzustellen, sowie andererseits eine Planungsgrundlage für die eventuell erforder¬ liche Ertüchtigung der Baudenkmäler zu schaffen. Im Fokus der Untersuchungen standen dabei das Markttor von Milet und das Säulenjoch der Heiligen Halle am Markt von Priene1 • Im nachstehenden Beitrag werden exemplarisch die am Markttor von Milet durchgeführten Untersuchungen vorgestellt.
Am Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden auch in Berlin vermehrt Bauwerke mit einer 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.
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
If the amount of sulfate within the mix design for concrete is not balanced, ettringite formation which first controls solidification continues while the concrete is hardening. Ettringite forms by reaction of sulfate contained in the cement or in some admixture with calcium aluminate (C3A) as cement component. The “late primary ettringite formation” promotes an increase in volume within the hardened concrete leading to cracks. To analyze the effect of substituting part of ordinary Portland cement (OPC) by a treated brown coal fly ash mortar bars were tested according to ASTM C452. This test method was originally developed to extrapolate from the internal to external sulfate attack and is based on the idea that by testing a concrete mixture containing sulfate the process of deterioration is accelerated because it does not have to diffuse into the concrete before reaction first. In addition to the samples prescribed in ASTM C452 further samples in the size of the German SVA procedure were tested also designed for accessing the external sulfate resistance. The results show that while the replacement of 25 % of cement by brown coal fly ash leads to length changes around the limit defined by ASTM, the substitution of 50 % cement exceeded the limit by a multiple. The progress of expansion is the very similar for the two geometries tested. In-situ XRD measurements confirmed that while for pastes made of OPC the formation of ettringite is completed after 20 hours, this is not true for the mixtures containing the brown coal fly ash.
In a different study the effect of hydrothermal treatment on the phase composition of ultra-high-performance concrete was analyzed. The results show that the sulfate and aluminate resulting from the decomposition of ettringite are bound into new phases.
If this binding is permanent this might allow the larger use of sulfate bearing raw materials.
If the amount of sulfate within the mix design for concrete is not balanced, ettringite formation which first controls solidification continues while the concrete is hardening. Ettringite forms by reaction of sulfate contained in the cement or in some admixture with calcium aluminate (C3A) as cement component. The “late primary
ettringite formation” promotes an increase in volume within the hardened concrete leading to cracks. To analyze the effect of substituting part of ordinary Portland cement (OPC) by a treated brown coal fly ash mortar bars were tested according to ASTM C452. This test method was originally developed to extrapolate from the internal to external sulfate attack and is based on the idea that by testing a concrete mixture containing sulfate the process of deterioration is accelerated because it does not have to diffuse into the concrete before reaction first. In addition to the samples prescribed in ASTM C452 further samples in the size of the German SVA procedure were tested also designed for accessing the external sulfate resistance. The results show that while the replacement of 25 % of cement by brown coal fly ash leads to length changes around the limit defined by ASTM, the substitution of 50 % cement exceeded the limit by a multiple. The progress of expansion is the very similar for the two geometries tested. In-situ XRD measurements confirmed that while for pastes made of OPC the formation of ettringite is completed after 20 hours, this is not true for the mixtures containing the brown coal fly ash.
In a different study the effect of hydrothermal treatment on the phase composition of ultra-high-performance concrete was analyzed. The results show that the sulfate and aluminate resulting from the decomposition of ettringite are bound into new phases. If this binding is permanent this might allow the larger use of sulfate bearing raw
materials.
Der Fachbereich 7.6 untersucht seit einiger Zeit an Auslagerungsständen auf dem Testgelände in Horstwalde Korrosion im maritimen Bereich. Im Moment läuft das System mit künstlichem Meerwasser und simuliert die Bewitterung von Metallproben unter angenäherten klimatischen Bedingungen ähnlich zum natürlichem Habitat. Im Laufe der Zeit konnte nicht intendierter mikrobieller bewuchs beobachtet werden. Es stellte sich die Frage, welche Mikroorganismen vorlagen und ob diese einen Einfluss auf die Korrosionsuntersuchungen haben könnte. Aus diesem Grund wurden 16S-rRNA Untersuchungen durchgeführt welche alle drei Domänen des Lebens widerspiegeln Bakterien, Archaea und Eukaryoten. Es konnte gezeigt werden, dass über 95% der vorliegenden Biomasse Grünalgen waren, die durch Licht Eintrag in den Container Photosynthese betrieben und dadurch an Biomasse zunahmen. Des weiteren konnten Bakterien detektiert werden, welche in der Regel halophilen und aeroben Habitaten zu finden sind. Allerdings wurden auch Sulfat reduzierende Bakterien (MIC) detektiert, wenn auch in einem geringen prozentualen Anteil. Es muss allerdings Berücksichtigt werden, dass die mikrobielle Zusammensetzung sich im Laufe der Zeit weiter ändern kann. Als Ursprung der Biomasse wird, das künstliche Sediment vermutet. Außerdem wäre es für zukünftige Experiment denkbar, das System mit echtem Sediment aus dem marinen Habitat anzuimpfen.
In der aktuellen RL-SIB (DAfStB) wie auch in der TR Instandsetzung (DIBt) ist bei Anwendung des Instandsetzungsprinzips W-CL der Erfolg der Maßnahme durch Einbau und Messung von Korrosionsstromsensoren gefordert. Art und Aufbau der Sensoren sowie Kriterien zur Bewertung der Ergebnisse gibt es nicht.
Ziel ist die Ausarbeitung eines Regelwerks-Entwurfes für die Art und den Aufbau von Korrosionsmonitoring-Systemen sowie für Kriterien zur zuverlässigen Bewertung der Messergebnisse, mit denen der Erfolg bei verschiedenen Instandsetzungskonzepten überprüft werden kann.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) ist ein weit verbreitetes Material für Transportbehälter, die oft für eine längere Nutzungsdauer vorgesehen sind. Insbesondere in diesem Fall können mikroskopische Schäden im Material auch weit unterhalb der Streckgrenze auftreten, die durch eine Spannungskonzentration verursacht werden, deren Ursprung in intrinsischen Materialfehlern oder äußeren Kratzern liegt. Mit fortschreitender Schädigung bilden sich Rissstrukturen, die von verstreckten Fibrillen aufgespannt werden, bis es zum Versagen dieser Fibrillen kommt und sich der Riss ausbreitet. Dieser Schadensmechanismus des langsamen Risswachstums kann durch eine Vielzahl von Umgebungsmedien beschleunigt werden und wird dann als "environmental stress cracking" (ESC) bezeichnet. Eine international normierte Methode zur Validierung der Spannungsrissbeständigkeit von PE-HD Materialien ist der „Full Notch Creep Test“ (FNCT).
Anhand von Bruchflächenauswertungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie, werden die typischen Schädigungsstrukturen des ESC sichtbar. Die fibrillierten Strukturen des ESC auf der Bruchfläche von PE-HD ergeben sich besonders bei oberflächenaktiven wässrigen Umgebungsmedien. In Lösungsmittel-Umgebungsmedien, im Zusammenspiel mit PE-HD, kommt es aufgrund der plastifizierenden Wirkung zur Herabsetzung der Streckspannung und Bruchflächen aus dem FNCT veranschaulichen keine signifikanten Anzeichen des Schädigungsmechanismus ESC.
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.
Metakaolin-based alkali activated mortars (AAM) - with and without CuSO4·5H2O and ZnO addition (mass ratio Mn+/solid binder 0.08% to 1.7%) - were casted and exposed within an extensive long-term field campaign over the period of 20 months to a sewer basin, strongly affected by biogenic acid corrosion. (Un-)exposed AAM were tested regarding their physicochemical and microstructural properties, bioreceptivity and overall durability. Metal addition led to a retarding effect during alkali-activation reaction, as well as to an increase in open porosity of up to 3.0% and corresponding lower compressive strength of up to 10.9%. Reduced microbial colonization and diversity were observed on AAM with Cu, while Zn addition led to increased biodiversity. We propose that the observed higher durability of Cu-doped AAM is due to antibacterial effects and associated reduction of biogenic acid production, superseding overall negative effects of metal-dosage on physical material properties. Observed lower durability of Zn-doped AAM was related to combined negative physicochemical and microbial effects.
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 molecular dynamics of addition-type poly(tricyclononenes) with Si-substituted bulky side groups has been investigated by a combination of neutron time-of-flight and neutron backscattering spectroscopy methods on a time scale from 0.1 ps to ca. 3 ns. The investigated poly(tricyclononenes) PTCNSi1 and PTCNSi2g both bear a high microporosity which makes them promising candidates for active separation layers for gas separation membranes. At least for larger gas molecules it is assumed that the pathways for diffusion require an enlargement of pre-existing micropores in terms of an activated zone. A low temperature relaxation process was found for both polymers by the performed neutron scattering experiments. This process was assigned to the methyl group rotation. It was analysed in terms of a jump diffusion in a three-fold potential. The analysis of the dependence of the elastic incoherent structure factor on the scattering vector yields the number of methyl groups which might be immobilized. For PTCNSi1 (3 methyl groups in the monomeric unit) it was found that all methyl groups take part in the methyl group rotation whereas for PTCNSi2g (6 methyl groups in monomeric unit) a considerable number of methyl groups are blocked in their rotation. This immobilization of methyl groups is due to the sterically demanding arrangement of the methyl groups in PTCNSi2g. This conclusion is further supported by the result that the activation energy for the methyl group rotation is three times higher for PTCNSi2g than that of PTCNSi1.
Die Hauptfunktion von Verschlussbauwerken für End- und Zwischenlager von radioaktiven Abfällen besteht in der Erhaltung der geologischen Barriere. Vor allem soll ein potenzieller Stofftransport durch eine möglichst geringe Permeabilität des Bauwerks verhindert bzw. auf vernachlässigbare Werte herabgesetzt werden. Die in-situ-Permeabilität des Verschlussbauwerks steht dabei in direktem Zusammenhang mit dessen Poren- und Makrostruktur, welche bei Bauwerken auf Basis von Beton insbesondere durch Schwind-verformungen und durch thermisch induzierte Rissbildung infolge der Reaktionswärmeentwicklung des Bindemittels gestört werden kann. Die Betone müssen daher neben einer hohen chemischen Langzeitstabilität auch eine geringe bzw. langsame Wärmeentwicklung während der Erhärtungsreaktionen aufweisen. Als hybride Zemente werden Mischungen aus Portlandzement, Betonzusatzstoffen und einem alkalischen Aktivator bezeichnet. Dabei können u. a. Alkalisulfate, Alkalicarbonate, Alkalisilicate und Alkalihydroxide als Aktivatoren zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität im salinaren Milieu sind Betone aus solchen Zementen potenziell besonders gut als Verfüllmaterial für End- und Zwischenlager im Steinsalz geeignet. In der vorliegenden Studie wurden daher hybride Zemente hinsichtlich ihrer Wärmeentwicklung in einem isothermen Kalorimeter sowie hinsichtlich Phasenbestand und Festigkeiten untersucht. Hybride Zementleime wurden auf Basis von Portlandklinker, Hüttensandmehl, Flugasche und Natriumsulfat hergestellt und die Zusammensetzungen systematisch variiert, um den Einfluss der Komponenten auf Wärmeentwicklung, Phasenbestand und mechanische Eigenschaften der Leime zu untersuchen; zusätzlich wurden zu Vergleichszwecken ein Zementleim auf Basis der Betonrezeptur M2 sowie eine alkalisch aktivierte Flugasche untersucht.
A phenomenological criterion for an optical assessment of PE-HD fracture surfaces obtained from FNCT
(2021)
The full-notch creep test (FNCT) is a common test method to evaluate the environmental stress cracking (ESC) behavior of high-density polyethylene (PE-HD), e.g. for container materials. The test procedure as specified in ISO 16770 provides a comparative measure of the resistance against ESC using the time to failure of PE-HD specimens under constant mechanical load in a well-defined liquid test environment. Since the craze-crack damage mechanism underlying the ESC phenomenon is associated with brittle failure, the occurrence of a predominantly brittle fracture surface is a prerequisite to consider an FNCT measurement as representative for ESC, i.e. a time to failure dominated by craze-crack propagation.
The craze-crack propagation continuously reduces the effective residual cross-sectional area of the specimen during the test, which results in a corresponding increase of the effective mechanical stress. Thus, a transition to ductile shear deformation is inevitable at later stages of the test, leading usually to a pronounced central ligament.
Therefore, an optical evaluation of FNCT fracture surfaces concerning their brittleness is essential. An enhanced imaging analysis of FNCT fracture surfaces enables a detailed assessment of craze-crack Propagation during ESC. In this study, laser scanning microscopy (LSM) was employed to evaluate whether FNCT fracture surfaces are representative with respect to craze-crack propagation and ESC. Based on LSM height data, a phenomenological criterion is proposed to assess the validity of distinct FNCT measurements. This criterion is
supposed to facilitate a quick evaluation of FNCT results in practical routine testing. Its applicability is verified on a sample basis for seven different commercial PE-HD container materials.
Dieser Vortrag behandelt die Grundlagen der Korrosion metallener Werkstoffe. Es wird die Triebkraft der Korrosion, die Teilreaktionen sowie die messtechnische Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit beschrieben. Weiterhin werden Korrosionselemente wie Konzentrationselemente und Bimetallkorrosion näher erläutert.
Basic oxygen furnace slags (BOFS) are a by-product of steel production. In 2016, 10.4 Mt of BOFS were produced in the European Union (EU). The main part of BOFS is used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. A smaller part is returned to the metallurgical circle, used as fertilizer or landfilled. However, it is also possible to produce higher value products from BOFS. For example, many researchers have investigated the possibility of producing Portland cement clinker and crude iron from BOFS by a carbothermal post-treatment.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as reducing agent. The carbothermal treatment reduces the iron oxides in the BOFS to metallic iron, which accumulates at the bottom of the furnace by density separation. In addition to metallic iron, the process generates a mineral product rich in the tricalcium silicate solid solution alite. As the main constituent of Portland cement clinker, the hydraulic reactive mineral alite is of high economic importance.
In previous studies, the hydraulic reactivity of the mineral product was investigated by testing the compressive strength of blends with 70 wt.% ordinary Portland cement (OPC). Recent investigations focused on the hydraulic properties of the pure mineral product from the reduced BOFS. The heat of hydration of the mineral product was measured by isothermal calorimetry and compared with the heat of hydration of a synthetic low-iron slag and OPC. In addition, the formation of hydration products was investigated with differential scanning calorimetry (DSC) and x-ray diffraction analysis (XRD) on freeze-dried samples after defined curing times. The results of the calorimetric measurements indicate that the mineral product produced less heat of hydration and its reaction was delayed compared to the synthetic low-iron slag and OPC. Hydration products such as portlandite and calcium silicate hydrates (C-S-H) formed later and in lower amounts.
The production of a hydraulic material from BOFS by reductive treatment is of great interest to both the cement and steel industries. The substitution of cement clinker in OPC with a hydraulic material such as reduced BOFS leads to a reduction in greenhouse gas emissions from cement production. The steel industry benefits from an application for its by-products that avoids cost expensive landfilling and may even bring economic advantages. Furthermore, it may be possible to return the recovered crude iron to production.
Basic oxygen furnace slag (BOFS) is a by-product of the steelmaking process, of which about 10.4 Mt are produced annually in the European Union. Besides its predominant use in road construction, earthwork, and hydraulic engineering, it is also possible to use BOFS as a source material for Portland cement clinker.
The main difference in the chemical composition of BOFS from the chemical composition of Portland cement clinker is its high content of iron oxides (7-50 wt.%). In recent decades, many researchers have investigated the production of both Portland cement clinker and crude iron from BOFS via thermochemical reductive treatment. Carbothermal treatment of liquid BOFS causes reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as reducing agent. The produced low-iron mineral product was chemically similar to Portland cement clinker and contained the most important Portland cement mineral alite (Ca3SiO5) as main component. Besides alite, the mineral product contained other Portland cement clinker constituents such as belite (β-Ca2SiO4) and tricalcium aluminate (Ca3Al2O6).
The production of Portland cement clinker and crude iron from BOFS has economic and ecological benefits for both the cement and steel industry. Cement clinker from reduced BOFS may be used as a substitute for cement clinker from conventional cement production, thereby CO2 emissions will be reduced. The steel industry benefits from a high-value application for its by-products that avoids cost expensive landfilling and may even bring economic advantages. However, reductive treatment requires high temperatures and, for economic reasons, has to be carried out immediately after casting of the liquid BOFS, which is a logistical challenge for most steel plants. A cost-benefit analysis is therefore essential.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Molecular orientation has a significant effect on the material properties of polymers. Preferential orientation of the microstructure (polymer chains or crystallites) in a specific direction or plane often enhances the material properties, especially if the high-strength covalent bonds are primarily exposed to loads instead of the weaker van der Waals bonds. However, the orientation-dependent microstructure and its mechanical behavior is in general already well understood by many scientific studies [1-3]. Isotropic materials are frequently required for an intrinsic material characterization without prevailing processing-induced properties, as is the case for Full Notch Creep Test (FNCT) [4] addressing environmental stress cracking (ESC) in high-density polyethylene (PE-HD) [5, 6]. Since ESC is one of the major limiting issues for long-term performance of PE-HD pipes and containers [7], which in contrast have a production-related preferential orientated microstructure due to extrusion or extrusion blow molding, it is important to additionally investigate the ESC resistance of such anisotropic microstructure.
Investigations of the slow crack growth (SCG) with respect to the molecular orientation generally obtain a factor of 1.2 up to 4.7 between crack growth perpendicular to the extrusion direction and crack growth parallel to the extrusion direction 8. Based on FNCT investigations with an aqueous detergent solution as environmental medium, hot pressed sheets with isotropic morphology are compared with extruded sheets from which specimens with different orientation angles are taken. However, the time to failure obtained by FNCT is also significantly influenced by the different cooling conditions under which the final morphology is formed. The tendency of the specimen to fail due to ESC is investigated as a function of environmental medium temperature. For a more detailed analysis of the affecting parameters in the manufacturing process, the ESC resistance is discussed considering the differences in crystallinity as revealed by thermal analysis.
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.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Basic oxygen furnace slags (BOFS) are by-products of the steelmaking process. Several researchers have studied the production of Portland cement clinker and metallic iron from BOFS via a reductive treatment.
In this study, we applied a carbothermal reduction of BOFS in a technical-scale electric arc furnace and characterised the clinker-like products. Those clinker-like non-metallic products (NMPs) had a chemical and mineralogical composition comparable to clinker for ordinary Portland cement (OPC) and contained large elongated alite crystals as major component. The pure NMPs reacted more slowly and achieved a lower degree of hydration compared with commercial OPC.
If the reactivity of the products can be further increased by employing specific adaptations, it can be used as a full clinker substitute for OPC. Nevertheless, it is also an option to use the material without further modifications as a cement component or concrete addition, which contributes to the strength development in both cases.
The suitability of an Al2O3 coating for corrosion protection on X20Cr13 was evaluated in various artificial geothermal brines, focusing on the influence of different pH (4, 6 and 8) and their chemical compositions on the coating properties. All experiments were performed in the laboratory using autoclaves at 150 ◦C and 1 MPa in deaerated condition for 1 and 7 days. Results showed that the pH of geothermal waters is the most detrimental factor in the transformation of ɣ-Al2O3 and its protective abilities. Delaminations were found in the Coating exposed to geothermal brines with pH 4. FTIR spectra indicated a transformation of ɣ-Al2O3 to boehmite AlOOH after exposure to pH 4 and 6, and bayerite Al(OH)3 was formed after exposure to pH 8. Different Crystal structures of the hydrated Al2O3 also contribute to the stability of the coatings, observed by the SEM- EDX of the surface and cross-section of coatings. This study indicated that ɣ-Al2O3 sol-gel coating presents a promising aspect of corrosion protection in geothermal environment with a neutral pH.
Nickel‐free high‐nitrogen‐alloyed stainless steels like the P2000 (X13CrMnMoN18‐14‐3) were developed to enhance the strength and corrosion resistance of austenitic stainless steels like 304 and 316 while keeping the typical high ductility. The mechanical and corrosive properties of P2000 were investigated and compared with 304 and 316 to highlight the application opportunities of this new alloy. The microstructure of the solution‐annealed condition was characterised by electron backscatter diffraction and the mechanical properties were studied by uniaxial tensile tests, Charpy impact tests and hardness measurements. The passivation behaviour was analysed using the electrochemical potentiodynamic reactivation, whereas the pitting corrosion resistance was compared by pitting potentials and pitting temperatures. However, secondary thermal influences or suboptimal heat treatment can impair the corrosion resistance due to the precipitation of secondary phases and the resulting sensitisation. Thermodynamic calculations and artificial ageing treatment in the range of 500–900°C for up to 100 h were used to determine critical time–temperature parameters for sensitisation. The microstructure of the various aged states was evaluated by scanning electron microscopy and compared with the degrading corrosion resistance characterised by the KorroPad method.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Influence of Precipitating Brine Components on Materials Selection for Geothermal Applications
(2021)
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.
Influence of Precipitating Brine Components on Materials Selection for Geothermal Applications
(2021)
By exposure and electrochemical tests in the laboratory the Cu- and Pb-effect on corrosion behavior and performance of carbon steel and a corrosion resistant alloy could be assessed. Critical material specific properties were determined by static exposure and electrochemical tests in artificial geothermal water with high salinity and low pH, containing Cu/Pb.
It could be shown that significant Cu- resp. Pb-deposition and precipitation only occurred in combination with carbon steel. Corrosion resistant alloys (e. g. Cr- and Ni-dominated stainless steels) prevent the disturbing Cu-agglomeration resp. Pb-deposition. Therefore, they are suitable to be chosen for future design of geothermal piping system, either in massive or in cladded form. Regarding corrosion, formation of crevices with non-metallic materials shall be avoided.
So, in addition to its already known limited corrosion resistance, carbon steel shall not be used when copper or lead species are content of the geothermal brine. Otherwise precipitation and/or deposition of metallic copper resp. lead must be expected, increasing the susceptibility of clogging the piping system.
From the interactions and pitting corrosion point of view, corrosion resistant alloys (preferably Ni-rich) seem to be most favorable when selecting materials for applications in such geothermal brines.
During the service life of structural sealant glazing (SSG) facades, the loadbearing capacity of the silicone bonds needs to be guaranteed. Laboratory Tests can assess the durability of SSG-systems based on mechanical characteristics of the bond after simultaneous exposure to both climatic and mechanical loads.
This article studies how the material characteristics of two common structural sealants are affected by laboratory and field exposure. Dynamic mechanical Analysis (DMA) confirms a reduction in the dynamic modulus of exposed Silicone samples. Results from thermogravimetric analysis, Fourier-transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and small-angle X-ray scattering/wide-angle X-ray scattering show differences between the two sealants and indicate no/minor changes in the composition and morphology of the laboratory and field exposed sealants. Mechanical characterization methods, such as DMA, and tensile and shear testing of the structural bond, are shown to be sensitive toward the combined climatic and mechanical loadings, and are hence suitable for studying degradation mechanisms of structural sealants.
The presentation shows systematic investigations to describe the corrosion and corrosion product formation processes of pure zinc under the climatic conditions currently prevailing in the Federal Republic of Germany. The investigations in their entirety aim at questioning current and establishing new ways of looking at the formation of corrosion products of pure zinc under atmospheric corrosion conditions. Thus, they make a significant contribution in understanding corrosion protection by zinc and zinc coatings. In particular, the focus is placed on the initial stage of the corrosion product formation. A systematic investigation of this time range, which is characterized by very reactive corrosion products, is only made possible by using gel-type electrolytes. The short periods of time at the beginning of weathering is now measurable and their influence on the formation of corrosion products and the kinetics of layer formation describable. By combining the new electrochemical approach with gravimetric, microscopic and analytical methods, new insights could be gained both on a methodic and scientific level.
Although zinc and zinc coatings have been widely used for corrosion protection for decades new zinc coatings are constantly being developed. Characterizing the corrosion protectiveness of these new coatings, however, should not be underestimated. While exposure tests are time intensive, cyclic tests can only be used for a very limited field of application. Thus, electrochemical measurements provide both an efficient and an effective alternative. Conventional aqueous bulk electrolytes influence the surface layers of a tested zinc coating and are therefore not reliable. Gel electrolytes, however, have evolved over the last few years, are minimally invasive and provide reliable results.
This work describes experiments with gel electrolytes made of agar. Unlike previous work, it proposes a composition of gel electrolyte for minimally invasive description of the protective power of naturally formed oxide layers on zinc and zinc coatings. Therefore, as a first part, the gel electrolyte made of agar is verified as a method for zinc and zinc-coated samples. Afterwards, this paper introduces the corrosion product layer resistance RL as a promising parameter to evaluate the protective power of zinc coatings. Results are verified with EIS and FTIR measurements. An example on a representative zinc coating demonstrates the practical application.