TY - THES A1 - Scholz, Yvonne T1 - Dauerhaftigkeit von Beton - Wirkungsweisen von Betonzusatzstoffen zur Vermeidung einer AKR T1 - Durability of concrete - effectiveness of supplementary cementing materials to avoid ASR N2 - Auch 75 Jahre nach einem ersten dokumentierten Schadensfall stellt die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ein aktuelles Problem dar. International werden derartige Schäden durch diese chemische Reaktion durch die Verwendung von mineralischen Betonzusatzstoffen im Beton maßgeblich vermindert. Einen besonderen Einfluss hat dabei das gelöste Aluminium aus den Zusatzstoffen, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend geklärt ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung und dem Vergleich der Wirkungsweise aluminiumhaltiger Betonzusatzstoffe unterschiedlicher Art und Herkunft und deren Wechselwirkungen sowohl mit der Porenlösung als auch der Zementsteinmatrix. Die Spannweite der untersuchten Zusatzstoffe (ZS) reicht dabei von rein siliciumhaltigen ZS, wie Microsilica, über aluminium-/siliciumhaltige (z.B. Metakaolin) bis hin zu rein aluminiumhaltigen ZS. Als Ausgangspunkt wurden Betonproben mit einer alkalireaktiven Gesteinskörnung (GK) untersucht, bei denen ein teilweiser Austausch des Zementes durch die ZS mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten erfolgte. Anhand der Dehnungen der Betonbalken, gelagert bei 40°C (Nebelkammer), konnten erste deutliche Unterschiede hinsichtlich der dehnungsreduzierenden Wirkung der ZS in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer unter konstanten Bedingungen gezeigt werden. In einem zweiten Schritt galt es, dass Löseverhalten der ZS in alkalischer Lösung unterschiedlicher Konzentrationen (1M bzw. 0,1M KOH-Lösung) sowohl bei 40°C als auch bei 80°C und mit unterschiedlichen Feststoff/Laugenverhältnissen zu untersuchen. Es konnte nachgewiesen werden, dass sowohl Silicium als auch Aluminium in ausreichender Konzentration aus dem ZS gelöst werden müssen, wobei das Si/Al-Verhältnis entscheidend für eine dauerhafte AKR-vermeidende Wirkung im Beton ist. Untersuchungen an Zement/ZS-Mischungen sollten neue Erkenntnisse über die stofflichen Veränderungen sowohl am erhärteten Zementstein als auch in der ausgepressten Porenlösung liefern, die wesentlich durch die ZS beeinflusst werden. Der Vergleich mit den Dehnungen des Betonversuchs zeigte, dass die ZS, die neben Al auch Si in ausreichender Konzentration lösen, im Wesentlichen sowohl durch die Absenkung der Hydroxid- und Alkaliionenkonzentration als auch durch die Bildung zusätzlicher C-S-H- und/oder C-A-S-H-Phasen eine Dehnungsreduzierung bewirken. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Mischung eines silicium- mit einem aluminiumreichen ZS in gleichen Anteilen zwar ermöglicht, die Wirkungen eines nachweislich AKR-vermeidenden ZS auf die Porenlösung und die Zementsteinmatrix annähernd nachzustellen, die langfristige Dehnungsreduzierung mit dieser Mischung im Beton jedoch nicht erreicht werden konnte. Folglich gibt es neben den nachgewiesenen Wechselwirkungen zwischen ZS und alkalischer Lösung bzw. Zementsteinmatrix weitere Reaktionen insbesondere auch mit der GK, die entscheidend für die dauerhafte Vermeidung einer AKR im Beton durch die Zugabe von ZS sind. N2 - Even 75 years after the first documented case of damage, the alkali-silica reaction (ASR) is still a current problem. International studies have shown that such damage can already be significantly reduced through both the exchange of aggregate and/or the use of cements with a low effective alkali content as well as by the use of supplementary cementing materials (SCMs) in concrete. The dissolved aluminium from the SCM has a special influence here, but its effectiveness has not yet been sufficiently clarified. The present work deals with the investigation and the comparison of the effectiveness of aluminous SCMs of various type and origin and their interactions with both the pore solution and the cement stone matrix. The kinds of the studied SCMs range from purely silicon-containing SCMs such as microsilica, via aluminium/silicon-containing SCMs (e.g. metakaolin) to pure aluminium-containing SCMs. As a starting point, concrete prisms with an alkali-reactive aggregate were analyzed, in which Portland cement was proportionally replaced by the SCMs with different aluminium contents. With the expansions of the concrete prisms, stored at 40°C in the fog chamber, first clear differences in the expansion-reducing effect of the SCMs as a function of storage time under constant conditions were shown. In a second step, the dissolving behavior of the SCMs was studied in alkaline solution of different concentrations (1M or 0.1M KOH solution) both at 40°C and at 80°C and with different solid/lye ratios. It was demonstrated that both silicon and aluminium must be dissolved in a sufficient concentration from the SCM, while the Si/Al ratio is essential to achieve a durable effect to avoid ASR in concrete. Investigations on cement/SCM mixtures were to deliver new insights into the material changes at both the hardened cement stone and in the pressed out pore solutions, which are significantly influenced by the SCMs. By comparing with the expansions of the concrete experiment, it was demonstrated that the SCMs which dissolve silicon in addition to aluminium in sufficient concentration, essentially cause an expansion reduction by lowering the hydroxide and alkali ion concentration as well as by forming additional C-S-H and/or C-A-S-H phases. Moreover, it was found that the mixture of a silicon-rich with an aluminium-rich SCM in equal proportions allows indeed nearly reproduce the effects of a proven ASR-avoidant SCM on the pore solution and the cement stone matrix. However, the long-term expansion reduction with this mixture in concrete could not be reached. It can be concluded that, in addition to the proven interaction between SCM and alkaline solution or cement stone matrix, there are other reactions especially with the aggregate which are significant for the long-term avoidance of ASR in concrete by the addition of SCM. KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion KW - AKR KW - Beton KW - Zusatzstoffe KW - Vermeidung KW - Alkali-silica reaction KW - ASR KW - Supplementary cementing materials SCMs KW - Durability KW - Concrete KW - Beton KW - Betonzusatzstoff KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42076 ER - TY - THES A1 - Kronemann, Jens T1 - Untersuchung der zeitlichen Abhängigkeit von Löseprozessen in hochalkalischen Lösungen zur Charakterisierung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen T1 - Investigation of the temporal dependence of dissolution processes in highly alkaline solutions for characterization of aggregate ASR-susceptibility N2 - Die schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Beton stellt in Teilbereichen nach wie vor ein Problem bei der Bewertung der Dauerhaftigkeit von Beton dar. Eine der häufigsten Fragestellungen ist immer noch eine schnelle und sichere Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen für die Betonherstellung. Darüber hinaus erscheint in Zeiten der Ressourceneinsparung der Ausschluss von Gesteinskörnungen auf Grund unzureichender Kenntnis der Alkaliempfindlichkeit nicht zukunftsorientiert. Weiterhin wird oft nur die makroskopische Betrachtung von Betonen oder Mörtelprismen zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen herangezogen, wobei die bei der AKR stattfindenden Prozesse nicht genügend berücksichtigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Beitrag von Gesteinskörnungen zur AKR im Beton untersucht, um die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen zu quantifizieren und die zu erwartende Schädigung des Betons durch die Gesteinskörnung detaillierter als bisher klassifizieren zu können. Im Vordergrund der Arbeit stand dabei das Verständnis der Auflösungsprozesse von Gesteinskörnungen in KOH-Lösungen (pH ≥ 13) bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen. An vier Gesteinskörnungen wurde der 40 °C-Betonversuch durchgeführt, um die Alkaliempfindlich-keit der Gesteinskörnungen zu dokumentieren. Weiter wurden die Gesteinskörnungen mit dem Schnellprüfverfahren untersucht sowie petrografisch und mineralogisch begutachtet. Dabei stimm-ten die Ergebnisse nur teilweise mit denen des 40 °C-Betonversuchs überein. Anhand von Löseversuchen an den originalen Lieferkörnungen der Gesteinskörnungen bei 40 °C und mit 1,0 M KOH-Lösung war es möglich, die Reaktivität der Gesteinskörnungen mit den ermittelten SiO₂- und Al₂O₃-Konzentrationen der alkalischen Lösungen zu beschreiben. Bei den Untersuchungen von verschiedenen Varianten zur Beschleunigung der Löseversuche konnten durch eine erhöhte Temperatur von 80 °C und eine abgesenkte Konzentration der KOH-Lösung von 0,1 M innerhalb von 56 Tagen vergleichbare Ergebnisse zu den Resultaten der Löseversuche bei 40 °C und 1,0 M KOH-Lösung erreicht werden. In der alkalischen Lösung wird ein bestimmter Teil des gelösten SiO₂ durch ebenfalls vorhandenes Al₂O₃ alumosilikatisch gebunden. Der verbleibende Teil des gelösten SiO₂ steht für eine AKR zur Verfügung. Aus der zeitabhängigen Darstellung dieser SiO₂-Konzentration wurde die Lösegeschwindigkeit ermittelt. Dabei wurden vier aufeinanderfolgende Phasen dem Dehnungs- und Rissbreitenverlauf der Probekörper des 40 °C-Betonversuchs zugeordnet. Zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit einer Gesteinskörnung sind die Lösegeschwindigkeiten der letzten drei Phasen entscheidend. Nach der Entwicklung dieser Vorgehensweise an den vier untersuchten Gesteinskörnungen wurde diese Methode bei weiteren Gesteinskörnungen angewendet. Die ermittelten Lösegeschwindigkeiten stellten ebenfalls ein exaktes Abbild der Ergebnisse des 40 °C-Betonversuchs dar. Die entwickelte Methode bietet eine Möglichkeit, die Alkaliempfindlichkeit einer Gesteinskörnung schnell, sicher und genauer als bisher zu bestimmen. Besonders vorteilhaft sind dabei die direkte Prüfung der Gesteinskörnung an der originalen Korngröße (Lieferkörnung), wie diese auch im Beton eingesetzt wird, die zementunabhängige Prüfung, sowie die einfache experimentelle Durchführung und Auswertung. Darüber hinaus zeigte sich bei der Anwendung der Methode, dass neben der Gesteinskörnung selbst auch der Einfluss von Zusatzstoffen auf die Löslichkeit von Gesteinskörnungen beurteilt werden kann. Erste Ergebnisse belegen den löseinhibierenden Effekt des aluminiumhaltigen Zusatzstoffes Metakaolin durch die Blockierung der Oberfläche einer reaktiven Gesteinskörnung im Alkalischen. N2 - The alkali-silica reaction (ASR) in concrete still presents a problem in assessing the durability of con-crete structures. In this context an important question is a fast and reliable evaluation to identify the ASR-sensibility of aggregates. Furthermore in times of the economization of resources the exclusion of aggregates from concrete production by reason of the insufficient knowledge of theirs ASR sensibility does not seem future-oriented. Concrete prism tests only evaluate the ASR-sensibility of aggregates by observing macroscopic effects while ASR-processes are often unconsidered. This research investigated the contribution of aggregates to ASR in concrete to quantify the sensibility of aggregates and to classify the destruction of concrete caused by ASR sensitive aggregates in a more precise way. The main focus of this thesis aimed the understanding of dissolution processes of aggregates in high alkaline solutions (pH ≥ 13) at different conditions. The ASR-sensibility of four aggregates was evaluated by performing the German 40 °C concrete prism test in a fog chamber. In a next step the 80 °C accelerated mortar bar test was conducted. In addition petrographic and mineralogical investigations were also considered to assess the reactivity of the aggregates. These results only partly agreed with those of the 40 °C concrete prism test. Moreover dissolution experiments were performed with the aggregates in their original grain sizes and with 1.0 M KOH-solution at a storage temperature of 40 °C. By measuring the concentration of silica and alumina of the alkaline solutions the ASR-sensibility of the four aggregates could be described. Furthermore different possibilities were tried out to accelerate the solution test. At a higher temperature of 80 °C and a lowered concentration of the KOH-solution of 0.1 M comparable results to the conditions of 40 °C and 1.0 M KOH-solution could be achieved in a period of 56 days. Within the alkaline solution a certain part of the soluble silica is bonded by dissolved alumina in alu-minosilicate structures. The remaining part of the soluble silica is available for ASR. Solution rates were calculated from the time-dependent account of this available silica. For that matter four se-quent periods were correlated to the expansions and crack widths of the specimens of the 40 °C concrete prism test. To assess the ASR-sensibility of an aggregate the last three periods are essential. After developing this method with the four aggregates investigated this method was performed with more aggregates. The measured solution rates accurately reproduced the results of the 40 °C concrete prism test. This method provides a possibility to reliably evaluate the ASR-sensibility of an aggregate in a short time and in a more detailed way as up to now. Especially the direct assessment of the aggregate on the original grain like it is used in concrete, the independence of the influence of the cement and the simple experimental performance and analysis are advantageous. Furthermore it is shown that in addition to the aggregate also the influence of supplementary ce-menting materials (SCMs) on the solubility of aggregates could be appraised. First results document the inhibiting effect from the SCM metakaolin on the solubility of aggregates by surface blocking of the aggregate in alkaline solutions. KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion KW - Alkaliempfindlichkeit KW - Löslichkeit KW - Lösegeschwindigkeit KW - Gesteinskörnung KW - Alkali-silica reaction KW - Alkali reactivity KW - Solubility KW - Dissolution rate KW - Aggregate KW - Zuschlagstoff KW - Löslichkeit KW - Alkalische Lösung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35034 ER - TY - THES A1 - Priebe, Nsesheye Susan T1 - Influence of calcination conditions and varying compositions on the reactivity and performance of brick clays as supplementary cementitious materials T1 - Der Einfluss von Kalzinierungsbedingungen und verschiedenen Zusammensetzungen auf die Reaktivität und Eigenschaften von Ziegeltonen verwendet als Zusatzstoffe in Beton N2 - Calcined clays as supplementary cementitious materials (SCMs) have been identified and credited to be a viable solution in mitigating the CO₂ emissions related to cement production and consumption. Calcined clays range from a variety of different clay types based on an assortment of varying minerals and compositions. While extensive data is available on kaolinitic clays (based on the 1:1 clay type), other clays such as brick clays (based on the 2:1 clay type) are currently understudied, although such clays are largely more available than the kaolinitic clays. The aim of this thesis is to draw attention to the varying compositions present in two selected brick clays in Germany and elaborate on how such compositions affect their suitability to be used as SCMs in blended cement systems. The novelty of this thesis explains the relationship between the reactivity of the bricks to their varying compositions and their suitability for their employment as SCMs. This was based on their chemical and physical transformations in the calcination temperature range 650–900 or 950 °C, and the performance of the calcined brick clays in blended cement systems measured by their heat evolution, strength development and durability-related properties. The results of their performance were compared to two kaolinitic clays with varying compositions. While the kaolinitic clays generally exhibited the best performance as SCMs, the brick clay with a lower Fe₂O₃ content showed promising results similar to the kaolinitic clays when an optimum calcination temperature is applied and when substituted at a moderate cement substitution rate. Thus, this finding promoted further efforts made to improve the reactivity of the brick clay by producing a mixed clay composed of 50 % brick clay (with Fe₂O₃ content) and 50 % kaolinitic clay. The mixed clay was compared to the two individual brick clays and one kaolinitic clay, whereby optimum calcination conditions were performed in large-scale simulating an industrial-scale production of SCMs. All calcined clays exhibited pozzolanic reactivity, with the performance of the brick clays inferior to the kaolinitic clay, however, the mixed clay performed very similar to the kaolinitic clay. At a similar degree of hydration compared to plain Portland cement, the good performance of the mixed clays was especially evident in the strength development and improved chloride penetration resistance, which was caused by a refinement in the pore structure in the cementitious systems. Moreover, it was deduced that not only the high surface area, but also, the solubility of Si and Al ions in the resulting calcinate of the mixed clays plays a significant role when calcined at ~600–700 °C, which points to viable options for optimal employment of brick clays in cementitious systems. N2 - Die bei der Zementproduktion freigesetzte CO₂-Menge und die daraus resultierenden Folgen für das Klima machen die Entwicklung von Zementersatzstoffen mit geringerem CO₂-Fußabdruck erforderlich. Als besonders vielversprechend haben sich dabei die kalzinierten Tone erwiesen. Bei diesen handelt es sich um komplexe Systeme, bestehend aus einer Vielzahl verschiedener Tonminerale in variierender Konzentration und Zusammensetzung. Während für kaolinitische Tone (basierend auf 1:1 Tonmineralarten) bereits umfangreiche Daten gesammelt werden konnten, ist der Kenntnisstand zu anderen Tonarten z.B. Ziegeltonen (basierend auf 2:1 Tonmineralarten) derzeit noch unzureichend. Besonders vor dem Hintergrund der erheblich größeren Verfügbarkeit dieser Tonarten stellt dies einen erheblichen Nachteil dar. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand zweier Ziegeltone aus Deutschland, aufzuzeigen welche Auswirkung die unterschiedliche Zusammensetzung der Tone sowohl auf die Reaktivität als auch auf den Einsatz als Zementersatzstoffen in Mischzementsystemen hat. Entsprechende Änderungen in der Zusammensetzung der kalzinierten Tone wurden durch die Variation der Kalzinierungstemperatur im Temperaturbereich zwischen 650 °C und 900 °C bzw. 950 °C und den folglich unterschiedlich ablaufenden chemischen und physikalischen Umwandlungsprozessen der Tonminerale erreicht. Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme wurde anhand der Wärme- und Festigkeitsentwicklung sowie den Dauerhaftigkeitseigenschaften bewertet. Als Referenzsysteme dienten zwei 1:1 Tone mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Die bei den 1:1 Tonen erzielten Reaktivitäten waren im Vergleich zu den Ziegeltonen zwar höher, aber bei entsprechender Kalzinierungstemperatur und moderater Zementersatzrate konnten auch bei den Ziegeltonen vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden in einem weiteren Schritt Mischtone, bestehend aus kaolinitischem Ton und Ziegelton mit geringerem Fe₂O₃ Gehalt (50:50), untersucht. Zur Bewertung wurden die zuvor untersuchten Ziegeltone und ein 1:1 Ton herangezogen. Bei allen kalzinierten Tonen konnte die pozzolanische Reaktion nachgewiesen werden, wobei der Ziegelton die geringsten und die 1:1 Tone die höchsten Werte lieferte. Das Mischtonsysteme sind leistungstechnisch bei den 1:1 Tonen einzuordnen. Die strukturverfeinernde Wirkung des Mischtons beim Einsatz als Zementersatz in Portlandzementsystemen führte sowohl bei der Festigkeitsentwicklung als auch beim Chlorideindringwiderstand zu einer Leistungssteigerung. Zudem konnte gezeigt werden, dass nicht nur die große spezifische Oberfläche, sondern auch die hohe Löslichkeit der Si- und Al-Ionen in den Kalzinaten der bei ~600-700 °C kalzinierten Mischtone einen großen Einfluss hat und den Einsatz der Ziegeltone in zementären Systemen begünstigt. Die Möglichkeit zur Herstellung von Zementersatzstoffen im industriellen Maßstab konnte durch Versuche im Großmaßstab ebenfalls nachgewiesen werden. KW - Brick clay KW - Calcined clay KW - Illite KW - Blended cement KW - Hydration KW - Ziegelton KW - Kalzinierten Tone KW - Zement KW - Ersatzstoff KW - Tonerdezement KW - Illit KW - Verkalkung KW - Temperaturverhalten KW - Betonfestigkeit Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-58816 ER -