@phdthesis{Remus,
  author    = {Remus, Ricardo},
  title     = {Ultraschallgest{\"u}tzte Betonherstellung. Konzept f{\"u}r eine ressourcenschonende Betonproduktion},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4891},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20230112-48919},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {147},
  abstract  = {Aktuell findet aufgrund gesellschaftspolitischer Forderungen in vielen Industriezweigen ein Umdenken in Richtung Effizienz und {\"O}kologie aber auch Digitalisierung und Industrie 4.0 statt. In dieser Hinsicht steht die Bauindustrie, im Vergleich zu Industrien wie IT, Automobil- oder Maschinenbau, noch am Anfang. Dabei sind die Potentiale zur Einsparung und Optimierung gerade in der Bauindustrie aufgrund der großen Mengen an zu verarbeiteten Materialien besonders hoch. Die internationale Ressourcen- und Klimadebatte f{\"u}hrt verst{\"a}rkt dazu, dass auch in der Zement- und Betonherstellung neue Konzepte erstellt und gepr{\"u}ft werden. Einerseits erfolgt intensive Forschung und Entwicklung im Bereich alternativer, klimafreundlicher Zemente. Andererseits werden auch auf Seiten der Betonherstellung innovative materialsparende Konzepte gepr{\"u}ft, wie die aktuelle Entwicklung von 3D-Druck mit Beton zeigt. Aufgrund der hohen Anforderungen an Konstruktion, Qualit{\"a}t und Langlebigkeit von Bauwerken, besitzen Betonfertigteile oftmals Vorteile gegen{\"u}ber Ortbeton. Die hohe Oberfl{\"a}chenqualit{\"a}t und Dauerhaftigkeit aber auch die Gleichm{\"a}ßigkeit und witterungsunabh{\"a}ngige Herstellung sind Merkmale, die im Zusammenhang mit Betonfertigteilen immer wieder erw{\"a}hnt werden. Dabei ist es essenziell, dass auch der Betonherstellungsprozess im Fertigteilwerk kritisch hinterfragt wird, damit eine effizientere und nachhaltigere Produktion von Betonfertigteilen m{\"o}glich wird. Bei der Herstellung von Betonteilen im Fertigteilwerk liegt ein besonderer Fokus auf der Optimierung der Fr{\"u}hfestigkeitsentwicklung. Hohe Fr{\"u}hfestigkeiten sind Voraussetzung f{\"u}r einen hochfrequenten Schalungszyklus, was Arbeiten im 2- bzw. 3-Schichtbetrieb erm{\"o}glicht. Oft werden zur Sicherstellung hoher Fr{\"u}hfestigkeiten hochreaktive Zemente in Kombination mit hohen Zementgehalten im Beton und/oder einer W{\"a}rmebehandlung eingesetzt. Unter dieser Pr{\"a}misse ist eine {\"o}kologisch nachhaltige Betonproduktion mit verminderter CO2 Bilanz nicht m{\"o}glich. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Beschleunigung von Beton eingef{\"u}hrt. Hierbei werden die Bestandteile Zement und Wasser (Zementsuspension) mit Ultraschall vorbehandelt. Ausgangspunkt der Arbeit sind vorangegangene Untersuchungen zum Einfluss von Ultraschall auf die Hydration von Zement bzw. dessen Hauptbestandteil Tricalciumsilikat (C3S), die im Rahmen dieser Arbeit weiter vertieft werden. Dar{\"u}ber hinaus wird die Produktion von Beton mit Ultraschall im Technikumsmaßstab betrachtet. Die so erlangten Erfahrungen dienten dazu, das Ultraschall-Betonmischsystem weiterzuentwickeln und erstmalig zur industriellen Betonproduktion zu nutzen. In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Ultraschall auf die Hydratation von C3S zun{\"a}chst weitergehend und grundlegend untersucht. Dies erfolgte mittels Messung der elektrischen Leitf{\"a}higkeit, Analyse der Ionenkonzentration (ICP-OES), Thermoanalyse, Messung der BET-Oberfl{\"a}che sowie einer optischen Auswertung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM). Der Fokus liegt auf den ersten Stunden der Hydratation, also der Zeit, die durch die Ultraschallbehandlung am st{\"a}rksten beeinflusst wird. In den Untersuchungen zeigt sich, dass die Beschleunigungswirkung von Ultraschall in verd{\"u}nnten C3S Suspensionen (w/f-Wert = 50) stark von der Portlanditkonzentration der L{\"o}sung abh{\"a}ngt. Je niedriger die Portlanditkonzentration, desto gr{\"o}ßer ist die Beschleunigung. Erg{\"a}nzende Untersuchungen der Ionenkonzentration der L{\"o}sung sowie Untersuchungen am hydratisierten C3S zeigen, dass unmittelbar nach der Beschallung (nach ca. 15 Minuten Hydratation) erste Hydratphasen vorliegen. Die durch Ultraschall initiiere Beschleunigung ist in den ersten 24 Stunden am st{\"a}rksten und klingt dann sukzessive ab. Die Untersuchungen schließen mit Experimenten an C3S-Pasten (w/f-Wert = 0,50), die die Beobachtungen an den verd{\"u}nnten Suspensionen best{\"a}tigen und infolge der Beschallung ein fr{\"u}heres Auftreten und einen gr{\"o}ßeren Anteil an C-S-H Phasen zeigen. Es wird gefolgert, dass die unmittelbar infolge von Ultraschall erzeugten C-S-H Phasen als Kristallisationskeim w{\"a}hrend der folgenden Reaktion dienen und daher Ultraschall als in-situ Keimbildungstechnik angesehen werden kann. Optisch zeigt sich, dass die C-S-H Phasen der beschallten Pasten nicht nur viel fr{\"u}her auftreten, sondern kleiner sind und fein verteilt {\"u}ber die Oberfl{\"a}che des C3S vorliegen. Auch dieser Effekt wird als vorteilhaft f{\"u}r den sich anschließenden regul{\"a}ren Strukturaufbau angesehen. Im n{\"a}chsten Schritt wird daher der Untersuchungsfokus vom Modellsystem mit C3S auf Portlandzement erweitert. Hierbei wird der Frage nachgegangen, wie sich eine {\"A}nderung der Zusammensetzung der Zementsuspension (w/z-Wert, Fließmittelmenge) beziehungsweise eine {\"A}nderung des Ultraschallenergieeintrag auf die Fließeigenschaften und das Erh{\"a}rtungsverhalten auswirken. Um den Einfluss verschiedener Faktoren gleichzeitig zu betrachten, werden mit Hilfe von statistischen Versuchspl{\"a}nen Modelle erstellt, die das Verhalten der einzelnen Faktoren beschreiben. Zur Beschreibung der Fließeigenschaften wurde das Setzfließ- und Ausbreitmaß von Zementsuspensionen herangezogen. Die Beschleunigung der Erh{\"a}rtung wurde mit Hilfe der Ermittlung des Zeitpunkts des normalen Erstarrens der Zementsuspension bestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen deutlich, dass die Fließeigenschaften und der Erstarrungsbeginn nicht linear mit steigendem Ultraschall-Energieeintrag ver{\"a}ndert werden. Es zeigt sich, dass es besonders bei den Verarbeitungseigenschaften der Portlandzementsuspensionen zur Ausbildung eines spezifischen Energieeintrages kommt, bis zu welchem das Setzfließ- und das Ausbreitmaß erh{\"o}ht werden. Bei {\"U}berschreiten dieses Punktes, der als kritischer Energieeintrag definiert wurde, nimmt das Setzfließ- und Ausbreitmaß wieder ab. Das Auftreten dieses Punktes ist im besonderen Maße abh{\"a}ngig vom w/z-Wert. Mit sinkendem w/z-Wert wird der Energieeintrag, der eine Verbesserung der Fließeigenschaften hervorruft, reduziert. Bei sehr niedrigen w/z-Werten (< 0,35), kann keine Verbesserung mehr beobachtet werden. Wird Fließmittel vor der Beschallung zur Zementsuspension zugegeben, k{\"o}nnen die Eigenschaften der Zementsuspension maßgeblich beeinflusst werden. In beschallten Suspensionen mit Fließmittel, konnte in Abh{\"a}ngigkeit des Energieeintrages die fließmittelbedingte Verz{\"o}gerung des Erstarrungsbeginns deutlich reduziert werden. Weiterhin zeigt sich, dass der Energieeintrag, der notwendig ist um den Erstarrungsbeginn um einen festen Betrag zu reduzieren, bei Suspensionen mit Fließmittel deutlich reduziert ist. Auf Grundlage der Beobachtungen an Zementsuspensionen wird der Einfluss von Ultraschall in einen dispergierenden und einen beschleunigenden Effekt unterteilt. Bei hohen w/z-Werten dominiert der dispergierende Einfluss von Ultraschall und der Erstarrungsbeginn wird moderat verk{\"u}rzt. Bei niedrigeren w/z-Werten der Zementsuspension, dominiert der beschleunigende Effekt wobei kein oder sogar ein negativer Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften beobachtet werden kann. Im n{\"a}chsten Schritt werden die Untersuchungen auf den Betonmaßstab mit Hilfe einer Technikumsanlage erweitert und der Einfluss eines zweistufigen Mischens (also dem Herstellen einer Zementsuspension im ersten Schritt und dem darauffolgenden Vermischen mit der Gesteinsk{\"o}rnung im zweiten Schritt) mit Ultraschall auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften betrachtet. Durch die Anlagentechnik, die mit der Beschallung gr{\"o}ßerer Mengen Zementsuspension einhergeht, kommen weitere Einflussfaktoren auf die Zementsuspension hinzu (z. B. Pumpgeschwindigkeit, Temperatur, Druck). Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine Betonrezeptur mit und ohne Ultraschall hergestellt und die Frisch- und Festbetoneigenschaften verglichen. Dar{\"u}ber hinaus wurde ein umfangreiches Untersuchungsprogramm zur Ermittlung wesentlicher Dauerhaftigkeitsparameter durchgef{\"u}hrt. Aufbauend auf den Erfahrungen mit der Technikumsanlage wurde das Ultraschall-Vormischsystem in mehreren Stufen weiterentwickelt und abschließend in einem Betonwerk zur Betonproduktion verwendet. Die Untersuchungen am Beton zeigen eine deutliche Steigerung der Fr{\"u}hdruckfestigkeiten des Portlandzementbetons. Hierbei kann die zum Entschalen von Betonbauteilen notwendige Druckfestigkeit von 15 MPa deutlich fr{\"u}her erreicht werden. Das Ausbreitmaß der Betone (w/z-Wert = 0,47) wird infolge der Beschallung leicht reduziert, was sich mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen an reinen Zementsuspensionen deckt. Bei Applikation eines {\"U}berdruckes in der Beschallkammer oder einer K{\"u}hlung der Suspension w{\"a}hrend der Beschallung, kann das Ausbreitmaß leicht gesteigert werden. Allerdings werden die hohen Fr{\"u}hdruckfestigkeiten der ungek{\"u}hlten beziehungsweise drucklosen Variante nicht mehr erreicht. In den Untersuchungen kann gezeigt werden, dass das Potential durch die Ultraschall-Beschleunigung genutzt werden kann, um entweder die Festigkeitsklasse des Zementes leitungsneutral zu reduzieren (von CEM I 52,5 R auf CEM I 42,5 R) oder eine 4-st{\"u}ndige W{\"a}rmebehandlung vollst{\"a}ndig zu substituieren. Die Dauerhaftigkeit der Betone wird dabei nicht negativ beeinflusst. In den Untersuchungen zum Sulfat-, Karbonatisierung-, Chlorideindring- oder Frost/Tauwiderstand kann weder ein positiver noch ein negativer Einfluss durch die Beschallung abgeleitet werden. Ebenso kann in einer Untersuchung zur Alkali-Kiesels{\"a}ure-Reaktion kein negativer Einfluss durch die Ultraschallbehandlung beobachtet werden. In den darauf aufbauenden Untersuchungen wird die Anlagentechnik weiterentwickelt, um die Ultraschallbehandlung st{\"a}rker an eine reale Betonproduktion anzupassen. In der ersten Iterationsstufe wird das in den Betonuntersuchungen verwendete Anlagenkonzept 1 modifiziert (von der In-line-Beschallung zur Batch-Beschallung) und als Analgenkonzept 2 f{\"u}r weitere Untersuchungen genutzt. Hierbei wird eine neue Betonrezeptur mit h{\"o}herem w/z-Wert (0,52) verwendet, wobei die Druckfestigkeiten ebenfalls deutlich gesteigert werden k{\"o}nnen. Im Gegensatz zum ersten Beton, wird das Ausbreitmaß dieser Betonzusammensetzung gesteigert, was zur Reduktion von Fließmittel genutzt wird. Dies deckt sich ebenfalls mit den Beobachtungen an reinen Portlandzementsuspensionen, wo eine deutliche Verbesserung der Fließf{\"a}higkeit bei h{\"o}heren w/z-Werten beschrieben wird. F{\"u}r diese Betonrezeptur wird ein Vergleich mit einem kommerziell erh{\"a}ltlichen Erh{\"a}rtungsbeschleuniger (synthetische C-S-H-Keime) angestellt. Hierbei zeigt sich, dass die Beschleunigungswirkung beider Technologien vergleichbar ist. Eine Kombination beider Technologien f{\"u}hrt zu einer weiteren deutlichen Steigerung der Fr{\"u}hfestigkeiten, so dass hier von einem synergistischen Effekt ausgegangen werden kann. In der letzten Iterationsstufe, dem Anlagenkonzept 3, wird beschrieben, wie das Mischsystem im Rahmen einer universit{\"a}ren Ausgr{\"u}ndung signifikant weiterentwickelt wird und erstmals in einem Betonwerk zur Betonproduktion verwendet wird. Bei den {\"U}berlegungen zur Weiterentwicklung des Ultraschall-Mischsystems wird der Fokus auf die Praktikabilit{\"a}t gelegt und gezeigt, dass das ultraschallgest{\"u}tze Mischsystem die Druckfestigkeitsentwicklung auch im Werksmaßstab deutlich beschleunigen kann. Damit ist die Voraussetzung f{\"u}r eine {\"o}kologisch nachhaltige Optimierung eines Fertigteilbetons unter realen Produktionsbedingungen geschaffen worden.},
  subject      = {Beton},
  language  = {de}
}
@article{AnsariZachariasKoenke,
  author    = {Ansari, Meisam and Zacharias, Christin and K{\"o}nke, Carsten},
  title     = {Metaconcrete: An Experimental Study on the Impact of the Core-Coating Inclusions on Mechanical Vibration},
  series = {materials},
  volume    = {2023},
  journal   = {materials},
  number    = {Volume 16, Issue 5, article 1836},
  publisher = {MDPI},
  address   = {Basel},
  doi       = {10.3390/ma16051836},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20230315-49370},
  pages     = {1 -- 18},
  abstract  = {Resonance vibration of structures is an unpleasant incident that can be conventionally avoided by using a Tuned Mass Damper (TMD). The scope of this paper contains the utilization of engineered inclusions in concrete as damping aggregates to suppress resonance vibration similar to a TMD. The inclusions are composed of a stainless-steel core with a spherical shape coated with silicone. This configuration has been the subject of several studies and it is best known as Metaconcrete. This paper presents the procedure of a free vibration test conducted with two small-scaled concrete beams. The beams exhibited a higher damping ratio after the core-coating element was secured to them. Subsequently, two meso-models of small-scaled beams were created: one representing conventional concrete and the other representing concrete with the core-coating inclusions. The frequency response curves of the models were obtained. The change in the response peak verified the ability of the inclusions to suppress the resonance vibration. This study concludes that the core-coating inclusions can be utilized in concrete as damping aggregates.},
  subject      = {Beton},
  language  = {en}
}
@article{AnsariTartaglioneKoenke,
  author    = {Ansari, Meisam and Tartaglione, Fabiola and K{\"o}nke, Carsten},
  title     = {Experimental Validation of Dynamic Response of Small-Scale Metaconcrete Beams at Resonance Vibration},
  series = {materials},
  volume    = {2023},
  journal   = {materials},
  number    = {volume 16, issue 14, article 5029},
  publisher = {MDPI},
  address   = {Basel},
  doi       = {10.3390/ma16145029},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20230818-64154},
  pages     = {1 -- 17},
  abstract  = {Structures and their components experience substantially large vibration amplitudes at resonance, which can cause their failure. The scope of this study is the utilization of silicone-coated steel balls in concrete as damping aggregates to suppress the resonance vibration. The heavy steel cores oscillate with a frequency close to the resonance frequency of the structure. Due to the phase difference between the vibrations of the cores and the structure, the cores counteract the vibration of the structure. The core-coating inclusions are randomly distributed in concrete similar to standard aggregates. This mixture is referred to as metaconcrete. The main goal of this work is to validate the ability of the inclusions to suppress mechanical vibration through laboratory experiments. For this purpose, two small-scale metaconcrete beams were cast and tested. In a free vibration test, the metaconcrete beams exhibited a larger damping ratio compared to a similar beam cast from conventional concrete. The vibration amplitudes of the metaconcrete beams at resonance were measured with a frequency sweep test. In comparison with the conventional concrete beam, both metaconcrete beams demonstrated smaller vibration amplitudes. Both experiments verified an improvement in the dynamic response of the metaconcrete beams at resonance vibration.},
  subject      = {Beton},
  language  = {en}
}
@article{PatzeltErfurtLudwig,
  author    = {Patzelt, Max and Erfurt, Doreen and Ludwig, Horst-Michael},
  title     = {Quantification of cracks in concrete thin sections considering current methods of image analysis},
  series = {Journal of Microscopy},
  volume    = {2022},
  journal   = {Journal of Microscopy},
  number    = {Volume 286, Issue 2},
  doi       = {10.1111/jmi.13091},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20220811-46754},
  pages     = {154 -- 159},
  abstract  = {Image analysis is used in this work to quantify cracks in concrete thin sections via modern image processing. Thin sections were impregnated with a yellow epoxy resin, to increase the contrast between voids and other phases of the concrete. By the means of different steps of pre-processing, machine learning and python scripts, cracks can be quantified in an area of up to 40 cm2. As a result, the crack area, lengths and widths were estimated automatically within a single workflow. Crack patterns caused by freeze-thaw damages were investigated. To compare the inner degradation of the investigated thin sections, the crack density was used. Cracks in the thin sections were measured manually in two different ways for validation of the automatic determined results. On the one hand, the presented work shows that the width of cracks can be determined pixelwise, thus providing the plot of a width distribution. On the other hand, the automatically measured crack length differs in comparison to the manually measured ones.},
  subject      = {Beton},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hanna,
  author    = {Hanna, John},
  title     = {Computational Fracture Modeling and Design of Encapsulation-Based Self-Healing Concrete Using XFEM and Cohesive Surface Technique},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4746},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20221124-47467},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {125},
  abstract  = {Encapsulation-based self-healing concrete (SHC) is the most promising technique for providing a self-healing mechanism to concrete. This is due to its capacity to heal fractures effectively without human interventions, extending the operational life and lowering maintenance costs. The healing mechanism is created by embedding capsules containing the healing agent inside the concrete. The healing agent will be released once the capsules are fractured and the healing occurs in the vicinity of the damaged part. The healing efficiency of the SHC is still not clear and depends on several factors; in the case of microcapsules SHC the fracture of microcapsules is the most important aspect to release the healing agents and hence heal the cracks. This study contributes to verifying the healing efficiency of SHC and the fracture mechanism of the microcapsules. Extended finite element method (XFEM) is a flexible, and powerful discrete crack method that allows crack propagation without the requirement for re-meshing and has been shown high accuracy for modeling fracture in concrete. In this thesis, a computational fracture modeling approach of Encapsulation-based SHC is proposed based on the XFEM and cohesive surface technique (CS) to study the healing efficiency and the potential of fracture and debonding of the microcapsules or the solidified healing agents from the concrete matrix as well. The concrete matrix and a microcapsule shell both are modeled by the XFEM and combined together by CS. The effects of the healed-crack length, the interfacial fracture properties, and microcapsule size on the load carrying capability and fracture pattern of the SHC have been studied. The obtained results are compared to those obtained from the zero thickness cohesive element approach to demonstrate the significant accuracy and the validity of the proposed simulation. The present fracture simulation is developed to study the influence of the capsular clustering on the fracture mechanism by varying the contact surface area of the CS between the microcapsule shell and the concrete matrix. The proposed fracture simulation is expanded to 3D simulations to validate the 2D computational simulations and to estimate the accuracy difference ratio between 2D and 3D simulations. In addition, a proposed design method is developed to design the size of the microcapsules consideration of a sufficient volume of healing agent to heal the expected crack width. This method is based on the configuration of the unit cell (UC), Representative Volume Element (RVE), Periodic Boundary Conditions (PBC), and associated them to the volume fraction (Vf) and the crack width as variables. The proposed microcapsule design is verified through computational fracture simulations.},
  subject      = {Beton},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Mueller,
  author    = {M{\"u}ller, Matthias},
  title     = {Salt-frost Attack on Concrete - New Findings regarding the Damage Mechanism},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4868},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20230103-48681},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  abstract  = {The reduction of the cement clinker content is an important prerequisite for the improvement of the CO2-footprint of concrete. Nevertheless, the durability of such concretes must be sufficient to guarantee a satisfactory service life of structures. Salt frost scaling resistance is a critical factor in this regard, as it is often diminished at increased clinker substitution rates. Furthermore, only insufficient long-term experience for such concretes exists. A high salt frost scaling resistance thus cannot be achieved by applying only descriptive criteria, such as the concrete composition. It is therefore to be expected, that in the long term a performance based service life prediction will replace the descriptive concept. To achieve the important goal of clinker reduction for concretes also in cold and temperate climates it is important to understand the underlying mechanisms for salt frost scaling. However, conflicting damage theories dominate the current State of the Art. It was consequently derived as the goal of this thesis to evaluate existing damage theories and to examine them experimentally. It was found that only two theories have the potential to describe the salt frost attack satisfactorily - the glue spall theory and the cryogenic suction theory. The glue spall theory attributes the surface scaling to the interaction of an external ice layer with the concrete surface. Only when moderate amounts of deicing salt are present in the test solution the resulting mechanical properties of the ice can cause scaling. However, the results in this thesis indicate that severe scaling also occurs at deicing salt levels, at which the ice is much too soft to damage concrete. Thus, the inability of the glue spall theory to account for all aspects of salt frost scaling was shown. The cryogenic suction theory is based on the eutectic behavior of salt solutions, which consist of two phases - water ice and liquid brine - between the freezing point and the eutectic temperature. The liquid brine acts as an additional moisture reservoir, which facilitates the growth of ice lenses in the surface layer of the concrete. The experiments in this thesis confirmed, that the ice formation in hardened cement paste increases due to the suction of brine at sub-zero temperatures. The extent of additional ice formation was influenced mainly by the porosity and by the chloride binding capacity of the hardened cement paste. Consequently, the cryogenic suction theory plausibly describes the actual generation of scaling, but it has to be expanded by some crucial aspects to represent the salt frost scaling attack completely. The most important aspect is the intensive saturation process, which is ascribed to the so-called micro ice lens pump. Therefore a combined damage theory was proposed, which considers multiple saturation processes. Important aspects of this combined theory were confirmed experimentally. As a result, the combined damage theory constitutes a good basis to understand the salt frost scaling attack on concrete on a fundamental level. Furthermore, a new approach was identified, to account for the reduced salt frost scaling resistance of concretes with reduced clinker content.},
  subject      = {Beton},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Tatarin,
  author    = {Tatarin, Ren{\´e}},
  title     = {Charakterisieren struktureller Ver{\"a}nderungen in zementgebundenen Baustoffen durch akustische zerst{\"o}rungsfreie Pr{\"u}fverfahren},
  publisher = {Cuvillier Verlag},
  address   = {G{\"o}ttingen},
  isbn      = {978-3-7369-7575-0},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4592},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20220215-45920},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {293},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Ver{\"a}nderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerst{\"o}rungsfreien Pr{\"u}fung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen. Zur kontinuierlichen Charakterisierung der Erstarrung und Erh{\"a}rtung frischer zementgebundener Systeme wird ein auf Ultraschallsensoren f{\"u}r Longitudinal- und Scherwellen basierendes Messsystem in Kombination mit zugeh{\"o}rigen Verfahrensweisen zur Datenauswertung konzipiert, charakterisiert und angewandt. Gegen{\"u}ber der bislang {\"u}blichen alleinigen Bewertung der Verfestigung anhand indirekter Ultraschallparameter wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Signalenergie oder Frequenzgehalt der Longitudinalwelle l{\"a}sst sich damit eine direkte, sensible Erfassung der sich w{\"a}hrend der Strukturbildung entwickelnden dynamischen elastischen Eigenschaften auf der Basis prim{\"a}rer physikalischer Werkstoffparameter erreichen. Insbesondere Scherwellen und der dynamische Schubmodul sind geeignet, den graduellen {\"U}bergang zum Festk{\"o}rper mit {\"U}berschreiten der Perkolationsschwelle sensibel und unabh{\"a}ngig vom Luftgehalt zu erfassen. Die zeitliche Entwicklung der dynamischen elastischen Eigenschaften, die Strukturbildungsraten sowie die daraus extrahierten diskreten Ergebnisparameter erm{\"o}glichen eine vergleichende quantitative Charakterisierung der Strukturbildung zementgebundener Baustoffe aus mechanischer Sicht. Dabei lassen sich typische, oft unvermeidbare Unterschiede in der Zusammensetzung der Versuchsmischungen ber{\"u}cksichtigen. Der Einsatz laserbasierter Methoden zur Anregung und Erfassung von mechanischen Wellen und deren Kombination zu Laser-Ultraschall zielt darauf ab, die mit der Anwendung des konventionellen Ultraschall-Transmissionsverfahrens verbundenen Nachteile zu eliminieren. Diese resultieren aus der Sensorgeometrie, der mechanischen Ankopplung und bei einer Vielzahl von Oberfl{\"a}chenpunkten aus einem hohen pr{\"u}ftechnischen Aufwand. Die laserbasierte, interferometrische Erfassung mechanischer Wellen ist gegen{\"u}ber Ultraschallsensoren rauschbehaftet und vergleichsweise unsensibel. Als wesentliche Voraussetzung der scannenden Anwendung von Laser-Ultraschall auf zementgebundene Baustoffe erfolgen systematische experimentelle Untersuchungen zur laserinduzierten ablativen Anregung. Diese sollen zum Verst{\"a}ndnis des Anregungsmechanismus unmittelbar auf den Oberfl{\"a}chen von zementgebundenen Baustoffen, Gesteinsk{\"o}rnungen und metallischen Werkstoffen beitragen, relevante Einflussfaktoren aus den charakteristischen Materialeigenschaften identifizieren, geeignete Prozessparameter gewinnen und die Verfahrensgrenzen aufzeigen. Unter Einsatz von Longitudinalwellen erfolgt die Anwendung von Laser-Ultraschall zur zeit- und ortsaufgel{\"o}sten Charakterisierung der Strukturbildung und Homogenit{\"a}t frischer sowie erh{\"a}rteter Proben zementgebundener Baustoffe. W{\"a}hrend der Strukturbildung wird erstmals eine simultane ber{\"u}hrungslose Erfassung von Longitudinal- und Scherwellen vorgenommen. Unter Anwendung von tomographischen Methoden (2D-Laufzeit¬tomo¬graphie) werden {\"u}berlagerungsfreie Informationen zur r{\"a}umlichen Verteilung struktureller Gef{\"u}gever{\"a}nderungen anhand der longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. des relativen dynamischen Elastizit{\"a}tsmoduls innerhalb von virtuellen Schnittebenen gesch{\"a}digter Probek{\"o}rper gewonnen. Als beton-sch{\"a}digende Mechanismen werden exemplarisch der kombinierte Frost-Tausalz-Angriff sowie die Alkali-Kiesels{\"a}ure-Reaktion (AKR) herangezogen. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren der zerst{\"o}rungsfreien Pr{\"u}fung bieten erweiterte M{\"o}glichkeiten zur Charakterisierung zementgebundener Baustoffe und deren strukturellen Ver{\"a}nderungen und lassen sich zielgerichtet in der Werkstoffentwicklung, bei der Qualit{\"a}tssicherung sowie zur Analyse von Schadensprozessen und -ursachen einsetzen.},
  subject      = {Beton},
  language  = {de}
}
@article{Hanna,
  author    = {Hanna, John},
  title     = {Computational Modelling for the Effects of Capsular Clustering on Fracture of Encapsulation-Based Self-Healing Concrete Using XFEM and Cohesive Surface Technique},
  series = {Applied Sciences},
  volume    = {2022},
  journal   = {Applied Sciences},
  number    = {Volume 12, issue 10, article 5112},
  publisher = {MDPI},
  address   = {Basel},
  doi       = {10.3390/app12105112},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20220721-46717},
  pages     = {1 -- 17},
  abstract  = {The fracture of microcapsules is an important issue to release the healing agent for healing the cracks in encapsulation-based self-healing concrete. The capsular clustering generated from the concrete mixing process is considered one of the critical factors in the fracture mechanism. Since there is a lack of studies in the literature regarding this issue, the design of self-healing concrete cannot be made without an appropriate modelling strategy. In this paper, the effects of microcapsule size and clustering on the fractured microcapsules are studied computationally. A simple 2D computational modelling approach is developed based on the eXtended Finite Element Method (XFEM) and cohesive surface technique. The proposed model shows that the microcapsule size and clustering have significant roles in governing the load-carrying capacity and the crack propagation pattern and determines whether the microcapsule will be fractured or debonded from the concrete matrix. The higher the microcapsule circumferential contact length, the higher the load-carrying capacity. When it is lower than 25\% of the microcapsule circumference, it will result in a greater possibility for the debonding of the microcapsule from the concrete. The greater the core/shell ratio (smaller shell thickness), the greater the likelihood of microcapsules being fractured.},
  subject      = {Beton},
  language  = {en}
}
@article{MuellerLudwigTangeHasholt,
  author    = {M{\"u}ller, Matthias and Ludwig, Horst-Michael and Tange Hasholt, Marianne},
  title     = {Salt frost attack on concrete: the combined effect of cryogenic suction and chloride binding on ice formation},
  series = {Materials and Structures},
  volume    = {2021},
  journal   = {Materials and Structures},
  number    = {issue 54, article 189},
  doi       = {10.1617/s11527-021-01779-7},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20211207-45392},
  pages     = {1 -- 16},
  abstract  = {Scaling of concrete due to salt frost attack is an important durability issue in moderate and cold climates. The actual damage mechanism is still not completely understood. Two recent damage theories—the glue spall theory and the cryogenic suction theory—offer plausible, but conflicting explanations for the salt frost scaling mechanism. The present study deals with the cryogenic suction theory, which assumes that freezing concrete can take up unfrozen brine from a partly frozen deicing solution during salt frost attack. According to the model hypothesis, the resulting saturation of the concrete surface layer intensifies the ice formation in this layer and causes salt frost scaling. In this study an experimental technique was developed that makes it possible to quantify to which extent brine uptake can increase ice formation in hardened cement paste (used as a model material for concrete). The experiments were carried out with low temperature differential scanning calorimetry, where specimens were subjected to freeze-thaw cycles while being in contact with NaCl brine. Results showed that the ice content in the specimens increased with subsequent freeze-thaw cycles due to the brine uptake at temperatures below 0 °C. The ability of the hardened cement paste to bind chlorides from the absorbed brine at the same time affected the freezing/melting behavior of the pore solution and the magnitude of the ice content.},
  subject      = {Beton},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Mueller,
  author    = {M{\"u}ller, Matthias},
  title     = {Frost-Tausalz-Angriff auf Beton - Neue Erkenntnisse zum Schadensmechanismus},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4502},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20210922-45025},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {226},
  abstract  = {F{\"u}r die Verminderung der betonspezifischen CO2-Emissionen wird ein verst{\"a}rkter Einsatz klinkerreduzierter Zemente bzw. Betone angestrebt. Die Reduzierung des Klinkergehaltes darf jedoch nicht zu einer lebensdauerrelevanten Beeintr{\"a}chtigung der Betondauerhaftigkeit f{\"u}hren. In diesem Zusammenhang stellt der Frost-Tausalz-Widerstand eine kritische Gr{\"o}ße dar, da er bei h{\"o}heren Klinkersubstitutionsraten h{\"a}ufig negativ beeinflusst wird. Erschwerend kommt hinzu, dass f{\"u}r klinkerreduzierte Betone nur ein unzureichender Erfahrungsschatz vorliegt. Ein hoher Frost-Tausalz-Widerstand kann daher nicht ausschließlich anhand deskriptiver Vorgaben gew{\"a}hrleistet werden. Demgem{\"a}ß sollte perspektivisch auch f{\"u}r frost-tausalzbeanspruchte Bauteile eine performancebasierte Lebensdauerbetrachtung erfolgen. Eine unverzichtbare Grundlage f{\"u}r das Erreichen dieser Ziele ist ein Verst{\"a}ndnis f{\"u}r die Schadensvorg{\"a}nge beim Frost-Tausalz-Angriff. Der Forschungsstand ist jedoch gepr{\"a}gt von widerspr{\"u}chlichen Schadenstheorien. Somit wurde als Zielstellung f{\"u}r diese Arbeit abgeleitet, die existierenden Schadenstheorien unter Ber{\"u}cksichtigung des aktuellen Wissensstandes zu bewerten und mit eigenen Untersuchungen zu pr{\"u}fen und einzuordnen. Die Sichtung des Forschungsstandes zeigte, dass nur zwei Theorien das Potential haben, den Frost-Tausalz-Angriff umfassend abzubilden - die Glue Spall Theorie und die Cryogenic Suction Theorie. Die Glue Spall Theorie f{\"u}hrt die Entstehung von Abwitterungen auf die mechanische Sch{\"a}digung der Betonoberfl{\"a}che durch eine anhaftende Eisschicht zur{\"u}ck. Dabei sollen nur bei moderaten Tausalzkonzentrationen in der einwirkenden L{\"o}sung kritische Spannungszust{\"a}nde in der Eisschicht auftreten, die eine Sch{\"a}digung der Betonoberfl{\"a}che hervorrufen k{\"o}nnen. In dieser Arbeit konnte jedoch nachgewiesen werden, dass starke Abwitterungen auch bei Tausalz¬konzentrationen auftreten, bei denen eine mechanische Sch{\"a}digung des Betons durch das Eis auszuschließen ist. Damit wurde die fehlende Eignung der Glue Spall Theorie aufgezeigt. Die Cryogenic Suction Theorie fußt auf den eutektischen Eigenschaften von Tausalz-l{\"o}sungen, die im gefrorenen Zustand immer als Mischung auf festem Wassereis und fl{\"u}ssiger, hochkonzentrierter Salzl{\"o}sung bestehen, solange ihre Eutektikumstemperatur nicht unter¬schritten wird. Die fl{\"u}ssige Phase im salzhaltigen Eis stellt f{\"u}r gefrorenen Beton ein bisher nicht ber{\"u}cksichtigtes Fl{\"u}ssigkeitsreservoir dar, welches trotz der hohen Salzkonzentration die Eisbildung in der Betonrandzone verst{\"a}rken und so die Entstehung von Abwitterungen verursachen soll. In dieser Arbeit wurde best{\"a}tigt, dass die Eisbildung im Zementstein beim Gefrieren in hochkonzentrierter Tausalzl{\"o}sung tats{\"a}chlich verst{\"a}rkt wird. Das Ausmaß der zus{\"a}tzlichen Eisbildung wurde dabei auch von der F{\"a}higkeit des Zementsteins zur Bindung von Chloridionen aus der Tausalzl{\"o}sung beeinflusst. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Cryogenic Suction Theorie eine gute Beschreibung des Frost-Tausalz-Angriffes darstellt, aber um weitere Aspekte erg{\"a}nzt werden muss. Die Ber{\"u}cksichtigung der intensiven S{\"a}ttigung von Beton durch den Prozess der Mikroeislinsenpumpe stellt hier die wichtigste Erweiterung dar. Basierend auf dieser {\"U}berlegung wurde eine kombinierte Schadenstheorie aufgestellt. Wichtige Annahmen dieser Theorie konnten experimentell best{\"a}tigt werden. Im Ergebnis wurde so die Grundlage f{\"u}r ein tiefergehendes Verst{\"a}ndnis des Frost-Tausalz-Angriffes geschaffen. Zudem wurde ein neuer Ansatz identifiziert, um die (potentielle) Verringerung des Frost-Tausalz-Widerstandes klinkerreduzierter Betone zu erkl{\"a}ren.},
  subject      = {Beton},
  language  = {de}
}