@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} } @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} } @inproceedings{GruendelLudwigGeisenhansluekeetal., author = {Gr{\"u}ndel, Hendrik and Ludwig, Horst-Michael and Geisenhansl{\"u}ke, Carsten and M{\"u}ller, Matthias}, title = {Einfluss der Zusammensetzung von Portlandzementklinker und Sulfattr{\"a}ger auf das Erstarrungsverhalten von Spritzbeton}, series = {Tagungsband 19. Ibausil - 19. Internationale Baustofftagung : 16.-18. September 2015, Weimar}, booktitle = {Tagungsband 19. Ibausil - 19. Internationale Baustofftagung : 16.-18. September 2015, Weimar}, isbn = {978-3-00-050225-5 (Bauhaus-Universit{\"a}tsverlag Weimar)}, doi = {10.25643/bauhaus-universitaet.4885}, pages = {549-555}, abstract = {In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss der Klinkerzusammensetzung sowie der Sulfattr{\"a}gerart auf die Leistungsf{\"a}higkeit eines Spritzzementes untersucht. Um eine Untersulfatisierung im System mit einen Aluminiumsulfat / -hydroxid Beschleuniger zu vermeiden, sollte ein anhydritbasierter Sulfattr{\"a}ger eingesetzt werden. Dies f{\"u}hrt zu einer besseren Festigkeitsentwicklung im jungen Alter.}, subject = {Beton}, language = {de} } @inproceedings{MuellerLudwig, author = {M{\"u}ller, Matthias and Ludwig, Horst-Michael}, title = {Sulfatangriff magnesiumhaltiger W{\"a}sser auf M{\"o}rtel unterschiedlicher Zusammensetzung}, series = {Tagungsband 18. Ibausil - 18. Internationale Baustofftagung : 12.-15. September 2012, Weimar}, booktitle = {Tagungsband 18. Ibausil - 18. Internationale Baustofftagung : 12.-15. September 2012, Weimar}, editor = {Ludwig, Horst-Michael}, organization = {F.A.Finger-Institut f{\"u}r Baustoffkunde, Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar}, isbn = {978-3-00-034075-8 (Bauhaus-Universit{\"a}tsverlag Weimar)}, doi = {10.25643/bauhaus-universitaet.4873}, pages = {489-496}, abstract = {Die besondere Aggressivit{\"a}t von hochkonzentrierten Magnesiumsulfatl{\"o}sungen bei Einwirkung auf Beton ist seit vielen Jahrzehnten bekannt. Neben dem Sulfat greift zus{\"a}tzlich auch das Magnesium den Zementstein an. Bei hohen L{\"o}sungskonzentrationen nimmt der Magnesiumangriff gegen{\"u}ber dem Sulfatangriff sogar eine dominante Rolle ein. Magnesiumgehalte unter 300 mg/l im Grundwasser gelten allerdings bislang als nicht angreifend. In Auslagerungs- und Laborversuchen wurde jedoch festgestellt, dass auch bei praxisrelevanten Magnesium- (<300 mg/l) und Sulfatgehalten (1.500 mg/l) das Magnesium zu einer deutlichen Versch{\"a}rfung des Sulfatangriffes bei niedrigen Temperaturen f{\"u}hrte. Diese Versch{\"a}rfung trat bei M{\"o}rteln und Betonen auf, bei denen der erh{\"o}hte Sulfatwiderstand durch einen teilweisen Zementersatz mit 20 \% Flugasche zu einem CEM II/A-LL erreicht werden sollte, gem{\"a}ß der Flugascheregelung nach EN 206-1/DIN 1045-2. Bei einem teilweisen Zementersatz durch 30 \% Flugasche konnte auch in magnesiumhaltigen Sulfatl{\"o}sungen eine deutliche Verbesserung des Sulfatwiderstandes erreicht werden. M{\"o}rtel mit HS-Zement als Bindemittel wiesen keinerlei Sch{\"a}den auf. Schadensverursachend war eine Kombination mehrerer Einfl{\"u}sse. Zum einen wurde der Sulfatwiderstand des Zement-Flugasche-Systems durch die unzureichende Reaktion der Flugasche infolge der niedrigen Lagerungstemperatur geschw{\"a}cht. Zum anderen konnte durch die Einwirkung des Magnesiums in der Randzone vermutlich eine Destabilisierung der C-S-H-Phasen erfolgen, wodurch die Thaumasitbildung an dieser Stelle forciert wurde. Zus{\"a}tzlich wurde durch den Portlanditverbrauch und die pH-Wert-Absenkung in der Randzone die puzzolanische Reaktion der Flugasche behindert.}, subject = {Beton}, language = {de} } @techreport{MuellerSeidelLudwigetal., author = {M{\"u}ller, Christoph and Seidel, Maik and Ludwig, Horst-Michael and M{\"u}ller, Matthias}, title = {Pr{\"u}fung des Frost-Tausalz-Widerstandes von Beton f{\"u}r die Expositionsklasse XF2}, doi = {10.25643/bauhaus-universitaet.4887}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20240226-48877}, pages = {34}, abstract = {In cold and moderate climates concrete can be subjected to a combined salt frost attack, which can cause scaling damage. Consequently, numerous test procedures were developed to determine the resistance of concrete compositions against this kind of attack. These tests typically mimic a severe attack with high levels of saturation, e.g. as for concrete pavements. Very few approaches exist for testing the salt frost scaling resistance of concretes, which are subjected only to medium levels of saturation, as such concrete elements typically don't show notable scaling damage. However, the increasing use of low carbon cements with high clinker substitution rates might affect the salt frost scaling resistance of such concrete elements to some extent. To ensure adequate durability of such concretes it is thus desirable to determine their performance in an actual test procedure instead of relying on past experience. Thus, less severe test methods was developed, which are based on the Slab test and the CDF test, repectively.}, subject = {Beton}, language = {de} } @inproceedings{MuellerEhrhardtLudwig, author = {M{\"u}ller, Matthias and Ehrhardt, Dirk and Ludwig, Horst-Michael}, title = {Optimierung der Nachbehandlung von Waschbetonoberfl{\"a}chen}, series = {Tagungsband 18. Ibausil - 18. Internationale Baustofftagung : 12.-15. September 2012, Weimar}, booktitle = {Tagungsband 18. Ibausil - 18. Internationale Baustofftagung : 12.-15. September 2012, Weimar}, editor = {Ludwig, Horst-Michael}, organization = {F.A.Finger-Institut f{\"u}r Baustoffkunde, Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar}, isbn = {978-3-00-034075-8}, doi = {10.25643/bauhaus-universitaet.4872}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20240226-48722}, pages = {794-781}, abstract = {Der Nachbehandlung eines Fahrbahndeckenbetons kommt zum Erzielen eines hohen Frost-Tausalz-Widerstandes der fertigen Betondecke eine besondere Bedeutung zu. Bei der Waschbetonbauweise erfolgt die Nachbehandlung in mehreren Schritten. Eine erste Nachbehandlung gew{\"a}hrleistet den Verdunstungsschutz des Betons bis zum Zeitpunkt des Ausb{\"u}rstens des verz{\"o}gerten Oberfl{\"a}chenm{\"o}rtels. Daran schließt sich die zweite Nachbehandlung an, in der Regel durch Aufspr{\"u}hen eines fl{\"u}ssigen Nachbehandlungsmittels. Der zweite Nachbehandlungsschritt ist entscheidend f{\"u}r den Frost-Tausalz-Widerstand der Betondecke. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde daher untersucht, inwiefern durch eine Optimierung der zweiten Nachbehandlung der Frost-Tausalz-Widerstand von Waschbetonoberfl{\"a}chen erh{\"o}ht werden kann, insbesondere bei Verwendung h{\"u}ttensandhaltiger Zemente. Schon durch eine einmalige Nassnachbehandlung wurde eine deutlich h{\"o}herer Widerstand der Waschbetons gegen Frost-Tausalz-Angriff erzielt.}, subject = {Beton}, language = {de} } @inproceedings{MuellerLudwigBenHahaetal., author = {M{\"u}ller, Matthias and Ludwig, Horst-Michael and Ben Haha, Mohsen and Zajac, Maciej}, title = {Optimization of multi-component cements containing clinker, slag, V-fly ash, limestone}, series = {Tagungsband 19. Ibausil - 19. Internationale Baustofftagung, 16. - 18.09.2015, Weimar. Band 2}, booktitle = {Tagungsband 19. Ibausil - 19. Internationale Baustofftagung, 16. - 18.09.2015, Weimar. Band 2}, editor = {Ludwig, Horst-Michael}, organization = {F.A.Finger-Institut f{\"u}r Baustoffkunde, Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar}, isbn = {978-3-00-050225-5 (Bauhaus-Universit{\"a}tsverlag Weimar)}, doi = {10.25643/bauhaus-universitaet.4870}, pages = {424-431}, abstract = {The aim of this study was to investigate the optimization of the strength development of quaternary cements with 50 \% clinker by a variation of the particle size distribution of the components GGBFS, fly ash and limestone powder. By balancing the overall PSD of the cement by using unprocessed fly ash and coarse limestone powder in combination with a very fine GGBFS, the water demand of the resulting quaternary cements remained unaltered, while the compressive strength of the cements was increased significantly after 7d, 28 and 56d. As can be expected, the quaternary cement with 30 wt.\% of the fine slag exhibited a stronger strength increase (about 18 \% after 28 d) than the cements with only 20 wt.\% slag (about 10\% after 28d).}, subject = {Zement}, language = {en} }