TY - THES A1 - Peters, Simone T1 - The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions N2 - Ein aktuelles Thema in der Forschung der Betonindustrie ist die gezielte Steuerung des Erstarrens und der Entwicklung der (Früh)Festigkeit von Betonen und Mörteln. Aus ökonomischer Sicht sind außerdem die Reduktion der CO2-Emission und die Schonung von Ressourcen und Energie wichtige Forschungsschwerpunkte. Eine Möglichkeit zum Erreichen dieser Ziele ist es, die Reaktivität/Hydratation der silikatischen Klinkerphasen gezielt anzuregen. Neben den bereits bekannten Möglichkeiten der Hydratationsbeschleunigung (u.a. Wärmebehandlung, Zugabe von Salzen) bietet die Anwendung von Power-Ultraschall (PUS) eine weitere Alternative zur Beschleunigung der Zementhydratation. Da bis zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Erfahrungen zum Einsatz von PUS in der Zementchemie vorliegen, sollen mit der vorliegenden Arbeit grundlegende Kenntnisse zum Einfluss von PUS auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen erarbeitet werden. Dazu wurde die Arbeit in fünf Hauptuntersuchungsabschnitte aufgeteilt. Im ersten Teil wurden optimale PUS-Parameter wie Amplitude und Energieeintrag ermittelt, die eine effiziente Beschleunigung der Portlandzement(CEM I)hydratation bei kurzen Beschallzeiten und begrenzter Zementleimtemperaturerhöhung erlauben. Mit Hilfe unabhängiger Untersuchungsmethoden (Bestimmung des Erstarrungsbeginns, der Festigkeitsentwicklung, zerstörungsfreier Ultraschallprüfung, isothermer Wärmeflusskalorimetrie, hochauflösender Rasterelektronmikroskopie (REM) wurde die Wirkung von PUS auf den Hydratationsverlauf von CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Behandlung von CEM I-Suspensionen mit PUS grundsätzlich ein beschleunigtes Erstarren und eine beschleunigte (Früh)Festigkeitsentwicklung hervorruft. Anhand von REM-Untersuchungen konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass die Beschleunigung der CEM I-Hydratation mit einer beschleunigten Hydratation der Hauptklinkerphase Alit korreliert. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden die Ursachen der Aktivierung der Alithydratation untersucht. Dazu wurden Untersuchungen an Einzelsystemen des CEM I (silikatische Klinkerphase) durchgeführt. Es ist bekannt, das die Hydratation der Hauptklinkerphase Alit (in der reinen Form Tricalciumsilikat 3CaO*SiO2; C3S) durch Lösungs-/Fällungsreaktionen (Bildung von Calcium-Silikat-Hydrat Phasen, C-S-H Phasen) bestimmt wird. Mit Hilfe von Untersuchungen zur Auflösung (C3S) und Kristallbildung (C-S-H Phasen) in Lösungen und Suspensionen (Aufzeichnung der elektrischen Leitfähigkeit sowie Bestimmung der Ionenkonzentrationen der wässrigen Phase, REM-Charakterisierung der Präzipitate) wurde die Beeinflussung dieser durch eine PUS-Behandlung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in partikelfreien Lösungen (primäre Keimbildung) eine PUS-Behandlung keinen Einfluss auf die Kinetik der Kristallisation von C-S-H Phasen hervorruft. Das heißt, auch die durch PUS eingetragene Energie reicht offensichtlich nicht aus, um in Abwesenheit von Oberflächen die C-S-H Phasen Bildung zu beschleunigen. Das weist darauf hin, dass die Bildung von C-S-H Phasen nicht durch eine Beschleunigung von Ionen in der Lösung (erhöhte Diffusion durch Anwendung von PUS) hervorgerufen wird. Eine Beschleunigung des Kristallisationsprozesses (Keimbildung und Wachstum von C-S-H Phasen) durch PUS wird nur in Anwesenheit von Partikeln in der Lösung (Suspension) erzielt. Das belegen Ergebnisse, bei denen die Bildung erster C-S-H Phasen bei geringer Übersättigung (heterogene Keimbildung, in Anwesenheit von Oberflächen) erfolgt. Unter diesen Bedingungen konnte gezeigt werden, dass PUS innerhalb der ersten 30 Minuten der Hydratation eine erhöhte Fällung von ersten C-S-H Phasen bewirkt. Diese fungieren dann vermutlich während der Haupthydratation als Keim bzw. geeignete Oberfläche zum beschleunigten Aufwachsen von weiteren C-S-H Phasen. Weiterhin ist vorstellbar, dass (in Analogie zu anderen Bereichen der Sonochemie) PUS durch Kavitation Schockwellen hervorruft, welche Partikel und wässriges Medium beschleunigen und damit erhöhte Partikelbewegungen und -kollisionen induziert. Dies wiederum bewirkt, dass die anfänglich auf der C3S-Oberfläche gebildeten C-S-H Phasen teilweise wieder entfernt werden. Damit ist das Inlösunggehen von Ca- und Si-Ionen aus dem C3S weiterhin möglich. Um den genauen Mechanismus weiter zu charakterisieren sollten mit geeigneten Methoden weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von PUS auf das Fließverhalten von CEM I-Suspensionen untersucht. Aus der Anwendung von PUS in anderen technischen Bereichen sind unter anderem Effekte wie das Entlüften, das Homogenisieren und das Dispergieren von Suspensionen und Emulsionen mittels PUS bekannt. Mit Hilfe der Bestimmung des Luftporengehaltes, Sedimentationsversuchen und cryo-SEM Untersuchungen wurde der Einfluss von PUS auf CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse belegen, dass durch PUS eine verbesserte Homogenität und Dispergierung der CEM I-Suspension erzielt wird. Damit wird für CEM I-Suspensionen unterschiedlichster w/z-Werte eine verbesserte Fließfähigkeit festgestellt. Ergebnisse der Bestimmung von Ausbreitmaßen und Trichterauslaufzeiten zeigen, dass PUS einen direkten Einfluss vor allem auf die Viskosität der CEM I-Suspensionen besitzt. Werden Fließmitteln (FM) der CEM I-Suspension zugegeben, wird nicht in jedem Fall eine verbesserte Fließfähigkeit festgestellt. Hier scheint unter bestimmten Voraussetzungen (w/z-Wert, FM-Gehalt, PUS) die Reaktion zwischen Aluminat- und Sulfatphase des Klinkers gestört. Zur eindeutigen Klärung dieses Sachverhaltes bedarf es jedoch weiterer quantitativer Untersuchungen zum Reaktionsumsatz. Im dritten Teil der Arbeit wurden die am CEM I gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss von PUS auf die Hydratation an Portland-Hüttensand(HÜS)-Zement-Systemen verifiziert. Dafür wurden auch in diesem Teil der Arbeit zunächst die optimalen PUS-Parameter festgelegt und der Einfluss auf das Erstarrung- und Erhärtungsverhalten dokumentiert. Untersuchungsmethoden sind unter anderem die Bestimmung des Erstarrungsbeginns und der (Früh)Festigkeitsentwicklung, Temperaturaufzeichnungen und isothermale Wärmeflusskalorimetrie sowie REM. Die Ergebnisse zeigen, dass auch die Reaktion von HÜS-Zementen durch PUS beschleunigt wird. Weiterführende Untersuchungen belegen, dass die erzielte Beschleunigung vorwiegend auf der Beschleunigung der Alitkomponente des CEM I beruht. Im Fokus der Teile vier und fünf dieser Arbeit stand die Anwendbarkeit der PUS-Technik unter praktischen Bedingungen. Zum einen wurde die Anwendbarkeit von PUS in fertig gemischten Mörteln beurteilt. Anhand des Vergleichs wichtiger Frisch- und Festmörteleigenschaften unterschiedlich hergestellter Mörtel (beschallt im Anschluss an konventionelle Mischtechnik, beschallt im Anschluss an Suspensionsmischtechnik mit anschließender Zumischung der Gesteinskörnung und nicht beschallt) wird gezeigt, dass im Fall von Mörteln mit hohem Leimanteil eine durch PUS induzierte beschleunigte Festigkeitsentwicklung auch mit herkömmlichen Mischabläufen (ohne aufwendige Umstellung des Mischprozesses) möglich ist. Abschließend wird untersucht, ob der Herstellungsprozess von Wandbauteilen im Fertigteilwerk durch den Einsatz von PUS optimiert werden kann und ob eine Einbindung der PUS-Technik in den Fertigungsprozess ohne größeren Aufwand möglich ist. Dazu wurden in einem ersten Schritt die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines aktuell angewendeten selbstverdichtenden Betons im Labormaßstab (Mörtel) in Abhängigkeit einer PUS-Behandlung dokumentiert und mit der seiner unbeschallten Referenz verglichen. Aufgrund der durch PUS verursachten verbesserten Fließ- und Festigkeitseigenschaften kann die beschallte Mörtelrezeptur hinsichtlich Fließmittelgehalt und Dauer der Wärmebehandlung optimiert werden. Somit werden ca. 30 % der Fließmittelzugabe und 40 % der Dauer der Wärmebehandlung eigespart. Eine Einbindung der PUS-Technik in das betrachtete Fertigteilwerk ist nach Überprüfung der konstruktiven Gegebenheiten der Fertigungsstrukturen ohne größeren Aufwand möglich. KW - Cement KW - Power Ultrasound KW - Acceleration KW - Tricalcium silicate Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170210-27446 SN - ISBN 978-3-00-055602-9 ER - TY - THES A1 - Schöler, Axel T1 - Hydration of multi-component cements containing clinker, slag, type-V fly ash and limestone N2 - Problemstellung und Zielsetzung 1. Die Herstellung von Portlandzementklinker trägt zu etwa 5 bis 8 % zur jährlichen Emissionsmenge an menschlich generiertem CO2 bei. Dies ist begründet in der Verwendung von fossilen Brennstoffen (ca. 40 % des gesamten CO2) und in der Entsäuerung des stark kalksteinhaltigen Rohmehls (ca. 60 % des gesamten CO2). 2. Verschiedene Strategien zur Verringerung des Ausstoßes an CO2 werden angewandt. Dies sind insbesondere die Optimierung der Prozessführung bei der Klinkerherstellung, die Verwendung alternativer Brennstoffe und die teilweise Substitution des Klinkeranteils in Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen durch Zementersatzstoffe, sogenannte SCM (supplementary cementitious materials), wobei Hüttensand, Flugasche und Kalksteinmehl die meist verwendeten Materialien darstellen. 3. Durch die Reduktion des Klinkeranteils können quaternäre Systeme nicht nur einen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten. Ebenfalls ist es mit derartigen Systemen möglich Hüttensande und Flugaschen möglichst ökonomisch einzusetzen und gegebenenfalls auf Engpässe bei deren Verfügbarkeit zu reagieren. 4. Hüttensande und Flugaschen zeigen Ähnlichkeiten in ihrer prinzipiellen chemischen Zusammensetzung, so dass ähnliche Hydratphasen während ihrer Reaktion in Anwesenheit von Portlandzement gebildet werden können. Im Vergleich zu ternären Systemen, die neben Kalkstein auch Hüttensand oder Flugasche enthalten, kann bei quaternären Zementen, die neben Kalkstein sowohl Hüttensand als auch Flugasche enthalten, eine ähnliche Phasenentwicklung und damit auch ähnliche Festigkeitsentwicklung erwartet werden. 5. Die Verwendung von SCM als Zementersatzstoff ist durch die im Vergleich zu Portlandzement deutlich langsamere Reaktion und die dadurch bedingte ebenfalls langsamere Festigkeitsentwicklung begrenzt. Dies betrifft insbesondere die Entwicklung innerhalb der ersten 28 Tage. Dementsprechend ist es unerlässlich die Reaktivität von SCM wie Hüttensanden und Flugaschen eingehend zu untersuchen um die Reaktionsfähigkeit- und Geschwindigkeit und somit die Festigkeitsentwicklung zu steigern. 6. Die frühe Reaktion der Hauptklinkerphasen ist weitgehend untersucht und beschrieben, wobei entsprechende Studien meist hochverdünnte Modellsysteme betrachten. Jedoch gibt es kaum Hinweise inwiefern diese Erkenntnisse auf konzentrierte Systeme bei realistischen Wasser-Feststoff Verhältnissen übertragen werden können. Entsprechende Untersuchungen sind nötig um die Wechselwirkungen von Portlandzement und SCM in der Frühphase der Reaktion zu beschreiben. Stand der Wissenschaft 7. In verdünnten Systemen führt steigender Ca-Gehalt zu einer niedrigeren Auflösungsrate von C3S und C2S. 8. Bestimmende Faktoren der Auflösung von C3S sind sowohl die Untersättigung bezüglich C3S als auch die Übersättigung in Bezug auf C-S-H. 9. Erhöhte Al-Konzentrationen führen zur Verzögerung der Hydratation von C3S. Dies kann begründet sein durch die Einbindung von Al in C-S-H und eine dadurch bedingte deutlich langsamere Wachstumsrate von C-(A)-S-H. Ebenfalls scheint ein verzögernder Effekt von Al auf die Auflösung von C3S möglich. 10. Die Oberfläche von Kalkstein bietet besonders gute Bedingungen für die Keimbildung von C-S-H, so dass im Vergleich zu anderen SCM in Anwesenheit von Kalkstein deutlich mehr C-S-H Keime gebildet werden. 11. Die Reaktivität von Hüttensand und Flugasche wird einerseits durch die Korngrösse, andererseits jedoch auch durch die intrinsische Reaktivität des amorphen Anteils selbst bestimmt. 12. In amorphen (Calcium)Aluminosilikaten führt ein steigender Gehalt an Netzwerkmodifizierern, wie z.B. CaO, zu einem stärker depolymerisierten Glasnetzwerk und damit zu steigender Reaktivität. Die Wirkung von amphoteren Oxiden (Al2O3, Fe2O3) die sowohl als Netzwerkmodifizierer als auch als Netzwerkbildner auftreten können ist nicht vollständig geklärt. 13. CO2 haltige Monophasen besitzen im Vergleich zu Monosulfoaluminat eine höhere thermodynamische Stabilität, wodurch Ettringit stabilisiert wird. Durch das hohe spezifische Volumen von Ettringit wird ein Maximum an Raumausfüllung, dadurch eine geringere Porosität und in Folge ein Maximum an Festigkeit erreicht. 14. Kalkstein reagiert nur in geringem Ausmaß entsprechend dem zur Reaktion vorhandenen Al2O3, wobei sich zunächst Hemicarboaluminat, später Monocarboaluminat bildet. Dabei wird Al2O3 nicht nur durch den Portlandzement selbst, sondern auch durch die Auflösung von SCM, insbesondere von Flugasche, zur Verfügung gestellt. Methodik 15. Der Einfluss von SCM auf die frühe Hydratation von Portlandzement in binären (d.h. Hüttensand oder Flugasche oder Quarz) und ternären (d.h. Flugasche und Kalkstein) Systemen wurde mittels isothermer Kalorimetrie und Porenlösungsanalysen untersucht. Über die chemische Zusammensetzung der Porenlösung ermittelte Sättigungsindices und Löslichkeitsprodukte wurden in Bezug zur Wärmeentwicklung gesetzt. Basierend auf den ermittelten Daten wurde evaluiert, inwiefern Mechanismen die die Hydratation von reinen Klinkerphasen in verdünnten Systemen bestimmen ebenfalls in Zementpasten unter realistischen Bedingungen maßgebend sind. 16. Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Reaktivität von Gläsern bei hohem pH (>13) wurde mittels Ionenchromatographie in hoch verdünnten Systemen untersucht. Puzzolanitätstests wurden an vereinfachten Modellsystemen sowie an Portlandzement-Glass-Systemen durchgeführt. Das Reaktionsverhalten der Gläser wurde über isotherme Kalorimetrie und thermogravimetrische Experimente untersucht. Über Massenbilanzkalkulationen kann der Gehalt an gebundenem Wasser in Funktion der Menge an reagiertem Glas berechnet werden. Ein Abgleich mit gebundenem Wasser bestimmt über thermogravimetrische Untersuchungen erlaubt es, den Reaktionsgrad der Gläser abzuschätzen. Zusätzliche Experimente mittels selektiver Lösung wurden zu Vergleichszwecken durchgeführt. 17. Die Reaktionskinetik von quaternären Pasten die sowohl Kalksteinmehl als auch Hüttensand und Flugasche enthalten wurden bis zum Alter von 28 Tagen mittels isothermer Kalorimetrie und Experimenten zum chemischen Schwinden untersucht. Ergänzend wurden Festigkeitsprüfungen an Mörtelprismen durchgeführt. 18. Quaternäre Pasten wurden ebenfalls hinsichtlich der gebildeten Hydratphasen bis zu einem Alter von 182 Tagen untersucht. Hierzu wurden basierend auf thermodynamischen Modellierungen volumetrische Berechnungen zum gesamten Phasenvolumen als Funktion des Kalkstein- und des Flugaschen- bzw. Hüttensandgehalts durchgeführt. Ergänzt durch thermogravimetrische Ermittlung des Gehalts an gebundenem Wasser und Portlandit, sowie mittels qualitativen röntgendiffraktometrischen Untersuchungen wurden die Ergebnisse der thermodynamischen Berechnungen mit der Festigkeitsentwicklung von Mörtelprismen abgeglichen. 19. Porenlösungen von quaternären Systemen wurden bis zu einem Alter von 728 Tagen mittels Ionenchromatographie und pH-Bestimmung analysiert. Über die ermittelten Konzentrationen wurden Sättigungsindices für relevante Phasen ermittelt. Im Hinblick auf den Einfluss des Hüttensandes wurden Porenlösungen für ausgewählte Systeme bei verschiedenen Hüttensandgehalten (20 und 30 M.%) bei 91 Tagen, sowie für die gesamten Matrix bis zu 91 Tagen, auf verschiedene Schwefelspecies untersucht. Im Wesentlichen erzielte Ergebnisse 20. Untersuchungen zur frühen Reaktionskinetik von binären Systemen zeigten einen stärkeren Wärmefluss in Anwesenheit von SCM, bedingt durch erhöhte für die Keimbildung zur Verfügung stehende Oberfläche sowie eine geringere (Über)Sättigung bezüglich C-S-H. Erhöhte Ca-Konzentrationen führten nicht zu langsamerer Auflösung von C3S, wie dies für reine Phasen bei hoher Verdünnung beobachtet wurde. Im Gegensatz zu Untersuchungen in Reinstsystemen führten höhere Ca-Konzentrationen nicht zu geringeren Reaktionsraten von C3S. Die schnellste Reaktion wurde bei Anwesenheit von Kalkstein, d.h. den höchsten Ca-Konzentrationen, beobachtet. Die grundsätzliche Reaktionscharakteristik zeigt einen inversen Bezug zur Untersättigung bezüglich C3S, wobei höhere Untersättigung zu schnellerer Reaktion führt. Wie ebenfalls in Reinstsystemen bei hoher Verdünnung beobachtet, führt die Anwesenheit von Aluminium zur Verzögerung der Reaktion. Höhere SO42–-Konzentrationen wurden in Anwesenheit von Flugasche beobachtet was die Ettringitausfällung verhinderte und zu höheren Al-Konzentrationen führt. Dieser Mechanismus führt zu höheren Al-Konzentrationen in Gegenwart von Quarz, Hüttensand und Kalkstein im Gegensatz zu Anwesenheit von Flugasche. 21. Die frühe Hydratation von quaternären Systemen wird in Anwesenheit von Kalkstein deutlich beschleunigt, während Flugasche zu einer Verzögerung führt. Im Gegensatz zu einem Referenzsystem mit inertem Quarz konnte mittels isothermer Kalorimetrie und chemischem Schwinden eine Reaktionsbeschleunigung in Anwesenheit von Hüttensand nachgewiesen werden. Weitere Zugaben an Flugasche, Kalkstein oder Mischungen von beiden führten zu einer weiteren Beschleunigung, wobei die Unterschiede zwischen diesen Materialien zu gering sind um eine klare Unterscheidung zu ermöglichen. 22. Bei allen zur Glasauflösung- bzw. Reaktivität durchgeführten Experimenten zeigten sich identische Trends, d.h. steigende Reaktivität und Auflösungsgeschwindigkeit mit steigendem Anteil an Netzwerkmodifizierern innerhalb der Glasstruktur. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Al2O3 in sämtlichen betrachteten Glaszusammensetzungen vorwiegend als Netzwerkmodifizierer vorliegt. Die thermogravimetrische Bestimmung von gebundenem Wasser bei den Modellsystemen und den glashaltigen Zementen kann über Massenbilanzberechnungen als Funktion des Anteils an reagiertem Glas zur Abschätzung des Glasreaktionsgrades verwendet werden. 23. Zu frühen Zeiten von bis zu 7 Tagen hat der Anteil an Hüttensand, Flugasche oder Kalkstein keinen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeitsentwicklung. Zu späteren Zeiten wurde über thermodynamische Berechnungen ein Reaktionsgrad des enthaltenen CaCO3 (Calcit) von 2 bis 5 M.% ermittelt. Dies führt zur Bildung von Hemicarboaluminat und Monocarboaluminat wodurch Ettringit indirekt stabilisiert wird. In Folge ergibt sich ein höheres absolutes Volumen der gebildeten Hydratphasen und damit höhere Festigkeiten wie Festigkeitsuntersuchungen an Mörtelprismen zeigen. Dabei hängt der Reaktionsgrad des CaCO3 vom verfügbaren Al2O3 ab, welches neben dem Portlandzement selbst auch durch die Reaktion von Hüttensand, im Besonderen aber durch die Auflösung der Flugasche zur Verfügung steht. 24. Allgemein hat die Anwesenheit von Hüttensand und Flugasche in Gegenwart von Kalkstein wenig Einfluss auf die gebildeten Hydratphasen. Die sukzessive Substitution von Hüttensand durch Flugasche führt zu einer geringen Abnahme von Portlandit und C-S-H und begünstigt die Bildung von mehr Monocarboaluminat und Hemicarboaluminat. Portlandit reagiert puzzolanisch mit der Flugasche wobei sich C-S-H bildet. Dennoch führt die geringe Reaktivität der Flugasche zu geringerem Gehalt an C-S-H was wiederrum sinkendes gesamtes Hydratphasenvolumen und damit niedrigere Festigkeitswerte generiert. Allerdings ist der Einfluss gering und alle untersuchten Systeme erreichen die Festigkeitsklasse 42.5 N entsprechend EN 196-1. 25. Analog zur Hydratphasenbildung zeigten Untersuchungen der Porenlösungschemie von quaternären Systemen durchweg ähnliche Ergebnisse. Entsprechend dem Gehalt an Flugasche sind die stärksten Variationen in den Al-Konzentrationen zu verzeichnen, welche mit steigendem Gehalt an Flugasche und mit fortschreitender Hydratation ansteigen. Weiterhin ist zu späteren Zeiten Portlandit bei hohen Gehalten an Flugasche zusehends untersättigt, während die Untersättigung bezüglich Strätlingit abnimmt, was auf die Auflösung von Portlandit hinweist. 26. Der absolute Gehalt an SO3 in der Porenlösung wird dominiert von Sulfat (SO42–), während die Konzentrationen von Sulfit (SO32–) und Thiosulfat (S2O32–) sehr niedrig waren. Nach 2 Tagen lagen ca. 90 % des gesamten Schwefels in Form von SO42– vor. Nach 91 Tagen waren dies ca. 36 % während ca. 28 % als S2O32– vorlagen. Bei höheren Gehalten an Hüttensand sind dabei nach 7 Tagen höhere Konzentrationen an SO32– und S2O32– feststellbar. N2 - Problem definition and research objectives 1. The production of Portland cement clinker causes approx. 5% to 8% of the annual man-made CO2 emissions. This is due to the usage of mainly fossil fuel (approx. 40 % of the total CO2) and because of the decarbonation of limestone as a main component of the raw meal (approx. 60 % of the total CO2). 2. Various strategies are applied in order to reduce the green-house gas-emissions, such as optimizing the process of clinker production, the use of alternative fuel and the partial substitution of the clinker in blended cement by so-called SCM (supplementary cementitious materials). Hereby blast-furnace slag, fly ash and limestone are the most used materials. 3. Quaternary systems containing three SCM simultaneously besides Portland cement contribute to the reduction of CO2 emissions due to the decrease of the clinker content. In addition, such systems allow to use blast-furnace slag and fly ash in the most economical way and provide the possibility to account for shortages of SCM on the market. 4. Blast-furnace slag and fly ash show similarities in their principal chemical compositions such that similar hydrates are formed during their reaction in presence of Portland cement. Compared to ternary systems based on blast-furnace slag or fly ash besides limestone, quaternary systems that contain both, blast-furnace slag and fly ash, simultaneously besides limestone, are expected to perform similar in terms of phase assemblage and strength development. 5. The use of SCM as cement replacing materials is limited due to their generally slower reaction compared to neat cement which also leads to lower strength development, especially in the early stage of the hydration up to 28 d. To account for this it is necessary to study the reactivity of SCM such as blast-furnace slag and fly ash in detail in order to develop strategies to enhance the reactivity and thereby the strength development of SCM-containing systems. 6. The early hydration of clinker phases is studied in detail, mainly in diluted systems. It is unclear if processes that were found to control the reaction of such model systems are also prevailing in concentrated cement pastes under realistic water-to-solid ratios. Deeper insight to this aspect is needed to better understand interactions of neat Portland cement and SCM in the first hours of hydration. State-of-the-art 7. Increasing Ca-concentrations lead to decreasing dissolution rates of C3S and C2S in diluted systems. 8. The hydration kinetics of C3S is controlled by the interplay of undersaturation with respect to C3S and oversaturation with respect to C-S-H. 9. Increasing Al-concentrations lead to a retardation of the hydration of C3S. It is unclear if the uptake of aluminum in C-S-H to form C-(A)-S-H which has a significantly lower growth rate than pure C-S-H or a retarding effect of Al on the dissolution of C3S causes this phenomenon. 10. The surface of limestone provides excellent conditions for the nucleation and growth of C-S-H such that significantly more C-S-H nuclei are formed in presence of limestone compared to other SCM. 11. The reactivity of blast-furnace slag and fly ash depends on the particle size as well as on the intrinsic reactivity of especially the amorphous phases. 12. An increase in network modifying oxides (e.g. CaO) in the chemical composition of amorphous (calcium)aluminosilicates leads to an increasingly depolymerized network which in turn causes increasing reactivity. The role of amphoteric oxides (Al2O3, Fe2O3) that can be present as network modifying oxides as well as network forming oxides is not completely solved. 13. CO2-containing AFm-phases are thermodynamically more stable than monosulfoaluminate. This indirectly stabilizes the voluminous ettringite which causes a higher total volume of hydrates and lower porosity whereby higher compressive strength is reached. 14. Only a few percent of limestone in blended cement reacts chemically dependent on the Al2O3 available for reaction. Al2O3 that is provided by the reaction of Portland cement but also by the dissolution of SCM, especially by fly ash, reacts to form hemicarboaluminate which is transformed to monocarboaluminate as the hydration proceeds. Methodology 15. The influence of SCM on the early hydration of Portland cement in binary (including blast-furnace slag or fly ash or limestone or quartz) and ternary (including fly ash and limestone) systems was investigated applying isothermal calorimetry and analysis of the pore solution chemistry. Calculated saturation indices and solubility products of relevant phases were correlated with heat development. Based on the gained data it was reviewed if mechanisms that control the hydration of pure phases in diluted systems are also prevailing in cement pastes under realistic conditions. 16. The influence of the chemical composition of synthetic glasses on their dissolution at high pH was investigated in highly diluted systems using ion chromatography. Pozzolanity tests were conducted on pastes using simplified model systems and glass-blended Portland cements. The process of the glass dissolution was investigated by isothermal calorimetry and by thermogravimetry. Correlation of experimentally determined total bound water with bound water determined by mass balance calculations as a function of amount of glass reacted allowed to estimate the degree of glass reaction in the pastes. Further on selective dissolution experiments were carried out to crosscheck the results of the bound water/mass balance approach. 17. The reaction kinetics of quaternary pastes containing blast-furnace slag and fly ash simultaneously in the presence of limestone were investigated up to 28 d using isothermal calorimetry and chemical shrinkage measurements. In addition strength tests on mortar bars were carried out. 18. Pastes of quaternary blends were also investigated in terms of hydrate assemblage at ages of up to 182 d. Thermodynamic calculations regarding total volume of hydrates as a function of limestone and fly ash/blast-furnace slag content were conducted. The calculations were supported by thermogravimetric determination of bound water and portlandite content as well as qualitative X-ray diffraction. The results were correlated with strength tests on mortar bars. 19. The pore solutions of hydrated quaternary blends were extracted and investigated by means of ion chromatography at ages of up to 728 d. Based on the ion concentrations in the solutions saturation indices were calculated for relevant phases. In order to gain better insight to the blast-furnace slag reaction sulphate speciation was carried out at two blast furnace slag levels (20 and 30 wt.%) for selected samples up to 91 d of hydration and at 91 d for the whole matrix under investigation. Main results 20. Investigations on the early hydration kinetics of binary systems showed a higher heat flow in presence of SCM compared to neat Portland cement. This is caused by the higher surface area that is available for the nucleation of hydrates and by the lower (over)saturation with respect to C-S-H. An increase in the Ca-concentration in the pore solution did not cause lower dissolution rates of C3S as was reported for pure phases in diluted systems. The highest dissolution was observed in the presence of limestone, i.e. at the highest Ca-concentration. The general trend of the reaction rate is inversely related to the degree of undersaturation with respect to C3S. The more undersaturated the faster the observed reaction. The presence of increasing Al-concentrations caused a retardation of the reaction which is in line with investigations on pure phases in diluted systems. Higher sulphate concentrations could be detected for the fly ash containing blend which possibly hindered ettringite precipitation and results in higher Al-concentrations. Correspondingly the low sulphate concentrations lead to lower Al-concentrations in the presence of quartz, blast-furnace slag and limestone compared to fly ash. 21. The early hydration kinetics of quaternary systems is significantly accelerated in the presence of limestone while fly ash leads to retardation. Compared to reference systems containing inert quartz, investigations by means of isothermal calorimetry and chemical shrinkage revealed an acceleration caused by blast-furnace slag. Additions of fly ash, limestone or mixtures thereof introduced another acceleration but differences are too small to be significant and clear distinguishing between the various SCM is not possible. 22. Investigations on the reactivity of synthetic glasses showed that increasing amounts of network modifying oxides caused an increase in reactivity and dissolution rates. The results reveal that Al2O3 acts mainly as network modifying oxide in all investigated glasses. Experimentally determined bound water (thermogravimetric experiments) in model systems and blended cements can be compared with bound water determined by mass balance calculations carried out as a function of the amount of glass reacted. This enables to estimate the degree of glass reaction. 23. The actual content of blast-furnace slag, fly ash or limestone does not exert significant influence on the development of compressive strength up to 7 d. At later ages thermodynamic calculations predict a degree of CaCO3 reaction of 2 to 5 wt.%. This leads to the formation of hemicarbonate and monocarbonate whereby ettringite is indirectly stabilized. As a result the total amount of solids is increased and compressive strength shows a slight maximum. Hereby the degree of CaCO3 reaction depends on the Al2O3 available for reaction which is not only provided by the dissolution of Portland cement but especially by the dissolution of the fly ash. 24. In general the presence of blast-furnace slag and fly ash in the presence of limestone exerts little influence on the hydrate assemblage. The substitution of some of the blast-furnace slag by fly ash leads to a slight decrease of portlandite and C-S-H and gives rise to the formation of more monocarbonate and hemicarbonate. Portlandite is consumed in a pozzolanic reaction with the fly ash whereby C-S-H is formed. However, the low reactivity of the fly ash causes a decrease in the amount of C-S-H formed. Thereby a lower total volume of hydrates is generated which is in line with slightly lower compressive strength in case of increasing fly ash content. The overall influence is small and all systems investigated reach strength class 42.5 N according to EN 196-1. 25. Corresponding to the investigations of the hydrate assemblage the pore solution chemistry of quaternary systems showed only small variations. Depending on the fly ash content the highest variations are observed for aluminium, i.e. increasing fly ash content leads to higher Al-concentrations. Another effect of increasing fly ash contents is an increasing undersaturation with respect to portlandite and a decreasing undersaturation with respect to strätlingite indicating the dissolution of portlandite. 26. The total concentration of sulfur in the pore solution is controlled by sulphate (SO42–) while the concentrations of sulphite (SO32–) and thiosulphate (S2O32–) were very low. Up to 2 d of hydration about 90 % of the total sulphur is present as SO42–. After 91 d this value is reduced to about 36 % while about 28 % are present as S2O32–. In general higher blast-furnace slag content leads to higher concentrations of sulphite and thiosulphate after 7 d. KW - quaternary cement KW - supplementary cementitious materials KW - hydration kinetics KW - Thermodynamic modeling KW - degree of reaction KW - Hydrauliche Bindemittel Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160705-26221 ER - TY - THES A1 - Link, Tim T1 - Entwicklung und Untersuchung von alternativen Dicalciumsilicat-Bindern auf der Basis von alpha-C2SH N2 - Um den Klimawandel zu begrenzen, müssen die CO2-Emissionen drastisch gesenkt werden [100]. Bis 2050 soll bei der Herstellung von Zement eine Einsparung um 51–60 % auf 0,425–0,350 tCO2/tZement erfolgen [7]. Um dieses Ziel zu erreichen, sind alternative Bindemittelkonzepte notwendig [70]. Diese Arbeit widmet sich alternativen, hochreaktiven Dicalciumsilicat-Bindemitteln, die durch die thermische Aktivierung von α-Dicalcium-Silicat-Hydrat (α-C2SH) erzeugt werden. Das α-C2SH ist eine kristalline C S H-Phase, die im hydrothermalen Prozess, beispielsweise aus Branntkalk und Quarz, herstellbar ist. Die thermische Aktivierung kann bei sehr niedrigen Temperaturen erfolgen (>420 °C) und führt zu einem Multiphasen-C2S-Binder. Als besonders reaktive Bestandteile können x-C2S und röntgenamorphe Anteile enthalten sein. Weiterhin können β C2S, γ C2S und Dellait (Ca6(SiO4)(Si2O7)(OH)2) entstehen. Im Rahmen der Arbeit wird zunächst der Stand des Wissens zur Polymorphie und Hydratation von C2S zusammengefasst. Es werden bekannte C2S-basierte Bindemittelkonzepte vorgestellt und bewertet. Die Herstellung von C2S-Bindern wird experimentell im Labormaßstab untersucht. Dabei kommen unterschiedliche Autoklaven und ein Muffelofen zum Einsatz. Die Herstellungsparameter werden hinsichtlich Phasenbestand und Reaktivität optimiert. Die Bindemittel werden durch quantitative Röntgen-Phasenanalyse (QXRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), N2-Adsorption (BET-Methode), Heliumpycnometer, Thermoanalyse (TGA/DSC) und 29Si-MAS- sowie 29Si-1H-CP/MAS-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Das Hydratationsverhalten der Bindemittel wird vorrangig mithilfe von Wärmeflusskalorimetrie untersucht. Weiterhin werden in situ und ex situ XRD-, TGA/DSC- und REM-Untersuchungen durchgeführt. Anhand von zwei Bindemitteln wird die Fähigkeit zur Erzielung hoher Festigkeiten demonstriert. Abschließend erfolgt eine Abschätzung zu Energiebedarf und CO2-Emissionen für die Herstellung der untersuchten C2S-Binder. Die Ergebnisse zeigen, dass für eine hohe Reaktivität der Binder eine niedrige Brenntemperatur und ein geringer Wasserdampfpartialdruck während der thermischen Aktivierung entscheidend sind. Weiterhin muss das hydrothermal hergestellte α-C2SH eine möglichst hohe spezifische Oberfläche aufweisen. Diese Parameter beeinflussen den Phasenbestand und die phasenspezifische Reaktivität. Brenntemperaturen von ca. 420–500 °C führen zu hochreaktiven Bindern, die im Rahmen dieser Arbeit als Niedertemperatur-C2S-Binder bezeichnet werden. Temperaturen von ca. 600–800 °C führen zu Bindern mit geringerer Reaktivität, die im Rahmen dieser Arbeit als Hochtemperatur-C2S bezeichnet werden. Höhere Brenntemperaturen (1000 °C) führen zu Bindemitteln, die innerhalb der ersten drei Tage keine hydraulische Aktivität zeigen. Die untersuchten Bindemittel können sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erreichen. Die Wärmeflusskalorimetrie deutet bei einigen Bindemitteln einen nahezu vollständigen Umsatz innerhalb von drei Tagen an. Durch XRD wurde für einen Binder der vollständige Verbrauch von x-C2S innerhalb von drei Tagen nachgewiesen. Für einen mittels in-situ-XRD und Wärmeflusskalorimetrie untersuchten Binder wurde gezeigt, dass die Phasen vorrangig in der Reihenfolge röntgenamorph > x-C2S > β-C2S > γ-C2S hydratisieren. Hydratationsprodukte sind nadelige C S H-Phasen und Portlandit. Die Herstellung durch thermische Aktivierung von α-C2SH führt zu tafeligen Bindemittelpartikeln, die teilweise Zwickelräume und Poren zwischen den einzelnen Partikeln einschließen. Um eine verarbeitbare Bindemittelpaste zu erzeugen, sind daher sehr hohe Wasser/Bindemittel-Werte (z. B. 1,4) erforderlich. Der Wasseranspruch kann durch Mahlung etwa auf das Niveau von Zement gesenkt werden. Die Druckfestigkeitsentwicklung wurde an zwei Niedertemperatur-C2S-Kompositbindern mit 40 % Kalksteinmehl bzw. 40 % Hüttensand untersucht. Aufgrund von theoretischen Betrachtungen zur Porosität in Abhängigkeit des w/b-Wertes wurde dieser auf 0,3 festgelegt. Durch Zugabe von PCE-Fließmittel wurde ein verarbeitbarer Mörtel erhalten. Die Festigkeitsentwicklung ist sehr schnell. Der Kalksteinmehl-Binder erreichte nach zwei Tagen 46 N/mm². Bis Tag 28 trat keine weitere Festigkeitssteigerung ein. Der Hüttensand-Binder erreichte nach zwei Tagen 62 N/mm². Durch die Hüttensandreaktion stieg die Festigkeit bis auf 85 N/mm² nach 28 Tagen an. Für den Herstellungsprozess von Niedertemperatur-C2S-Binder wurden Energieverbräuche und CO2-Emissionen abgeschätzt. Es deutet sich an, dass, bezogen auf die Bindemittelmenge, keine wesentlichen Einsparungen im Vergleich zur Portlandzementherstellung möglich sind. Für die tatsächlichen Emissionen muss jedoch zusätzlich die Leistungsfähigkeit der Bindemittel berücksichtigt werden. Die Leistungsfähigkeit kann als erforderliche Bindemittelmenge betrachtet werden, die je m³ Beton eingesetzt werden muss, um bestimmte Festigkeits-, Dauerhaftigkeits- und Verarbeitungseigenschaften zu erreichen. Aus verschiedenen Veröffentlichungen [94, 201, 206] wurde die These abgeleitet, dass die Leistungsfähigkeit eines Bindemittels maßgeblich von der C-S-H-Menge bestimmt wird, die während der Hydratation gebildet wird. Daher wird für NT-C2S-Binder eine außergewöhnlich hohe Leistungsfähigkeit erwartet. Auf Basis der Leistungsfähigkeitsthese verringern sich die abgeschätzten CO2-Emissionen von NT-C2S-Bindern, sodass gegenüber Portlandzement ein mögliches Einsparpotenzial von 42 % ermittelt wurde. KW - Belit KW - Zement KW - Hydratation KW - Calcinieren KW - Autoklav KW - alpha-C2SH KW - Hydrothermalsynthese KW - alternative Bindemittel KW - CO2 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20180205-37228 ER - TY - THES A1 - Voland, Katja T1 - Einfluss der Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion N2 - Der Dissertation liegt die Frage zugrunde, welchen Einfluss die Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden AKR hat. Insbesondere soll geklärt werden, ob der Einsatz von Gleitschalungsfertigern – anstelle von klassischen schienengeführten Betondeckenfertigern – und die damit verbundene verringerte Porosität der Betone den Ablauf einer schädigenden AKR begünstigt. Eine verringerte Porosität führt zu einer reduzierten Duktilität des Betons, so dass infolge AKR entstehende Zugspannungen schlechter abgebaut werden können. Weiterhin steht ein geringerer Expansionsraum für das entstehende AKR-Gel zur Verfügung. Diese Faktoren können den Ablauf einer AKR begünstigen. Allerdings können extern anstehende Alkalien schlechter in den Beton mit einer verringerten Porosität eindringen. Ferner wird die Diffusion der Alkalien zu den potenziell reaktiven Gesteinskörnungen verlangsamt. Zur Beantwortung der aufgeworfenen Frage wird unter Einsatz einer neuartigen Prüfmethodologie und bei variierender Porosität untersucht, welche Schädigungsparameter maßgebend für den Ablauf und die Intensität einer schädigenden AKR sind. Die berücksichtigten Schädigungsparameter sind die mechanischen Eigenschaften des Betons, der zur Verfügung stehende Expansionsraum und die im Beton ablaufenden Transportvorgänge. Um den Einfluss der jeweiligen Schädigungsparameter spezifizieren zu können, gehen die Prüfungen einerseits von einem hohen internen und andererseits von einem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial aus. In beiden Fällen erfolgen die Untersuchungen an langsam reagierenden alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen. Die unterschiedlichen Porositäten ergeben sich hauptsächlich durch Variation des w/z-Wertes. Bei dem hohen internen AKR-Schädigungspotenzial stehen die mechanischen Eigenschaften und der Expansionsraum im Vordergrund; außerdem ist der Einfluss der Zugabe eines LP-Bildners zu analysieren. Um ein hohes internes AKR-Schädigungspotenzial zu erreichen, kommt bei der Herstellung der Betonprobekörper ein Zement mit einem hohen Alkaligehalt zum Einsatz. Die Betonprobekörper werden der 40 °C-Nebelkammerlagerung und dem 60 °C-Betonversuch über Wasser unterzogen. Dabei findet eine neue Prüfmethodologie Anwendung, die der kontinuierlichen Messung der Dehnung und der ablaufenden Erhärtungs- und Rissbildungsprozesse dient. Diese Prüfmethodologie umfasst die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit, die Schallemissionsanalyse und die µ-3D-Computertomografie. Hingegen richtet sich der Fokus bei dem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial auf die Transportvorgänge. Zur Provokation eines hohen externen AKR-Schädigungspotenzials werden die Probekörper der FIB-Klimawechsellagerung ausgesetzt. N2 - This thesis deals with the question of how the porosity of concrete influences the process of a damaging alkali-silica-reaction (“ASR”). In particular, it is examined whether the use of slip form pavers and the reduced porosity resulting from this use have an effect on the process of a damaging ASR. A reduced porosity leads to a lower ductility of the concrete. Thus it is more difficult for the tensile stress to be reduced. Moreover, the space for the ASR gel to expand is reduced. These consequences promote the ASR. By contrast, the permeability of the concrete is lower. Hence, the penetration of external alkalis is reduced and the diffusion of the alkalis to the potentially reactive aggregate slowed down. An innovative non-destructive testing methodology is applied to answer this question. Based on variations of the porosity it is examined which damage parameters influence the process and intensity of a damaging ASR. The damaging parameters taken into consideration are the mechanical properties of the concrete, the expansion space and the transport processes within the concrete. In order to determine the influence of the relevant damaging parameters two categories of tests are conducted: one category is based on a high internal potential for damages due to ASR, the other one on a high external potential. In both cases alkali-reactive slow/late aggregates are tested. The different porosities of the concrete mainly result from a variation of the w/c-ratio. In case of a high internal potential for ASR-damages the mechanical properties and the expansion space play the most important role. Furthermore; the influence of an air-entraining agent on the process of a damaging ASR is taken into account. The high internal potential for ASR-damages is provoked by the use of cement with a high amount of alkalises for the production of the concrete samples. These samples are stored in the 40 °C fog chamber storage and the 60 °C concrete prisms test. On the one hand the expansion and the change in mass as well as the eigenfrequency are measured discon-tinuously in the conventional way. On the other hand the innovative testing methodology applied to these ASR-provoked stored concrete samples serves to continuously measure the expansion and the hardening as well as crack formation processes. This methodology comprises a determination of the ultrasonic velocity and of acoustic emissions as well as 3-dimensional micro X-ray computed tomography (µ-3D-CT). The high external potential for ASR-damages is provoked by the cyclic climate storage, designed by FIB. The analysis of these concretes focuses on transportation processes. KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion KW - Beton KW - Porosität KW - Auslaugung KW - Natriumchlorid KW - FIB-Klimawechsellagerung KW - 40 °C Nebelkammer KW - 60 °C-Betonversuch über Wasser KW - Schallemissionsanalyse KW - µ-3D Computertomografie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160418-25598 ER - TY - THES A1 - Giebson, Colin T1 - Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Beton für Fahrbahndecken und Flugbetriebsflächen unter Einwirkung alkalihaltiger Enteisungsmittel N2 - Das Hauptziel der Arbeit war es zu klären, ob alkalihaltige Enteisungsmittel eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) auslösen und/oder beschleunigen können und was die dabei ggf. zugrunde liegenden Mechanismen sind. Die Untersuchungen dazu ergaben, dass die auf Verkehrsflächen eingesetzten alkalihaltigen Enteisungsmittel auf Basis von Natriumchlorid (Fahrbahndecken) bzw. auf Basis der Alkaliacetate und -formiate (Flugbetriebsflächen) den Ablauf einer AKR in Betonen mit alkalireaktiven Gesteinskörnungen auslösen und mitunter stark beschleunigen können. Dabei nimmt die AKR-fördernde Wirkung der Enteisungsmittel in der Reihenfolge Natriumchlorid - Alkaliacetate - Alkaliformiate erheblich zu. Es zeigte sich, dass im Fall der Alkaliacetate und -formiate nicht allein die Zufuhr von Alkalien von Bedeutung ist, sondern dass es außerdem zu einer Freisetzung von OH-Ionen aus dem Portlandit und folglich zu einem Anstieg des pH-Wertes in der Porenlösung kommt. Dadurch wird der Angriff auf alkalireaktives SiO2 in Gesteinskörnungen verstärkt und der Ablauf einer AKR beschleunigt. Unter äußerer NaCl-Zufuhr kommt es hingegen nicht zu einem Anstieg des pH-Wertes, was der Grund für die weniger stark AKR-fördernde Wirkung von NaCl ist. Von Bedeutung sind hier die zugeführten Na-Ionen und offenbar ein sich andeutender, direkter Einfluss von NaCl auf das SiO2-Löseverhalten. Sind pH-Wert und Na-Konzentration in der Porenlösung ausreichend hoch, wird sich thermodynamisch bedingt AKR-Gel bilden. Die Bildung von FRIEDEL’schem Salz ist dabei nur eine Begleiterscheinung, aber keine Voraussetzung für den Ablauf einer AKR unter äußerer NaCl-Zufuhr. Es zeigte sich weiter, dass sich mit der FIB-Klimawechsellagerung als Performance-Prüfung das AKR-Schädigungspotential von Betonen für Fahrbahndecken und Flugbetriebsflächen zuverlässig beurteilen lässt. Die Vorteile der FIB-Klimawechsellagerung liegen in der Prüfung kompletter, projektspezifischer Betonzusammensetzungen unter Beachtung aller praxisrelevanten klimatischen Einwirkungen und vor allem in der Berücksichtigung einer äußeren Alkalizufuhr. Innerhalb von 36 Wochen kann das AKR-Schädigungspotential einer Betonzusammensetzung für eine Nutzungsdauer von 20-30 Jahren in der Praxis sicher beurteilt werden. N2 - The primary objective of this thesis was to elucidate whether alkali-containing deicers are able to trigger and/or to accelerate an alkali-silica reaction (ASR) in concrete and, if so, what the reaction mechanisms are. The investigations showed that alkali-containing deicers used for highway (sodium chloride) and airfield (alkali acetates/formates) pavements are able to trigger and highly accelerate ASR in concrete with alkali-reactive aggregates. The aggressiveness of the deicers increases in the order sodium chloride – alkali acetates – alkali formates. The results indicate that in case of the alkali acetates and formates it is not just an issue of the alkalis but also of an additional release of OH-ions from portlandite, resulting in an increase of the pH in the concrete pore solution. Hence, the attack on silica in alkali-reactive aggregates is intensified and the ASR can be highly accelerated. For sodium chloride, however, it was evident that there is not an increase of the pH what is the decisive reason for its less severe impact on the ASR. Vitally important is the excess supply of Na-ions together with clear indications that sodium chloride is able to influence the dissolution behaviour of silica directly. Thermodynamically driven, ASR-gel will form if the pH and the Na-concentration are sufficiently high. The formation of chloroaluminates like FRIEDEL’s salt is thus rather an accompanying than a required reaction for an ASR. It could be shown furthermore that the cyclic climate storage as a performance test is able to assess the ASR potential of concrete mixtures for highway and airfield pavements reliably. The advantages of the cyclic climate storage are to test project specific concrete compositions, i.e. job mixtures, under extensively realistic conditions, including the impact of alkali-containing deicers. Within 36 weeks, it is possible to safely predict the ASR potential of the mixtures for a service life of 20-30 years. KW - Beton KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion; Fahrbahndecken; Flugbetriebsflächen; äußere Alkalizufuhr; Enteisungsmittel; Natriumchlorid; Alkaliacetate; Alkaliformiate; AKR-Performance-Prüfung; FIB-Klimawechsellagerung KW - alkali-silica reaction; pavements; external alkalis; deicer; sodium chloride; alkali acetates; alkali formates; ASR performance test; cyclic climate storage Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20131217-20916 SN - 978-3-00-044366-4 (Druckversion) ER - TY - JOUR A1 - Schuch, Kai T1 - Theoretische Grundlagen zum Aggregationsprozess von Wassergläsern im Hinblick auf silikatische Beschichtungen JF - Steuerung des Aggregationsprozesses in wässrigen Alkalisilikatsolen durch spezielle Gelinitiatoren und moderate Wärmebehandlung zum Aufbau einer stabilen Silikatbeschichtung N2 - Der Artikel beinhaltet den theoretischen Teil und die Ergebnisse der Dissertation von Kai Schuch, Bauhaus Universität Weimar, Nov. 2014 KW - Alkalisilikatsol KW - Wasserglas KW - Silicate KW - Gel KW - Aggregationsprozess KW - Wasserglas KW - Gelbildung KW - Alkalisilikat KW - Silikat Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160113-24971 ER - TY - JOUR A1 - Kaps, Christian A1 - Schuch, Kai A1 - Stäblein, Stefan T1 - Silicate coatings for concrete components with waterglass systems by means of neutral salt initiation N2 - The objective of the investigations was the proof of the use of the neutral salt initiation as a construction material in the protecting silicate coating of concrete components, e.g. factory finished parts or reinforced concrete construction parts, by means of waterglass fused silica suspensions KW - Silicate KW - Coating KW - Wasserglas KW - Aggregation KW - Bindemittel KW - Waterglass KW - Alkalisilicate KW - Coating KW - Wasserglas KW - Sol-Gel Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160601-25888 SP - 1 EP - 14 ER - TY - THES A1 - Mansfeld, Thomas T1 - Das Quellverhalten von Alkalisilikatgelen unter Beachtung ihrer Zusammensetzung T1 - The swelling behaviour of alkali silicate gels considering their composition N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden über verschiedene Herstellungsverfahren 48 Gelproben erzeugt und auf ihr Quellverhalten untersucht. Dabei wurde eine Wiederholbarkeit der Messungen mit anderen Bearbeitern überprüft und nachgewiesen. Es zeigt sich in den Quellversuchen, dass hohe Alkaligehalte in den Gelproben bei einer niedrigen Löslichkeit (durch geringe Mengen Calcium in der Probe hervorgerufen) hohe Quelldrücke erzeugen. Ein Einfluss des Natrium-Kalium-Verhältnisses (Alkaliverhältnis) auf das Quellverhalten der Gelproben ist nicht zu erkennen. Der Einfluss des Calciums im Gel zeichnet sich deutlich ab, ohne Calcium bauen die Proben keine Quelldrücke auf, bei zu hohen Calciumgehalten entstehen nicht quellfähige Alkali-Calcium-Silikat-Hydrate. Ein quellfähiger Bereich kann von ca. 5 % bis zu ca. 30 % Calciumanteil im Gel angegeben werden. Neben dem Einfluss des Calciumgehaltes auf das Quellverhalten der Gele ist auch ein Einfluss des Alkali-Silika-Verhältnisses in den Proben nachweisbar. Wird dieses Verhältnis in den Proben stark Richtung Kieselsäure verschoben, d. h. niedrige Alkalianteile im Gel, kommt es zu keinen Quellerscheinungen. Somit kann die Wirkung von AKR-vermeidenden Zusätzen (FA, Silika usw.) mit diesen Messungen bestätigt werden. Es kann gezeigt werden, dass die ermittelten Quelldrücke eines Alkalikiesel-Gels ein Gesteinskorn oder/und die umgebende Matrix zerstören können. Aus diesen oben genannten Erkenntnissen wird ein Bereich einer quellfähigen Zusammensetzung eines Gels in einem Dreistoffdiagramm angegeben und es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: •Ein Quelldruck kann in einem AK-Gel nur bei einer bestimmten Menge an eingebautem Calcium aufgebaut werden. •Diese Quelldrücke können deutlich Werte über 10 N/mm² erreichen. •Die im Beton verwendeten Gesteinskörnungen und auch die sie umschließende Mörtelmatrix können mit Quelldrücken in den hier bestimmten Größenordnungen zerstört werden. •Die bekannten Modelle zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion müssen um den Einbau des Calciums in ein entstandenes AK-Gel erweitert werden. N2 - In the context of this work over different manufacturing processes 48 gel samples were produced and examined for their swelling behaviour. A repeatability of the measurements with other editors was examined and proven. It shows up in the swelling tests that high alkali contents in the gel samples produce high swelling pressures. An influence of the sodium potassium relationship (alkali relationship) on the swelling behaviour of the gel samples is not to be recognized. The influence of the calcium in the gel appears clearly, without calcium develops the samples no swelling pressures, with to high calcium contents develops not swelling alkali calcium silicate hydrates. A swelling range can be indicated from approx 5% to approx 30% calcium content in the gel. Apart from the influence of the calcium content on the swelling behaviour of the gels also an influence of the alkali Silika relationship is in the samples provable. If this relationship in the samples is shifted strongly direction silicic acid, i.e. low alkali portions in the gel, it comes to no swelling pressure. Thus the effect of ASR avoiding additives (fly asch, silica etc.) with these measurements can be confirmed. It can be shown that the determined swelling pressures of an alkali silicate gel can destroy a rock grain and/or the surrounding matrix. From these realizations specified above a range of a pourable composition of a gel will be able to do it indicated in a three material diagram and the following conclusions to be pulled: •A swelling pressure can be developed in a alkali silcate gel only with a certain quantity of inserted calcium. •These swelling pressures can reach values over 10 N/mm². •The rock granulations used in the concrete and also the mortar matrix enclosing them can be destroyed with swelling pressures in the orders of magnitude determined here. •The well-known models for alkali silicic acid reaction must be extended by the installation of the calcium into a developed Alkali silcate gel. KW - Alkalilösliche Kieselsäure KW - Beton KW - Quellen KW - Quelldruck KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion KW - Alkali-Kieselsäure-Gel KW - alkali silicate gels KW - swelling KW - alkali silicate reaction Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20090106-14572 ER - TY - THES A1 - Eberhardt, Arnd Bernd T1 - On the mechanisms of shrinkage reducing admixtures in self con-solidating mortars and concretes N2 - 'Zur Wirkungsweise schwindreduzierender Zusatzmittel in selbstverdichtenden Mörteln und Betonen' Problemstellung und Zielsetzung 1. Der Einsatz selbstverdichtender Mörtel und Betone im Bauwesen erbringt klare Vorteile. Dies sind im Wesentlichen eine erhöhte Betonierleistung, verbesserte Betonierqualität für bewehrten Beton im Allgemeinen und für filigrane, eng bewehrte Bauteile im Besonderen. Die mit den traditionellen Methoden des Betonbaus verbundenen Lärmemissionen werden erheblich reduziert. Der Wegfall der für herkömmlichen Beton notwendigen Verdichtungsarbeit reduziert den manuellen Aufwand und die damit verbundenen Gesundheitsrisiken. Das im selbstverdichtenden Beton benötigte hohe Bindemittelleimvolumen ist der Betondauerhaftigkeit abträglich. Es bewirkt, dass selbstverdichtende Betone ein erhöhtes Schwindmaß sowie eine höhere Rissneigung aufweisen. Ersteres kann für Betonbauteile zu erheblichen Verformungen oder Zwangsspannungen führen, während Letzteres die Dauerhaftigkeit des Baustoffes Beton aufgrund einer Begünstigung rissinduzierter Schädigungsmechanismen stark beeinträchtigt. 2. Herkömmliche Methoden zur Schwindreduktion und Rissvermeidung verfolgen hauptsächlich das Ziel, die im Beton einzusetzenden Bindemittelmengen zu reduzieren. Für selbstverdichtende Betone ist dieses Konzept nur sehr begrenzt anwendbar, da die Selbstverdichtung dieser Betone relativ hohe Bindemittelleimvolumen erfordert. Eine Möglichkeit das Ausmaß des Schwindens und damit die Rissanfälligkeit selbstverdichtender Betone zu senken, besteht in der Anwendung schwindreduzierender Betonzusatzmittel. Eingeführt in den achtziger Jahren des 20ten Jahrhunderts in Japan, erweisen sich diese Zusatzmittel als effiziente Methode zur Verbesserung der Qualität bindemittelreicher Hochleistungsbetone im Allgemeinen und selbstverdichtender Betone im Besonderen. 3. Während die Wirksamkeit schwindreduzierender Betonzusatzmittel in zahlreichen anwendungsorientierten Studien nachgewiesen werden konnte, ist das Wirkprinzip nur unzureichend erforscht. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist deshalb die gründliche Erforschung des Wirkmechanismus schwindreduzierender Betonzusatzmittel. 4. Weiterhin besteht Unklarheit, wie diese Zusätze in den Chemismus der Zementhydratation eingreifen und ob dies der allgemeinen Dauerhaftigkeit des Baustoffes Beton abträglich ist. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit ist deshalb die gründliche Erforschung der Zementhydratation in Gegenwart einer repräsentativen Auswahl verschiedener Typen schwindreduzierender Betonzusatzmittel. 5. Die Nachhaltigkeit der Anwendung schwindreduzierender Zusatzmittel ist bedeutend für die Betondauerhaftigkeit. Ob schwindreduzierende Zusatzmittel auslaugbar sind und ob eine Auslaugung die Schwindreduktion langfristig beeinträchtigt, sind weitere Fragen, denen im Rahmen dieser Arbeit nachgegangen wird. Stand der Wissenschaft 6. Schwinden und Quellen von zementären Baustoffen wird im Allgemeinen mittels makroskopisch-thermodynamischer Ansätze beschrieben. Der stark vereinfachte Ansatz kapillaren Unterdrucks bzw. hydrostatischen Drucks als treibende Kraft für hygrische Verformungen wird weitgehend abgelehnt. Vielmehr wird im Bereich moderater Luftfeuchten der Spaltdruck und im Bereich niedriger Luftfeuchten die Oberflächenenergie zur Beschreibung der hygrischen Volumenstabilität herangezogen. 7. Schwindreduzierende Betonzusatzmittel bestehen überwiegend aus synergistischen Abmischungen nicht-ionischer Tenside mit Glykolen. Die amphiphilen Eigenschaften der nicht-ionischen Tenside führen zu einer Senkung der Oberflächenspannung des Zementporenwassers. In Abhängigkeit ihrer Konzentration in wässrigen Elektrolyten bilden nicht-ionische Tenside Mizellen und/oder Flüssigkristalle. Beobachtet wurden Mischungslücken und Aussalzungen dieser organischen, oberflächenaktiven Substanzen. Durch die Zugabe von Glykolen wird die Mischbarkeit nicht-ionischer Tenside mit wässrigen Elektrolyten stark erhöht und führt zu einer Absenkung der Bildung von Flüssigkristallen und organischen Aussalzungen sowie zu einer verminderten Adsorption des Tensides an Feststoffoberflächen. Der ausschließlich in der Patentliteratur erwähnte Synergieeffekt bei der Abmischung nicht-ionischer Tenside mit Glykolen zu Schwindreduzierern bezieht sich auf eine erhöhte Schwindreduktionskapazität des Zusatzmittels und beruht auf der Abmilderung aller Effekte, die zu einer Abscheidung des Tensides aus der wässrigen Lösung führen. 8. Eine Implementierung der spezifischen chemisch-physikalischen Eigenschaften schwind-reduzierender Zusatzmittel in bestehende Modelle zur Beschreibung des Trocknungsschwindens ist der Fachliteratur nicht zu entnehmen. Mit Ausnahme des Kapillardruckmodells zur Vorhersage des Trocknungsschwindens lassen sich Charakteristika schwindreduzierender Betonzusatzmittel, im Speziellen ihrer Oberflächenaktivität, nicht bzw. nur unzureichend in bestehende Modelle zum Trocknungsschwinden implementieren. Methodik 9. Die Oberflächenaktivität einer repräsentativen Auswahl an Schwindreduzierern wurde in makroskopischen Versuchen an synthetischen als auch an extrahierten Zementporenwässern quantifiziert. Dies umfasste auch die Quantifizierung von Mischungslücken und organischen Aussalzungen. 10. Ein in dieser Arbeit entwickelter theoretischer Ansatz zur Auswertung herkömmlicher Messungen der Oberflächenspannung erlaubt eine Abschätzung der Oberflächenspannung der Porenlösung im trocknenden, zementären Porensystem. 11. Der Einfluss schwindreduzierender Zusatzmittel auf den Hydratationsmechanismus, d.h. Hydratphasenbestand und Hydratationskinetik, wurde mittels Thermogravimetrie, Röntgenphasenanalyse bzw. isothermer Wärmeleitungskalorimetrie erfasst. Zusätzlich wurde Elektronenmikroskopie zur Beschreibung der Mikrostrukturen und energiedispersive Röntgenspektroskopie zur qualitativen Bestimmung von niedrig konzentrierten Hydratphasen eingesetzt. Die Veränderungen der Komposition des Zementporenwassers in Gegenwart schwindreduzierender Zusatzmittel wurden analysiert. Die spezifische Adsorption schwindreduzierender Zusatzmittel an Zementhydraten wurde an hydratisierendem Zement als auch an synthetischen Hydratphasen untersucht. 12. Der Mechanismus der Auslaugung schwindreduzierender Zusatzmittel wurde in Standtests untersucht, während praxisnahe Konditionen mittels zyklischer Auslaugung und Trocknung in Langzeittests simuliert wurden. 13. Die Beschreibung der hygrischen Eigenschaften von Zementstein und Mörteln erfolgte anhand von Schwind- und Desorptionsisothermen. Basierend auf thermodynamischen Ansätzen wurden unter Verwendung dieser Schwind- und Desorptionsisothermen Energiebilanzen erstellt, die eine Unterscheidung zwischen Verformungsenergie und Energie zur Erzeugung von Oberfläche im Trocknungsprozess zementärer Baustoffe zulassen und somit eine Abgrenzung der Einflussnahme von Schwindreduzierern auf diese spezifische Energieverteilung ermöglichen. Im Wesentlichen erzielte Ergebnisse 14. Schwindreduzierende Betonzusatzmittel nehmen aufgrund ihrer amphiphilen Eigenschaften Einfluss auf den Hydratationsmechanismus von Portlandzementen. In Gegenwart dieser Zusatzmittel ist die Löslichkeit für anorganische Salze verringert. Die Konzentration von Calcium-, Kalium- und Sulfationen sinkt mit zunehmender Konzentration des Zusatzmittels. Während der Induktionsperiode der Portlandzementhydratation führt dies zur temporären Ausfällung von Calcium-Kalium-Sulfathydrat. Eine Veränderung des Hydratphasenbestandes in Gegenwart von schwindreduzierenden Zusatzmitteln kann nicht signifikant unterschieden werden. Somit sind nachteilige Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit derartig modifizierter Betone aufgrund eines veränderten Hydratphasenbestandes nicht zu erwarten. 15. Die stark verzögernde Wirkung von Schwindreduzierern in Kombination mit polycarboxylat-basierten Fließmitteln beruht nicht auf der Adsorption des Schwindreduzierers am hydratisierenden Klinker. Vielmehr kann davon ausgegangen werden, dass die verminderte Löslichkeit für Salze in der Porenlösung den Reaktionsumsatz absenkt und/oder eine spezifische Adsorption des nicht-ionischen Tensides an Portlanditkeimen deren Wachstum hemmt und damit die Auflösung von silikatischen Klinkerphasen. 16. Schwindreduzierende Zusatzmittel weisen eine spezifische Adsorption an Portlandit auf, einem Nebenprodukt der Hydratationsreaktionen eines Hauptbestandteils von Portlandzement. Ein verstärktes Kristallwachstum von Portlandit in lateraler Dimension führt zu einer Zunahme der spezifischen Oberfläche des hydratisierten Zementsteines. Für nass nachbehandelte Zementsteine bedeutet dies eine Zunahme der Gelporosität auf Kosten der Kapillarporosität. Eine Einflussnahme auf die Gesamtporosität lässt sich nicht feststellen. 17. Die Zunahme der spezifischen Oberfläche von Zementstein in Gegenwart von Schwindreduzierern bewirkt eine verstärkte physikalische Adsorption von Zementporenwasser am Feststoff. Für Betone mit niedrigem w/z-Wert oder unzureichender Nachbehandlung kann dieser Prozess zu einer Reduktion des für die Hydratation verfügbaren Wassers führen und in einem vermindertem Hydratationsgrad resultieren. Dies könnte eine Ursache für die in der Literatur beschriebenen Einbußen bezüglich mechanischer Eigenschaften beim Einsatz von Schwindreduzieren sein. 18. Schwindreduzierer sind im hohen Maße auslaugbar. Jedoch zeigen zyklische Langzeittests, dass ein signifikanter Austrag des Zusatzmittels in vorwiegend trockener Exposition nicht zu erwarten ist. Die Nachhaltigkeit des Einsatzes dieser Zusatzmittel ist gegeben, wenn die Anwendung im Beton das Ziel der Reduktion des Trocknungsschwindens verfolgt. 19. Die schwindreduzierende Wirkung der nicht-ionischen Tenside beruht vorwiegend auf der Reduktion der Oberflächenspannung der Grenzfläche „flüssig/gasförmig“ des trocknenden Zementsteines. Inwieweit diese Oberflächenspannung durch das nicht-ionischeTensid herabgesetzt wird, ist von der Gesamtkonzentration im Allgemeinen und im Speziellen von der Konzentration des Tensides in der Oberfläche abhängig. Da im Zuge des Trocknens diese Grenzfläche wächst, kann bei gegebener Gesamtkonzentration des Zusatzmittels im Beton dessen Konzentration in der Grenzfläche sinken, woraufhin die Oberflächenspannung ansteigt und die Schwindreduktion sinkt. 20. Im Ergebnis dieser Arbeit ist es möglich, die Entwicklung sowohl der Oberfläche als auch ihrer Oberflächenspannung im Trocknungsprozess zu quantifizieren und diese Ergebnisse in einen einfachen konzeptionellen, thermodynamischen Ansatz zur Minimierung der freien Energie des trocknenden, zementären Porensystems zu überführen. Die Verwendung dieses konzeptionellen Ansatzes erlaubt es, den Wirkmechanismus schwindreduzierender Betonzusatzmittel zu beschreiben. N2 - Self Consolidating Concrete – a dream has come true!(?) Self Consolidating Concrete (SCC) is mainly characterised by its special rheological properties. With-out any vibration this concrete can be placed and compacted under its own weight, without segrega-tion or bleeding. The use of such concrete can increase the productivity on construction sites and en-able the use of a higher degree of well distributed reinforcement for thin walled structural members. This new technology also reduces health risks since in contrast to the traditional handling of concrete, the emission of noise and vibration are substantially decreased. The specific mix design for self consolidating concretes was introduced around the 1980s in Japan. In comparison to normal vibrated concrete an increased paste volume enables a good distribution of aggregates within the paste matrix, minimising the influence of aggregates friction on the concrete flow property. The introduction of inert and/or pozzolanic additives as part of the paste provides the required excess paste volume without using disproportionally high amounts of plain cement. Due to further developments of concrete admixtures such as superplasticizers, the cement paste can gain self levelling properties without causing segregation of aggregates. Whereas SCC differs from normal vibrated concrete in its fresh attributes, it should reach similar properties in the hardened state. Due to the increased paste volume it usually shows higher shrinkage. Furthermore, owing to strength requirements, SCC is often produced at low water to cement ratios and hence may additionally suffer from autogenous shrinkage. This means that cracking caused by drying or autogenous shrinkage is a real risk for SCC and can compromise its durability as cracks may serve as ingression paths for gases and salts or might permit leaching. For the time being SCC still exhibits increased shrinkage and cracking probability and hence may be discarded in many practical applications. This can be overcome by a better understanding of those mechanisms and the ways to mitigate them. It is a target of this thesis to contribute to this. How to cope with increased shrinkage of SCC? In general, engineers are facing severe problems related to shrinkage and cracking. Even for normal and high performance concrete, containing moderate amounts of binder, a lot of effort was put on counteracting shrinkage and avoiding cracking. For the time being these efforts resulted in the knowledge of how to distribute cracks rather to avoid them. The most efficient way to decrease shrinkage turned out to be to decrease the cement content of concrete down to a minimum but still sufficient amount. For SCC this obviously seems to be contradictory with the requirement of a high paste volume. Indeed, the potential for shrinkage reduction is limited to some small range modifications in the mix design following two major concepts. The first one is the reduction of the required paste volume by optimising the aggregate grading curve. The second one involves high volume substitution of cement, preferentially using inert mineral additives. The optimization of grading curves is limited by several severe practical issues. Problems start with the availability of sufficiently fractionated aggregates. Usually attempts fail because of the enormous effort in composing application-optimized grading curves or mix designs. Due to durability reasons, the substitution rate for cement is limited depending on the application purpose and on environmental exposure of the hardened concrete. In the early 1980s Shrinkage Reducing Admixtures (SRA) were introduced to counteract drying shrinkage of concrete. The first publications explicitly dealing with SRA go back to Goto and Sato (Japan). They were published in 1983, which is also the time when the SCC concept was introduced. SRA modified concretes showed a substantial reduction of free drying shrinkage contributing to crack prevention or at least a significant decrease of crack width in situations of restrained drying shrinkage. Will shrinkage reducing admixtures contribute to a broader application of SCC? Within the last three decades performance tests on several types of concrete proved the efficiency of shrinkage reducing admixtures. So, at least in terms of shrinkage and cracking, concretes in general and SCC in particular can benefit from SRA application. But "One man's meat is another man's poison" and with respect to long term performance of SRA modified concretes there are still several issues to be clarified. One of these concerns the impact of SRAs on cement hydration. It is therefore an issue to know if changes in the hydrated phase composition, induced by SRA, result in undesired properties or decreased durability. Another issue is that the long term shrinkage reduction has to be evaluated. For example, one can wonder if SRA leaching may diminish or even eliminate long term shrinkage reduction and if the release of admixtures could be a severe environmental issue. It should also be noted that the basic mechanism or physical impact of SRA as well as its implementation in recent models for shrinkage of concrete is still being discussed. The present thesis tries to shed light on the role of SRA in self consolidating concrete focusing on the three questions outlined above: basic mechanisms of cement hydration, physical impact on shrinkage and the sustainability of SRA-application. Which contributions result from this study? Based on an extensive patent search, commercial SRAs could be identified to be synergistic mixtures of non-ionic surfactants and glycols. This turns out to be most important information for more than one reason and is the subject of chapter 4. An abundant literature focuses on properties of these non-ionic surfactants. Moreover, from this rich pool of information, the behaviour of SRAs and their interactions in cementitious systems were better understood through this thesis. For example, it could be anticipated how SRAs behave in strong electrolytes and how surface activity, i.e. surface tension, and interparticle forces might be affected. The synergy effect regarding enhanced performance induced by the presence of additional glycol in SRAs could be derived from the literature on the co-surfactant nature of glycols. Generally it now can be said that glycols ensure that the non-ionic surfactant is properly distributed onto the paste interfaces to efficiently reduce surface tension. In literature, the impact of organic matter on cement hydration was extensively studied for other admixtures like superplasticizer. From there, main impact factors related to the nature of these molecules could be identified. In addition, here again, the literature on non-ionic surfactants provides sufficient information to anticipate possible interactions of SRA with cement hydration based on the nature of non-ionic surfactants. All in all, the extensive study on the nature of non-ionic surfactants, presented in chapter 4, provides fundamental understanding of the behaviour of SRAs in cement paste. Taking a step further to relate this to the impact on drying and shrinkage required to review recent models for drying and shrinkage of cement paste as presented in chapter 3. There, it is shown that macroscopic thermodynamics of the open pore systems can be successfully applied to predict drying induced deformation, but that surface activity of SRA still has to be implemented to explain the shrinkage reduction it causes. Because of severe issues concerning the importance of capillary pressure on shrinkage, a new macroscopic thermodynamic model was derived in a way that meets requirements to properly incorporate surface activity of SRA. This is the subject of chapter 5. Based on theoretical considerations, in chapter 5 the broader impact of SRA on drying cementitious matter could be outlined. In a next step, cement paste was treated as a deformable, open drying pore system. Thereby, the drying phenomena of SRA modified mortars and concrete observed by other authors could be retrieved. This phenomenological consistency of the model constitutes an important contribution towards the understanding of SRA mechanisms. Another main contribution of this work came from introducing an artificial pore system, denominated the normcube. Using this model system, it could be shown how the evolution of interfacial area and its properties interact in presence of SRAs and how this impacts drying characteristics. In chapter 7, the surface activity of commercial SRAs in aqueous solution and synthetic pore solution was investigated. This shows how the electrolyte concentration of synthetic pore solution impacts the phase behaviour of SRA and conversely, how the presence of SRA impacts the aqueous electrolyte solution. Whilst electrolytes enhance self-aggregation of SRAs into micelles and liquid crystals, the presence of SRAs leads to precipitation of minerals as syngenite and mirabilite. Moreover, electrolyte solutions containing SRAs comprise limited miscibility or rather show miscibility gaps, where the liquid separates into isotropic micellar solutions and surfactant rich reverse micellar solutions. The investigation of surface activity and phase behaviour of SRA unravelled another important contribution. From macroscopic surface tension measurements, a relationship between excess surface concentration of SRA, bulk concentration of SRA and exposed interfacial area could be derived. Based on this, it is now possible to predict the actual surface tension of the pore fluid in the course of drying once the evolution of internal interfacial area is known. This is used later in this thesis to describe the specific drying and shrinkage behaviour of SRA modified pastes and mortars. Calorimetric studies on normal Portland cement and composite binders revealed that SRA alone show only minor impact on hydration kinetics. In presence of superplasticizer however the cement hydration can be significantly decelerated. The delaying impact of SRA could be related to a selective deceleration of silicate phase hydration. Moreover, it could be shown that portlandite precipitation in presence of SRA is changed, turning the compact habitus into more or less layered structures. Thereby, the specific surface increases, causing the amount of physically bound water to increase, which in turn reduces the maximum degree of hydration achievable for sealed systems. Extensive phase analysis shows that the hydrated phase composition of SRA modified binders re-mains almost unaffected. The appearance of a temporary mineral phase could be detected by environmental scanning electron microscopy. As could be shown for synthetic pore solutions, syngenite precipitates during early hydration stages and is later consumed in the course of aluminate hydration, i.e. when sulphates are depleted. Moreover, for some SRAs, the salting out phenomena supposed to be enhanced in strong electrolytes could also be shown to take place. The resulting organic precipitates could be identified by SEM-EDX in cement paste and by X-ray diffraction on solid residues of synthetic pore solution. The presence of SRAs could also be identified to impact microstructure of well cured cement paste. Based on nitrogen adsorption measurements and mercury intrusion porosimetry the amount of small pores is seen to increase with SRA dosage, whilst the overall porosity remains unchanged. The question regarding sustainability of SRA application is the subject of chapter 10. By means of leaching studies it could be shown that SRA can be leached significantly. The mechanism could be identified as a diffusion process and a range of effective diffusion coefficients could be estimated. Thereby, the leaching of SRA can now be estimated for real structural members. However, while the admixture can be leached to high extents in tank tests, the leaching rates in practical applications can be assumed to be low because of much reduced contact with water. This could be proven by quantifying admixture loss during long term drying and rewetting cycles. Despite a loss of admixture shrinkage reduction is hardly impacted. Moreover, the cyclic tests revealed that the total deformations in presence of SRA remain low due to a lower extent of irreversibly shrinkage deformations. Another important contribution towards the better understanding of the working mechanism of SRA for drying and shrinkage came from the same leaching tests. A significant fraction of SRA is found to be immobile and does not diffuse in leaching. This fraction of SRA is probably strongly associated to cement phases as the calcium-silicate-hydrates or portlandite. Based on these findings, it is now also possible to quantify the amount of admixture active at the interfaces. This means that, the evolution of surface tension in the course of drying can be approximated, which is a fundamental requirement for modeling shrinkage in presence of SRA. The last experimental chapter of this study focuses on the working mechanism and impact of SRA on drying and shrinkage. Based on the thermodynamics of the open deformable pore system introduced in chapter 5, energy balances are set up using desorption and shrinkage isotherms of actual samples. Information on distribution of SRA in the hydrated paste is used to estimate the actual surface tensions of the pore solution. In other words, this is the first time that the surface activity of the SRA in the course of the drying is fully accounted for. From the energy balances the evolution and properties of the internal interface are then obtained. This made it possible to explain why SRAs impact drying and shrinkage and in what specific range of relative humidity they are active. Summarising the findings of this thesis it can be said that the understanding of the impact of SRAs on hydration, drying and shrinkage was brought forward. Many of the new insights came from the careful investigation of the theory of non-ionic surfactants, something that the cement community had generally overlooked up to now. T2 - Zur Wirkungsweise schwindreduzierender Zusatzmittel in selbstverdichtenden Mörteln und Betonen KW - Schwinden KW - Bauchemie KW - Betonzusatzmittel KW - schwindreduzierendes Zusatzmittel KW - Zementhydratation KW - Schwindreduktion KW - Schwindmechanismus KW - Schwindisotherme KW - Sorptionsisotherme KW - shrinkage KW - shrinkage reduction KW - crack mitigation KW - construction chemicals KW - shrinkage reducing admixtures KW - shrinkage reducing agents Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20110620-15491 UR - http://www.shaker.eu/en/content/catalogue/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-0027-6 SN - 978-3-8440-0027-6 ER - TY - THES A1 - Nowak, Saskia T1 - Alterung von Calciumsulfatphasen : Physiko-chemisch bedingte Feuchteaufnahmen und Einfluss auf die Reaktivität N2 - Die Arbeit zeigt die wesentlichen Gründe auf, warum betahalbhydratreiche Niederbranntgipsbinder (industriell als Stuckgips bezeichnet) oft sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Der Anteil an Halbhydrat, welches aus dem stark hygroskopischen Anhydrit III (A III) durch die Reaktion mit Luftfeuchtigkeit entsteht, stellt einen erheblichen, bislang vollkommen unbeachteten Einfluss dar. Dieses Halbhydrat aus A III zeigt andere Oberflächeneigenschaften und ein Reaktionsverhalten, das von frisch gebranntem Betahalbhydrat abweicht. Es zeigt sich, wie weitreichend der Einfluss physiko-chemischer Oberflächenprozesse wie Adsorption und Kondensation ist. Hierdurch wird nicht nur die Oberflächenenergie der Partikel abgebaut, sondern auch eine Verminderung der Hydratationswärme verursacht. Somit wirken sich physikalische Vorgänge thermodynamisch aus. Einwirkende und resultierende Parameter einer Alterung wirken wie folgt äußerst komplex zusammen: Die dominierenden Bindemitteleigenschaften Abbindeverhalten und Wasseranspruch verändern sich durch eine Alterung sowohl aufgrund der Phasenumwandlungen als auch infolge der Veränderungen der Kristallite. Ebenso einflussreich ist die Veränderung der Oberflächencharakteristik. Die Auswirkung der Alterung auf die Reaktivität geht deutlich über den Abbau von Anhydrit III, die Dezimierung von abbindefähigem Material und die beschleunigende Wirkung von Alterungsdihydrat hinaus. Das Wachstum der Kristallite von Halbhydrat und die Verringerung der inneren Energie sowie die energetisch günstige spontane Beladung der Kristallgitterkanäle kleinster Anhydrit III-Kristallite mit dampfförmigem Wasser müssen als maßgebliche Ursachen für die Abnahme der Reaktivität infolge der Alterung herausgestellt werden. Die Abnahme der spezifischen Oberfläche und der Oberflächenenergie wirken sich außerdem auf den Lösungs- und den Hydratationsprozess aus. Der auf der Oberfläche von Anhydrit III kristallisierte Anhydrit II wirkt sich auch nach der Umwandlung von A III in Halbhydrat lösungshemmend aus. Infolge der alterungsbedingten Dihydratbildung, die bei anhaltender Feuchteeinwirkung einsetzt, wird diese Wirkung aufgehoben bzw. vermindert. Obgleich Dihydrat für seinen Beschleunigungseffekt bekannt ist, entfaltet Alterungsdihydrat infolge seiner besonderen Ausbildung innerhalb der wenige Moleküllagen umfassenden Kondenswasserschicht nur eine geringe keimbildende Wirkung. Eine wesentliche Erkenntnis betrifft den Bindungscharakter des Überstöchiometrischen Wassers. Diesbezüglich ist eine rein physikalische Bindung nachweisbar. Das in der Arbeit als stärker adsorptiv gebunden bezeichnete Wasser kommt neben der Freien Feuchte ausschließlich bei Anwesenheit von Halbhydrat vor. Dieser Zusammenhang wird erstmalig hergestellt und mit Hilfe der kristallchemisch bedingten höheren Oberflächenenergie von Halbhydrat erklärt. KW - Alterung KW - Calciumsulfat KW - Gips KW - Rietveld-Methode KW - Inverse Gaschromatographie KW - Alterungsdihydrat KW - überstöchiometrisches Wasser KW - Kristallitgröße KW - Heilungseffekt KW - Anhydrit III Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20130320-18731 SN - 978-3-00-041328-5 ER -