Geschichte der Baustoffe
Abstract
Um ein Wissensgebiet besser zu verstehen und Schlussfolgerungen fuer gegenwaertiges Handeln ziehen zu koennen, ist die Kenntnis der Vergangenheit von besonderem Wert. Das vorliegende Werk wendet sich darum in erster Linie an Studierende der Fachrichtungen Bauingenieurwesen, Werkstoffwissenschaften und Architektur, daneben aber auch an technikgeschichtlich interessierte Nichtfachleute. Ausgehend von den ersten nachweislich bekannten und ueberlieferten Anwendungen von Baustoffen wird ein Bogen ueber die fruehen Hochkulturen in Aegypten und Mesopotamien, das Roemische Reich, das Mittelalter und das Industriezeitalter bis in die heutige Zeit gespannt. Dabei werden die einzelnen Entwicklungsetappen der Baustoffgeschichte behandelt und dazu Fragen, Probleme und Entwicklungen aller wichtigen Baustoffe dargestellt. Ebenso die angewendeten Konstruktionen in der Bautechnik und die Bauwerkzeuge der verschiedenen Epochen. Ausfuehrungen zur Baustoffpruefung runden das Werk ab, das zusaetzlich mit instruktiven Zeittafeln und einem ausfuehrlichen Literaturverzeichnis eine Fuelle an Informationen ueber diesen wichtigen Bereich des Baugeschehens zu vermitteln vermag.
Chapters (11)
Natursteine zählen neben Holz und Lehm zu den ersten Stoffen, die der Mensch zum Bauen verwendete. Unbearbeitete Natursteine wurden schon vor Beginn der Seßhaftigkeit des Menschen zum Schutz vor Witterungseinflüssen und wilden Tieren oder zur Kennzeichnung einer Lagerstätte und zum Schutz eines Lagerfeuers benutzt.
Man weiß heute, daß sich die frühen Kulturen der Menschheit in den großen Flußtälern der Erde entwickelt haben. Dort war auch das zur Herstellung von Ziegeln notwendige Rohmaterial — Tone und Lehme — zu finden. Man kann mit Recht annehmen, daß sich dort die Ausgangspunkte der Ziegeltechnik befanden.
Die Entwicklung der Bindemittel ist eine vielseitige und an menschlichem Entdecker- und Erfindergeist umfangreiche Geschichte, die von vielen Generationen von Ingenieuren, Baumeistern und Arbeitern gestaltet wurde. Sie ist eng verbunden mit der Verwendung
verschiedener Zuschläge wie Sand und/oder Kies
unterschiedlicher Zusätze wie Milch, Blut, Aschen, Schlacken, Puzzolane sowie
verschiedener Bewehrungsstoffe wie Holz oder Eisen und Stahl.
Der Ursprung des Wortes „Zement“ ist bei den alten Römern zu finden [169]. Ihre von den Griechen übernommene Technik des Bauens mit Gußmauerwerk — dem Vorläufer unseres heutigen Betons — nannten sie „Opus Caementitium“. Das lateinische cementum hängt mit caedere, d. h. schneiden oder brechen, zusammen und bezeichnete ursprünglich behauene Quader, später dann Bruchsteine und schließlich auch Gesteinssplitter und Steinmehl sowie zerkleinerte Ziegelbruch-steine und Ziegelmehl. Mit Caementum wurde früher ausschließlich der für das Gußmauerwerk verwendete Zuschlag (Bruchsteine und feine Gesteins- und Ziegelstücke) bezeichnet!
Beton ist — im weitesten Sinne gesehen — ein sehr alter Baustoff. Im erhärteten Zustand hat der Beton als Konglomerat sein Vorbild in der Natur. Insbesondere der Nagelfluh und die vielen unterschiedlichen Breccien sind eine Art „Naturbeton“. Doch erst als künstliches Produkt nennt man dieses Konglomerat „Beton” [86]. Über den Ursprung des Wortes Beton besteht keine einheitliche Auffassung. Vermutlich haben die altfranzösischen Bezeichnungen aus der Zeit um 1400, nämlich betun, bethyn und becton, die sich alle auf Mauerwerk beziehen, bei der Bezeichnung Beton Pate gestanden. Möglicherweise geht die Bezeichnung auch auf das französische Wort beter zurück, d. h. gerinnen lassen oder erstarren [33].
Der Sammelbegriff „Bituminöse Stoffe“ umfaßt vielfach alle Erzeugnisse, die vorwiegend auf der Basis von Bitumen oder Teer und Pech aufgebaut sind.
Die Kenntnis der Metalle ragt als uraltes Kulturgut der Menschheit — wenn auch nicht als Baustoff — weit in die vorgeschichtliche Zeit hinein. Gold, Silber und Kupfer dürften die ersten Metalle gewesen sein, die in irgendeiner Form genutzt wurden. Irgenwann wird der Mensch entdeckt haben, daß sich der vielleicht in einem Bach gefundene Goldklumpen im Gegensatz zu den Natursteinen durch Hämmern leicht verformen ließ. Etwa vor 7000 Jahren dürften andere Metalle in den Gesichtskreis des Menschen getreten sein, etwa Silber und Kupfer. In den Gesetzbüchern des Menes — nach der Überlieferung der erste Königs Ägyptens (etwa 2850 v. Chr.), der Ober- und Unterägypten vereinigt und die Stadt Memphis gegründet haben soll — wird bereits das Wertverhältnis zwischen Silber und Gold erwähnt. Wie Funde beweisen, wurden in dieser frühen Zeit schon Schmuckstücke, wie Armbänder, Ringe und Nadeln, sowie Nägel und Werkzeuge sowie Gefäße und Becher aus Gold, Silber und Kupfer hergestellt [99]. Zum Schmelzen von Kupfer benutzte man im alten Ägypten Blasrohre, um dem Feuer zum Erreichen hoher Temperaturen den notwendigen Sauerstoff zuzuführen. Neben diesem Verfahren wurde außerdem der erheblich leistungsfähigere Tretblasebalg eingesetzt, der auf Grabmalereien dieser Zeit abgebildet ist.
Heute sind „Kunststoffe“ — die einst der „Kunst der Chemiker“ entstammenden organischen Bau- und Werkstoffe — ein nicht mehr wegzudenkender Bestandteil des modernen Bauwesens.
Die Prüfung von Baustoffen ist insofern uralt, da man sich vorstellen kann, daß sich der Mensch schon seit alters her bei der Herstellung irgendeiner ganz einfachen Konstruktion ein Bild über die Zweckmäßigkeit und Dauerhaftigkeit des dabei verwendeten Materials gemacht haben wird.
Die Geschichte der Zusatzmittel und Zusatzstoffe ist eng mit der der Bindemittel, Mörtel und Betone verbunden. Seit Menschen zum Bauen Bindemittel verwendeten, wurden eigentlich immer bewußt oder unbewußt die verschiedenartigsten Zusätze dem Bindemittel zugegeben. Das geschah früher wie heute aus vorwiegend zwei Gründen. Zum einen will man das Bindemittel oder den Mörtel und Beton durch Zusätze so beeinflussen, daß deren Eigenschaften verändert/verbessert/erweitert werden und zum anderen will oder muß man durch Zusätze teure oder nur in begrenztem Umfang vorhandene Ausgangsstoffe rationell ergänzen oder ersetzen.
... Ezek közül kiemelkedik a Jochen Stark és Bernd Wicht szerzőpáros Geschichte der Baustoffe c. könyve [4], Utta Pottglesser Gesichte der Tragkonstruktionen c. tankönyve és előadásanyaga (TU Dresden) [5], valamint Richard W. Steiger The History of Concrete c. cikksorozata [6] [7]. A számos átfedés ellenére azonban mindegyik szolgál többlet információval, így egyik sem tekinthető teljesnek. ...
... Az itt élők tehát ismerték a mészégetést, a megégetett mészkőből pedig további feldolgozása során olyan habarcsot nyertek, mely alkalmas volt az építkezésre. A technológia híre gyorsan elterjedt és hamarosan számos ókori kultúra kifejlesztett hasonló építőanyagot [4]. ...
... Az ókori kínaiak az északnyugati-kínai Kanszu tartományban már Kr. e. 3000 körül ismertek egy cementszerű kötőanyagot, melyhez homokot, kerámiatörmeléket, csontokat és vizet kevertek és elsősorban padlóburkolatként használták [4]. ...
Hosszú fejlődéstörténet vezetett ahhoz, hogy a beton a kortárs mérnöki gyakorlat legelterjedtebb építőanyaga lehessen. Az emberiség már több ezer éve használ olyan építőanyagokat, melyek adalékanyag, víz és valamilyen hidraulikus tulajdonságú kötőanyag keverékéből hozhatók létre, azonban a modern betonhoz hasonló technológia első elterjedt alkalmazása az ókori Római Birodalom (Kr.e. 3. sz. – Kr.u. 5. sz.) idejére tehető. A középkor idején a betonkészítés technológiája jórészt feledésbe merült, és néhány szórványos alkalmazástól eltekintve az ipari forradalom idején éledt fel újra, mikor fokozott érdeklődés indult a hidraulikus kötőanyagok iránt. A portlandcement felfedezése (Aspdin, 1824), majd összetételének és gyártástechnológiájának tökéletesítése (Johnson, 1845; Ransome, 1885) mellett a vasbeton feltalálása (Monier, 1849) és a vasalási módszerek kidolgozása (Hennebique, 1892) hozta a nagy előrelépést, melynek köszönhetően a beton a 19. század egyik meghatározó építőanyagává vált. A 19-20. század fordulóján számos
előrelépés történt, melyek hozzájárultak ahhoz, hogy a 20. század legnépszerűbb építőanyagává váljon: betontervezési módszerek fejlődése (Abrams, 1919; Bolomey,
1935) a szabványosítás megkezdése (DIN 1045), a betontechnológia (keverés, bedolgozás, szállítás) gépesítése (keverőgép, mixerkocsi, vibrátor, rázóasztal). A betonés vasbetonépítés fejlődésének hatalmas löketet adott a feszített vasbeton feltalálása (Freyssinet, 1928), majd az adalékszerek, az öntömörödő betonok, a szálerősítések, valamint a könnyű- és nehéz adalékanyagok és a nagy és ultranagy teljesítőképességű betonok elterjedése.
... Since materials are used, improving of its properties on specific needs was conducted. Examples can be found in the building materials between Euphrat and Tigris and later on during the period of the ancient Romans in Europe 3,180 . Thus, also about 90 % of the concretes produced in Germany today contain admixtures and thereof are 75 % plasticizer and superplasticizer, respectively 210 . ...
... Later on the much cheaper product lignosulfonate was found to act liquefying. 3,180 On the other hand as first plasticizer or b Correct notation: sulfonated salts of polycondensates of naphthalene and formaldehyde water reducer lignosulfonates are handled 153 . Nevertheless, combinations of polynaphthalene sulfonates and lignosulfonates were further developed to increase the vantages of the two groups. ...
... Simultaneously, polymelamine sulfonate c as a performant superplasticizer was developed in Germany. 3,52,180 Further steps toward in developing superplasticizers was made in Japan with the formulation of polycarboxylate based superplasticizer. This new group was patented 1981 by the company Nippon Shokubei and used since the middle of the 1980 in Japan. ...
Fließmittel werden in Betonen verwendet, um deren Fließeigenschaften während der Verarbeitung zu verbessern und Wasser einzusparen. Beide Faktoren beeinflussen nicht nur den Frischbeton, sondern auch signifikant die Festbetoneigenschaften. Nachteilig wirken sich Fließmittel auf die Festigkeitsentwicklung aus, die z.T. sehr stark verzögert wird. Dies ist vor allem bei Bauteilen, die im Rahmen eines Vorfertigungsprozesses hergestellt werden, ein ökonomischer Nachteil. Die vorliegende Arbeit widmet sich den Ursachen für die
Verzögerung der Portlandzementhydratation bei Verwendung von Fließmitteln. Um die komplexen Reaktionen, die während der Portlandzementhydratation auftreten, zu vereinfachen, betrachtet ein überwiegender Teil der Arbeit die Wechselwirkung Fließmittel-Tricalciumsilikat (Abk. Ca3SiO5 oder C3S, Hauptbestandteil von Portlandzementklinker). Die Untersuchungen werden in drei Hauptteilen durchgeführt, wobei Methoden wie u.a. isotherme Wärmeflusskalorimetrie, Elektrische Leitfähigkeit, Elektronenmikroskopie, ICP-OES, TOC als auch Analytische Ultrazentrifugation Anwendung finden.
Basierend auf der Wechselwirkung von Kationen mit anionischen Ladungsträgern von Polymeren wird die Interaktion von Calcium mit Fließmitteln im ersten Teil der Arbeit untersucht. Dabei kommt es überwiegend zur Komplexierung von Calciumionen durch die funktionellen Gruppen der Plymere (Carboxyl- bzw. Sulfonguppen), die in zementären Umgebungen sowohl gelöst in der wässrigen Phase als auch als Bestandteil von Partikelgrenzflächen vorhanden sind. Neben diesen Effekten kann auch gezeigt werden, dass Fließmittel die Bildung von nanoskaligen Partikeln hervorrufen, die infolge der sterischen Wirkung von Fließmitteln dispergiert in der wässrigen Phase vorliegen (Clusterbildung). Analog zu neuesten Erkenntnissen aus dem Bereich der Biomineralisation ist daher davon auszugehen, dass diese Nanopartikel durch Agglomeration das Kristallwachtsum beeinflussen.
Ausgehend von der Annahme, dass die Auflösungs- und/ oder Fällungskinetik durch die Wirkung von Fließmitteln behindert und damit für den Verzögerungseffekt der Fließmittel während der komplexen Hydratationsreaktion verantwortlich seien können, werden die zugrundeliegenden Vorgänge im zweiten Abschnitt getrennt voneinander untersucht. Es wird anhand von Lösungsuntersuchungen an C-S-H Phasen und Portlandit herausgestellt, dass die Komplexierung von gelösten Calciumionen durch funktionelle Gruppen der Polymere die Löslichkeit von Portlandit erhöht. Im Gegensatz führt die Komplexierung von Calciumionen in der wässrigen Phase zu einer Verringerung der Calciumionenkonzentration in der wässrigen Phase. Diese Effekte werden auf die unterschiedlich starke Adsorptionsneigung der Polymere an C-S-H-Phasen und Portlandit zurückgeführt. Es wird davon ausgegangen, dass die Adsorption aufgrund der größeren spezifischen Oberfläche stärker an den C-S-H-Phasen als am Portlandit auftritt. Demnach stellt sich dar, dass die Polymere erst nachdem die funktionellen Gruppen Calciumionen aus der wässrigen Phase komplexiert haben an den C-S-H-Phasen adsorbieren. Weiterhin kann gezeigt werden, dass die freie C3S Auflösungsrate in Anwesenheit von Fließmitteln keinen direkten Zusammenhang zur Verzögerung erkennen lässt. Teilweise kommt es zu einer in Bezug zur Kontrollprobe ohne Fließmittel erhöhten sowie auch verringerten Auflösungsrate. Wird das Komplexierungsvemögen der Fließmittel berücksichtigt, so kann durchaus eine verlangsamte freie Auflösungsrate ermittelt werden. Doch auch Calcit zeigt einen verzögernden Einfluss auf die freie C3S Auflösung, obwohl es den Gesamtprozess der Hydratation signifikant beschleunigt. Somit kann die behinderte Auflösung als mögliche Ursache für die verzögernde Wirkung während der Zementhydratation weder bestätigt noch widerlegt werden. Dieser Punkt sollte in zukünftigen Arbeiten weiter untersucht werden. Im letzten Schritt dieses Untersuchungsabschnitts wird die reine Kristallisation von C-S-H-Phasen und Portlandit untersucht. Es stellt sich heraus, dass Fließmittel insbesondere durch die Wirkung der Komplexierung von Ionen in der wässrigen Phase sowohl die Induktionszeit verlängern als auch die Kristallwachstumsrate verändern. Dies allein kann aber nicht die komplette Verzögerungswirkung erklären. Ein wichtiger Verzögerungsfaktor ist die Adsorption der Polymere an Kristalloberflächen als auch eine fließmittelbedingte Dispergierung von nanoskaligen Einzelpartikeln, die deren Agglomeration zu Kristallen behindert.
Im letzten Hauptuntersuchungsabschnitt werden die gewonnenen Erkenntnisse auf die während der Zement- und Tricalciumsilikathydratation parallel ablaufenden Reaktionen analysiert. Dabei wird insbesondere die ionische Zusammensetzung der wässrigen Phase von C3S Pasten und Suspensionen untersucht, um Hinweise für eine kinetische Hemmung der Hydratationsreaktion zu identifizieren. Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Ursachen der verzögernden Wirkung von Fließmitteln auf die Hydratation von C3S auf die starke Verzögerung der Kristallisation von Hydratphasen zurückzuführen ist. Dabei kommt den zwei Faktoren Komplexierung von Calciumionen an Oberflächen und Stabilisierung von nanoskaligen Partikeln eine zentrale Bedeutung zu. Diese Effekte können durch die Wirkung als Templat als auch durch Erhöhung der Löslichkeit infolge Komplexierung freier/gelöster Ionen teilkompensiert werden. Dass die Auflösungsreaktion durch die Anwesenheit von Fließmitteln behindert wird, kann nur indirekt anhand der Entwicklung von Ionenkonzentrationen festgestellt werden. Ob dieser Vorgang die Ursache oder die Folge des Lösungs-Fällungs-Mechanismus der Hydratation ist und damit die verzögernde Wirkung durch behinderte Auflösung des Edukts hervorgerufen wird, bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Im Rahmen der Arbeit kann auch gezeigt werden, dass Fließmittel chemisch als Inhibitoren wirken indem sie den Frequenzfaktor verringern. Darüber hinaus wird erstmalig eine Methode entwickelt, die die Bestimmung der Ionenkonzentration in Pasten in-situ erlaubt. Mit deren Hilfe wird dargestellt, dass die Entwicklung der Ionenkonzentration als auch die allgemein verwendete Wärmefreisetzungsrate (Kalorimetrie) miteinander korrespondiert. Darüber hinaus erlaubt die entwickelte Methode die weitere Differenzierung der Accelerationsperiode in drei Stadien. Die Kristallisation von C-S-H-Phasen und Portlandit ist für den Beginn der Haupthydratationsperiode entscheidend.
... Various materials (eggs, cheese, milk, blood) were added, but only a few mortars possessed hydraulic properties (Stark and Wicht 1998;Pavía and Caro 2008;Elsen et al. 2011;Carran et al. 2012). Mortar production changed in the eighteenth century; the hydraulic properties were increased by calcinating marly limestones at 950-1250 °C. ...
... The slaking process can either produce dry lime powders or with excess water a lime putty. "Hot mixing" or "dry slaking" refers to a practice where damp aggregate is mixed with roughly crushed quicklime, causing the formation of large lime lumps (Dix 1982;Stark and Wicht 1998;Elsen 2006;Ingham 2011). ...
Limestones (CaCO 3 ) have been an important source for masonry and mortars throughout approx. 10,000 years of human history. They are often composed of calcitic shells of minute marine algae, known as calcareous nannofossils. The 0.25–30-µm large calcitic skeletons of these primary producers have been well documented from various archaeological materials including building stones of masonry. Surprisingly, these tiny microfossils were recently also observed in medieval mortars and mortar-based materials, even though the carbonate-based source rocks of the mortars have been heated in kilns for quicklime production. Burning experiments of carbonate-rich sedimentary rocks, containing well-preserved and abundant calcareous nannofossils, documented a deteriorating preservation and a decrease of diversity and relative abundance of the nannofossils with increasing temperatures.
Alongside the lime-based binder historic mortars often contain under- and overburnt lime lumps and carbonate-rich aggregates; the latter were added after the heating process. Lime lumps and aggregates offer additional, so far not yet fully understood information on the burning process. Here, calcareous nannofossils were studied in ultra-thin sections of historic mortars, resulting in the separate analysis of the binder, lime lumps and aggregates. The findings allow (i) a more precise provenance of the limestones and (ii) a more accurate reconstruction of the temperatures reached during historic quicklime production. Our study thus improves the provenance analysis approach of limestones and sheds light on historic technology of mortar production by using calcareous nannofossils.
... Looking at the history of construction material usage with respect to residential buildings, wood represents the oldest construct material for buildings on a large scale (Stark and Wicht, 1998). Until the industrial revolution in the 19th century, wood has been the central construction material in most European countries given its admittedly variable but overall steady availability and easy accessibility (Ruebesam, 1990). ...
The European construction sector has experienced continuous growth in recent years, and so have the associated environmental concerns about CO2 emissions and construction waste. As a result, studies are suggesting a higher use of biomass-based material such as wood. However, the share of wooden residential buildings in Germany is quite low in comparison to Nordic countries and features immense regional differences, with the proportion varying from zero to over 50%. The goal of this study was to find the key factors behind regional differences in wooden residential buildings in Germany. We therefore collected the proportion of wooden residential building permits from all 401 German districts for 2015 – 2019, as well as 16 possible factors which the reviewed literature suggests as being possibly influential. With the help of descriptive and bivariate analysis as well as multiple linear regression models, we identified four key factors behind the regional differences: Germany’s state regulations have an influence on the outcome; the share of woodland is positively correlated with wooden residential buildings and, lastly, urban areas and economically weak regions both have a strong negative influence on the share of wooden residential building permits.
... blood, milk, cheese, eggs) were used. Lime lumps are often found in European medieval mortars (Stark and Wicht 1998;Pavía and Caro 2008;Elsen et al. 2011;Carran et al. 2012a). ...
Calcareous nannofossils are < 30 µm sized calcitic fossil remains of single-celled marine photoautotrophic algae. Carbonate-rich sedimentary rocks, containing these fossils, are used as raw material for lime-based mortars. The carbonates (CaCO3) are heated up to approx. 900 °C. The burning process, which causes the thermal decomposition of CaCO3 into CaO (= quicklime) and CO2, destroys the calcitic fossils. Surprisingly, remains of these calcareous algae were recently encountered in historic mortars and mortar-based materials. To gain a better understanding of the behaviour of calcareous nannofossils during the calcination procedure, four sample sets were heated to nine temperature levels (100 °C, 300 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C). For each sample set, the initial and the heated material of all nine temperature levels were analysed with respect to its nannofossil content and preservation by using settling slides. Our results show a decrease of absolute abundance and preservation from 500 °C onwards; rare nannofossils are preserved up to 900 °C. Changes in the relative abundance of individual species document that certain taxa are more heat resistant than others. This pattern is explained by different crystal sizes and forms of the relevant taxa. Differences in the calcareous nannofossil assemblages, observed in the raw material and in the mortar produced from it, can be used to estimate the temperature reached during quicklime production.
... The latter application area might seem the most surprising-even though biological additives to construction materials were already explored by the ancient Egyptians and Romans and during the Qing dynasty (Dai et al., 2019;Stark & Wicht, 1998). Recently, the idea of using bacterial biofilms as additives to cementitious materials has been rediscovered, and the resulting hybrid mortar has been shown to possess highly interesting water-repellent properties (Ertelt et al., 2020;Grumbein et al., 2016). ...
Conventional bioreactors are typically developed for the production of planktonic bacteria or submerged biofilms. In contrast, reactors for the continuous production of biofilms at the solid–air interface are scarce, and they require specific conditions since the bacteria need to attach firmly to the surface and require a permanent supply of moisture and nutrients from below. Recently, research from the field of civil engineering has pinpointed an increased need for the production of terrestrial biofilms: several variants of Bacillus subtilis biofilms have been shown to be useful additives to mortar that increase the water repellency, and, thus, the lifetime of the cementitious material. The bioreactor introduced here allows for the continuous production of such bacterial biofilms at the solid‐air interface, and they have virtually identical properties as biofilms cultivated via classical microbiological techniques. This is made possible by equipping a rotating cylinder with a porous membrane that acts as a solid growth substrate the bacterial biomass can form on. In this configuration, nutrient supply is enabled via diffusive transport of a suitable growth medium from the core volume of the cylindrical reactor to the membrane surface. In addition to cultivating bacterial biofilms, the versatile and adaptable set up introduced here also enables the growth of other microbial organisms including the yeast Saccharomyces cerevisiae and the fungus Penicillium chrysogenum.
... al., 2002) coal fly ash represents a more heterogeneous pozzolanic additive with lower silica contents. Possibilities to use the former waste material of the coal-based power generation were evaluated since the beginning of the 20 th century (Stark & Wicht, 2011). The chemical and physical properties of the coal fly ash strongly depend on the type of coal and the firing system which lead to the high heterogeneity of that material. ...
... 1. Building materials with appropriate properties and in sufficient quantities are available (Stark and Wicht, 1998). 2. A theoretical analysis of architecture, which is no longer based on experience, but on systems (Neumeyer, 2002). ...
For the development of a comprehensive explanative model on the genesis and use of the history of a historic building, an exclusively visual and aesthetic approach is not sufficient. In addition to the function, the construction is also shown as a peer design factor in the planning, architectural and artistic development. In this context, the task of the technical universities and colleges is to provide students with a far-reaching expertise for historical building construction. To achieve this goal, the Budapest University of Technology and Economics (BUTE), in a context of a research programme, has taken a targeted initiative. For this purpose, a large number of historical architectural drawings were combined in a plan collection at the Department and made available for further research. With regard to the structural importance of thes drawings, a systamatic scientific research has been carried out.
... The breakthrough of the use of cement only came at the end of the 19th century. The historical development of cement can be read in a range of different books (Stark and Wicht (1999), Locher (2000), Stark and Wicht (2012)). ...
Abstract:
In the present study, a design concept for unreinforced, cement-bound concrete floors
is presented. The work concentrates on cracking caused by shrinkage of the concrete
used. The central components of the work are a numerical model (Finite element model)
which, taking into account all time-dependent material parameters and with the aid of a
simple calculation approach, is able to predict crack paths on sharp edges. In addition,
with the help of the model, it is possible to simulate the curling of the corners of a float
mounted concrete floor.
For this purpose, the required material parameters (static elastic modulus, uniaxial tensile
strength) were investigated under laboratory conditions and compared with prognosis
values of an available prognosis software and with the analytical prognosis approach
of DIN EN 1992-1-1: 2011-01.
In a first step, the crack formation and crack development on a small, H-shaped concrete
sample were examined and a crack path was calculated using a first numerical approach.
This first numerical approach was subsequently validated on large-scale surfaces. On the
basis of the large-scale experiments, the numerical model was further developed with regard
to curling of concrete floors.
All experiments were calculated with the approach of element failure method (EFM)
using the commercial finite element software ANSYS ®.
The design concept is completed by a parameter study. By means of this parameter
study, it is possible to identify the parameters which decisively influences cracking.
The present work thus makes an important contribution to the numerical modelling
of damage in unreinforced concrete structures.
Zusammenfassung:
In der vorliegenden Arbeit wird ein Bemessungskonzept für unbewehrte, zementgebundene
Sichtestrichböden vorgestellt. Die Arbeit konzentriert sich dabei auf Rissbildungen,
welche durch Schwinden des verwendeten Betons verursacht werden. Den zentralen Bestandteile
der Arbeit bildet dabei ein numerisches Modell (Finite Elemente Modell),
das, unter Berücksichtigung aller zeitlich veränderlichen Materialparameter und unter
Zuhilfenahme eines einfachen Berechnungsansatzes in der Lage ist, Risspfade an scharfen
Einsprüngen und Einbauten zu prognostizieren. Darüber hinaus kann mit der Hilfe des
Modells, Aufschüsseln, also das Aufwölben der Ecken eines auf Folie oder Trennschicht
gelagerten Estrichfussbodens beschrieben werden.
Zu diesem Zweck wurden die erforderlichen, sich zeitlich entwickelnden Materialparameter
(statischer Elastizitätsmodul, einaxiale Zugfestigkeit) unter Laborbedingungen untersucht
und mit Prognosewerten einer zur Verfügung stehenden Prognosesoftware und
mit dem analytischen Prognoseansatz der DIN EN 1992-1-1:2011-01 verglichen.
In einem ersten Schritt wurde die Rissbildung und Rissentwicklung an einer kleinen,
H-förmigen Betonprobe untersucht und mit einem ersten numerischen Ansatz ein Risspfad
berechnet. Dieser erste numerische Ansatz wurde in der Folge an großformatigen
Flächen validiert. Auf der Basis der großformatigen Versuche wurde das numerische
Modell hinsichtlich Aufschüsseln weiterentwickelt.
Alle Versuche wurden mit dem Ansatz der Element-Ausfall-Methode (EFM) berechnet
unter Verwendung der kommerziellen Finiten Elemente Software ANSYS®.
Komplettiert wird das Bemessungskonzept durch eine Parameterstudie. Mittels dieser
Parameterstudie besteht die Möglichkeit, den oder die Parameter zu identifizieren, die
maßgeblich eine Rissbildung begünstigen.
Zesummenfaassung:
An dëser Aarbecht gëtt e Bemiessungskonzept fir net arméiert, zementgebonnen Siichtschappen
virgestallt. D’Aarbecht konzentréiert sech dobäi op d’Rëssbildung, déi
duerch d’Schwinden vum agesate Bëtong verursaacht ginn. Den zentralen Bestanddeel
vun dëser Aarbecht ass dobäi e numereschen Modell (Finite Elemente Modell), dat,
ënnert der Berécksiichtegung vun allen zäitlech verännerlechen Materialparameter an
mat engem einfachen Berechnungsusaz an der Lag ass, Rësspied u schaarfen Aspréng
an Abauten ze prognostizéieren. Doriwwer eraus kann mat der Hëllef vun dësem Modell,
d’Opschosselen, also d’Deformatioun um Bord vun enger op Folie oder Trennschicht
gelagerter Schapp simuléiert ginn.
Fir dësen Zweck goufen déi erfuerderlech, sech zäitlech entwéckelnd Materialparameter
(stateschen Elastizitéitsmodul, eenaxesch Zugfestegkeet) ënnert Laboratoiresconditioune
ënnersicht a mat Prognosen vun enger disponibeler Software a mat dem analyteschen
Usaz no der DIN EN 1992-1-1:2011-01 verglach.
An engem éischten Schrëtt goufen d’Rëssbildung an d’Rëssentwécklung un enger klenger,
H-fërmeger Bëtongsprouf ënnersicht a mat engem éischten numereschen Usaz e Rësspad
berechent. Dësen éischten numereschen Usaz gouf an der Suite un enger groussformateger
Fläch validéiert. Op der Basis vu den groussformategen Versich gouf den numereschen
Modell hisiichtlech Opschosselen weiderentwéckelt.
All d’Versich goufen mat dem Usaz vun der Element-Ausfall-Method (EFM) berechent
ënnert der Utilisatioun vun der kommerzieller Finite Elemente Software ANSYS®
Komplettéiert gëtt d’Bemiessungskonzept duerch eng Parameteretüd. Mëttels dëser
Parameteretüd besteet d’Méiglechkeet, den oder déi Parameter ze identifizéieren, déi
maassgeeblech eng Rëssbildung begënschtegen.
Résumé:
Cette thèse présente un concept de dimensionnement pour des sols décoratifs non armés
à base cimentaire. Le travail se concentre sur des fissurations qui sont dues à la rétraction
du béton utilisé. La partie majeure de la thèse constitue un modèle numérique basé
sur la méthode des éléments finis, qui, en prenant compte de l’évolution temporelle des
paramètres des matériaux et en utilisant une méthode de calcul simple, peut prédire
les chemins de fissure partants d’angles rentrants pointus ou d’autres installations. En
plus, la déformation en périphérie d’une chape supportée sur un film plastique ou sur
une couche de séparation peut être représentée à l’aide du modèle numérique développé.
À cet effet, les paramètres des matériaux nécessaires (module d’élasticité statique,
résistance en traction uniaxiale), qui montrent une évolution en fonction du temps, ont
été déterminés sous des conditions de laboratoire et comparés avec les valeurs calculées à
l’aide d’un logiciel de prévision ainsi qu’avec l’approche analytique donnée dans la DIN
EN 1992-1-1:2011-01.
Dans une première étape, la fissuration et l’évolution des fissures ont été étudiées à
l’aide d’échantillons en béton en forme d’un H et le chemin des fissures a été analysé
avec un premier modèle numérique. Ce premier modèle analytique a été validé par la
suite avec les résultats des tests sur des surfaces grandes. À la base de ces tests à grande
échelle, le modèle développé a été étendu en vue de la déformation de la chape en périphérie.
Tous les modèles ont été analysés à l’aide de la «element-failure method» en utilisant
le logiciel commercial d’éléments finis ANSYS®.
Cette thèse est une contribution importante en vue de la simulation numérique de la
détérioration de structures en béton non armés.
... Pyrolysis is an old method of wood protection. Archaeological findings from the Fayum desert suggest that timber constructions with carbonised surfaces have been used for 5000 years (Stark and Wicht 1998). As wood is thermally conductive, it carries the heat from the outside to the inside. ...
Wood in outdoor applications undergoes various degradation processes such as biological degradation as well as weathering. However, since carbon black is a very effective photostabilizer, it is hypothesised that wood surfaces can be protected from weathering by a layer of carbon (charcoal). Norway spruce (Picea abies) samples were pyrolised to create carbonised layers of varying thickness and exposed to artificial weathering for eight weeks. To investigate surface changes due to weathering, colour measurements and ATR FTIR measurements were made. The results show that carbonised surfaces protect wood from weathering but they also undergo chemical changes. Thus, the thickness of carbonised layers influences the weathering protection of wood.
p>Bridges connect people, cities, states and continents and are important structures in our life. With the industrialisation, the necessity came up to protect bridge structures and bridge decks from the ingress of chlorides. Depending on knowledge, available technologies and with focus on sustainability the materials used for bridge deck preservation changed. Within our days available resin technologies, a full substitution of asphalt overlays seems to be possible and the next future step.</p
Aktuell findet aufgrund gesellschaftspolitischer Forderungen in vielen Industriezweigen ein Umdenken in Richtung Effizienz und Ökologie aber auch Digitalisierung und Industrie 4.0 statt. In dieser Hinsicht steht die Bauindustrie, im Vergleich zu Industrien wie IT, Automobil- oder Maschinenbau, noch am Anfang. Dabei sind die Potentiale zur Einsparung und Optimierung gerade in der Bauindustrie aufgrund der großen Mengen an zu verarbeiteten Materialien besonders hoch. Die internationale Ressourcen- und Klimadebatte führt verstärkt dazu, dass auch in der Zement- und Betonherstellung neue Konzepte erstellt und geprüft werden. Einerseits erfolgt intensive Forschung und Entwicklung im Bereich alternativer, klimafreundlicher Zemente. Andererseits werden auch auf Seiten der Betonherstellung innovative materialsparende Konzepte geprüft, wie die aktuelle Entwicklung von 3D-Druck mit Beton zeigt. Aufgrund der hohen Anforderungen an Konstruktion, Qualität und Langlebigkeit von Bauwerken, besitzen Betonfertigteile oftmals Vorteile gegenüber Ortbeton. Die hohe Oberflächenqualität und Dauerhaftigkeit aber auch die Gleichmäßigkeit und witterungsunabhängige Herstellung sind Merkmale, die im Zusammenhang mit Betonfertigteilen immer wieder erwähnt werden. Dabei ist es essenziell, dass auch der Betonherstellungsprozess im Fertigteilwerk kritisch hinterfragt wird, damit eine effizientere und nachhaltigere Produktion von Betonfertigteilen möglich wird. Bei der Herstellung von Betonteilen im Fertigteilwerk liegt ein besonderer Fokus auf der Optimierung der Frühfestigkeitsentwicklung. Hohe Frühfestigkeiten sind Voraussetzung für einen hochfrequenten Schalungszyklus, was Arbeiten im 2- bzw. 3-Schichtbetrieb ermöglicht. Oft werden zur Sicherstellung hoher Frühfestigkeiten hochreaktive Zemente in Kombination mit hohen Zementgehalten im Beton und/oder einer Wärmebehandlung eingesetzt. Unter dieser Prämisse ist eine ökologisch nachhaltige Betonproduktion mit verminderter CO2 Bilanz nicht möglich. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Beschleunigung von Beton eingeführt. Hierbei werden die Bestandteile Zement und Wasser (Zementsuspension) mit Ultraschall vorbehandelt. Ausgangspunkt der Arbeit sind vorangegangene Untersuchungen zum Einfluss von Ultraschall auf die Hydration von Zement bzw. dessen Hauptbestandteil Tricalciumsilikat (C3S), die im Rahmen dieser Arbeit weiter vertieft werden. Darüber hinaus wird die Produktion von Beton mit Ultraschall im Technikumsmaßstab betrachtet. Die so erlangten Erfahrungen dienten dazu, das Ultraschall-Betonmischsystem weiterzuentwickeln und erstmalig zur industriellen Betonproduktion zu nutzen. In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Ultraschall auf die Hydratation von C3S zunächst weitergehend und grundlegend untersucht. Dies erfolgte mittels Messung der elektrischen Leitfähigkeit, Analyse der Ionenkonzentration (ICP-OES), Thermoanalyse, Messung der BET-Oberfläche sowie einer optischen Auswertung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM). Der Fokus liegt auf den ersten Stunden der Hydratation, also der Zeit, die durch die Ultraschallbehandlung am stärksten beeinflusst wird. In den Untersuchungen zeigt sich, dass die Beschleunigungswirkung von Ultraschall in verdünnten C3S Suspensionen (w/f-Wert = 50) stark von der Portlanditkonzentration der Lösung abhängt. Je niedriger die Portlanditkonzentration, desto größer ist die Beschleunigung. Ergänzende Untersuchungen der Ionenkonzentration der Lösung sowie Untersuchungen am hydratisierten C3S zeigen, dass unmittelbar nach der Beschallung (nach ca. 15 Minuten Hydratation) erste Hydratphasen vorliegen. Die durch Ultraschall initiiere Beschleunigung ist in den ersten 24 Stunden am stärksten und klingt dann sukzessive ab. Die Untersuchungen schließen mit Experimenten an C3S-Pasten (w/f-Wert = 0,50), die die Beobachtungen an den verdünnten Suspensionen bestätigen und infolge der Beschallung ein früheres Auftreten und einen größeren Anteil an C-S-H Phasen zeigen. Es wird gefolgert, dass die unmittelbar infolge von Ultraschall erzeugten C-S-H Phasen als Kristallisationskeim während der folgenden Reaktion dienen und daher Ultraschall als in-situ Keimbildungstechnik angesehen werden kann. Optisch zeigt sich, dass die C-S-H Phasen der beschallten Pasten nicht nur viel früher auftreten, sondern kleiner sind und fein verteilt über die Oberfläche des C3S vorliegen. Auch dieser Effekt wird als vorteilhaft für den sich anschließenden regulären Strukturaufbau angesehen. Im nächsten Schritt wird daher der Untersuchungsfokus vom Modellsystem mit C3S auf Portlandzement erweitert. Hierbei wird der Frage nachgegangen, wie sich eine Änderung der Zusammensetzung der Zementsuspension (w/z-Wert, Fließmittelmenge) beziehungsweise eine Änderung des Ultraschallenergieeintrag auf die Fließeigenschaften und das Erhärtungsverhalten auswirken. Um den Einfluss verschiedener Faktoren gleichzeitig zu betrachten, werden mit Hilfe von statistischen Versuchsplänen Modelle erstellt, die das Verhalten der einzelnen Faktoren beschreiben. Zur Beschreibung der Fließeigenschaften wurde das Setzfließ- und Ausbreitmaß von Zementsuspensionen herangezogen. Die Beschleunigung der Erhärtung wurde mit Hilfe der Ermittlung des Zeitpunkts des normalen Erstarrens der Zementsuspension bestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen deutlich, dass die Fließeigenschaften und der Erstarrungsbeginn nicht linear mit steigendem Ultraschall-Energieeintrag verändert werden. Es zeigt sich, dass es besonders bei den Verarbeitungseigenschaften der Portlandzementsuspensionen zur Ausbildung eines spezifischen Energieeintrages kommt, bis zu welchem das Setzfließ- und das Ausbreitmaß erhöht werden. Bei Überschreiten dieses Punktes, der als kritischer Energieeintrag definiert wurde, nimmt das Setzfließ- und Ausbreitmaß wieder ab. Das Auftreten dieses Punktes ist im besonderen Maße abhängig vom w/z-Wert. Mit sinkendem w/z-Wert wird der Energieeintrag, der eine Verbesserung der Fließeigenschaften hervorruft, reduziert. Bei sehr niedrigen w/z-Werten (< 0,35), kann keine Verbesserung mehr beobachtet werden. Wird Fließmittel vor der Beschallung zur Zementsuspension zugegeben, können die Eigenschaften der Zementsuspension maßgeblich beeinflusst werden. In beschallten Suspensionen mit Fließmittel, konnte in Abhängigkeit des Energieeintrages die fließmittelbedingte Verzögerung des Erstarrungsbeginns deutlich reduziert werden. Weiterhin zeigt sich, dass der Energieeintrag, der notwendig ist um den Erstarrungsbeginn um einen festen Betrag zu reduzieren, bei Suspensionen mit Fließmittel deutlich reduziert ist. Auf Grundlage der Beobachtungen an Zementsuspensionen wird der Einfluss von Ultraschall in einen dispergierenden und einen beschleunigenden Effekt unterteilt. Bei hohen w/z-Werten dominiert der dispergierende Einfluss von Ultraschall und der Erstarrungsbeginn wird moderat verkürzt. Bei niedrigeren w/z-Werten der Zementsuspension, dominiert der beschleunigende Effekt wobei kein oder sogar ein negativer Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften beobachtet werden kann. Im nächsten Schritt werden die Untersuchungen auf den Betonmaßstab mit Hilfe einer Technikumsanlage erweitert und der Einfluss eines zweistufigen Mischens (also dem Herstellen einer Zementsuspension im ersten Schritt und dem darauffolgenden Vermischen mit der Gesteinskörnung im zweiten Schritt) mit Ultraschall auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften betrachtet. Durch die Anlagentechnik, die mit der Beschallung größerer Mengen Zementsuspension einhergeht, kommen weitere Einflussfaktoren auf die Zementsuspension hinzu (z. B. Pumpgeschwindigkeit, Temperatur, Druck). Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine Betonrezeptur mit und ohne Ultraschall hergestellt und die Frisch- und Festbetoneigenschaften verglichen. Darüber hinaus wurde ein umfangreiches Untersuchungsprogramm zur Ermittlung wesentlicher Dauerhaftigkeitsparameter durchgeführt. Aufbauend auf den Erfahrungen mit der Technikumsanlage wurde das Ultraschall-Vormischsystem in mehreren Stufen weiterentwickelt und abschließend in einem Betonwerk zur Betonproduktion verwendet. Die Untersuchungen am Beton zeigen eine deutliche Steigerung der Frühdruckfestigkeiten des Portlandzementbetons. Hierbei kann die zum Entschalen von Betonbauteilen notwendige Druckfestigkeit von 15 MPa deutlich früher erreicht werden. Das Ausbreitmaß der Betone (w/z-Wert = 0,47) wird infolge der Beschallung leicht reduziert, was sich mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen an reinen Zementsuspensionen deckt. Bei Applikation eines Überdruckes in der Beschallkammer oder einer Kühlung der Suspension während der Beschallung, kann das Ausbreitmaß leicht gesteigert werden. Allerdings werden die hohen Frühdruckfestigkeiten der ungekühlten beziehungsweise drucklosen Variante nicht mehr erreicht. In den Untersuchungen kann gezeigt werden, dass das Potential durch die Ultraschall-Beschleunigung genutzt werden kann, um entweder die Festigkeitsklasse des Zementes leitungsneutral zu reduzieren (von CEM I 52,5 R auf CEM I 42,5 R) oder eine 4-stündige Wärmebehandlung vollständig zu substituieren. Die Dauerhaftigkeit der Betone wird dabei nicht negativ beeinflusst. In den Untersuchungen zum Sulfat-, Karbonatisierung-, Chlorideindring- oder Frost/Tauwiderstand kann weder ein positiver noch ein negativer Einfluss durch die Beschallung abgeleitet werden. Ebenso kann in einer Untersuchung zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion kein negativer Einfluss durch die Ultraschallbehandlung beobachtet werden. In den darauf aufbauenden Untersuchungen wird die Anlagentechnik weiterentwickelt, um die Ultraschallbehandlung stärker an eine reale Betonproduktion anzupassen. In der ersten Iterationsstufe wird das in den Betonuntersuchungen verwendete Anlagenkonzept 1 modifiziert (von der In-line-Beschallung zur Batch-Beschallung) und als Analgenkonzept 2 für weitere Untersuchungen genutzt. Hierbei wird eine neue Betonrezeptur mit höherem w/z-Wert (0,52) verwendet, wobei die Druckfestigkeiten ebenfalls deutlich gesteigert werden können. Im Gegensatz zum ersten Beton, wird das Ausbreitmaß dieser Betonzusammensetzung gesteigert, was zur Reduktion von Fließmittel genutzt wird. Dies deckt sich ebenfalls mit den Beobachtungen an reinen Portlandzementsuspensionen, wo eine deutliche Verbesserung der Fließfähigkeit bei höheren w/z-Werten beschrieben wird. Für diese Betonrezeptur wird ein Vergleich mit einem kommerziell erhältlichen Erhärtungsbeschleuniger (synthetische C-S-H-Keime) angestellt. Hierbei zeigt sich, dass die Beschleunigungswirkung beider Technologien vergleichbar ist. Eine Kombination beider Technologien führt zu einer weiteren deutlichen Steigerung der Frühfestigkeiten, so dass hier von einem synergistischen Effekt ausgegangen werden kann. In der letzten Iterationsstufe, dem Anlagenkonzept 3, wird beschrieben, wie das Mischsystem im Rahmen einer universitären Ausgründung signifikant weiterentwickelt wird und erstmals in einem Betonwerk zur Betonproduktion verwendet wird. Bei den Überlegungen zur Weiterentwicklung des Ultraschall-Mischsystems wird der Fokus auf die Praktikabilität gelegt und gezeigt, dass das ultraschallgestütze Mischsystem die Druckfestigkeitsentwicklung auch im Werksmaßstab deutlich beschleunigen kann. Damit ist die Voraussetzung für eine ökologisch nachhaltige Optimierung eines Fertigteilbetons unter realen Produktionsbedingungen geschaffen worden.
In this thesis a simulation model for the Discrete Element Method is presented, which is capable to simulate the material behavior during the mixing process of fresh concrete. For the realistic modeling of the material behavior during the entire mixing process two major aspects have to be integrated in the model. On the one hand the correct, process-dependent representation of the moisture distribution within the mix is necessary. Second, the local material behavior defined by the current degree of humidity and the mix composition must be taken into account in the simulation model. For a correct simulation of the humidity distribution representation the fluid transfers between different wet contact partners (particles) was realized in the contact model. The fluid transfer is dependent on the moisture level of the two contact partners, their relative positioning to each other and the viscosity of the liquid to be transferred. In addition, the particle size plays a crucial role in the water absorption capacity of a particle and in the water transfer velocity. For the representation of the liquid content of each particle, all particles in the simulation model have an additional particle variable. Wetted solid particles can thus be represented as two-layered particles having an outer liquid layer and an inner solid core. The modeling of the material behavior is based on a subdivision into three different force components, which are applied dependent on the local moisture degree. The first force component comprises friction, damping and spring forces, which are used in dry solid contacts. The second force component consists of additional liquid bridge forces acting in weakly wetted materials. The liquid bridge forces are defined as a function of liquid volume, liquid composition, particle size and the distance of the contact partners. The third force component covers the viscous forces that occur due to the fluid layers between the contact partners. The viscous forces in the tangential direction are based on the Bingham model, which is commonly used for cementitious suspensions. The application of the Bingham model assumes knowledge of the rheological parameters yield stress and plastic viscosity, which need to be approximated from the local composition of the liquid layer. The basis of this approximation is provided by models of literature and experimental investigations that have been carried out in this work. Also, the definitions of the material-dependent fluid absorption volume and the liquid transfer velocity as well as the computation of the state-dependent liquid bridge forces are based on theoretical models and experimental studies. Experiments are supposed to support the relevant theoretical models, determine the material-specific model parameters and provide additional information outside the scope of the models. All aspects of the fluid absorption, fluid transfer and the moisture-dependent material behavior are implemented in the simulation and verified by the remodeling of the experiments. The interplay of all aspects of the model is validated by the simulation of an experimentally investigated concrete mixing process in a compulsory mixer for two concrete recipes with different w/c ratios without using additives and admixtures. During the mixing process the power consumption of the mixer was recorded and compared with the approximated power consumption in the simulation, deduced from the torque data. Thereby a good qualitative agreement of the power curve was achieved, which reflects a realistic pass through the various phases of the material states during the mixing process. As an additional comparison criterion the slump or the slump flow was determined after the mixing process. Again, a good qualitative agreement between experiment and simulation was achieved. Thus the basic applicability of the model to simulate the material behavior during the fresh concrete mixing process is demonstrated using a selected concrete mix.
In der vorliegenden Dissertation wird ein Simulationsmodell für die Diskrete Elemente Methode vorgestellt, das in der Lage ist, das Materialverhalten während des Mischprozesses von Frischbeton nachzubilden. Zur realitätsnahen Abbildung des Materialverhaltens während des gesamten Mischprozesses ist zum einen die korrekte, prozessabhängige Modellierung der Feuchtigkeitsverteilung im Mischgut notwendig. Zum anderen definiert sich das lokale Materialverhalten durch den aktuellen Feuchtegrad und die Materialzusammensetzung der Mischung und muss im Simulationsmodell Berücksichtigung finden. Zur korrekten Modellierung der Feuchteverteilung wurde der Flüssigkeitstransfer zwischen unterschiedlich feuchten Kontaktpartnern (Partikeln) im Simulationsmodell realisiert. Der Flüssigkeitstransfer ist dabei abhängig vom Feuchtegrad der beiden Kontaktpartner, ihrer relativen Positionierung zueinander und der Viskosität der zu transferierenden Flüssigkeit. Zudem spielt die Partikelgröße eine entscheidende Rolle bei der Flüssigkeitsaufnahmefähigkeit eines Partikels und bei der Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransfers. Zur Repräsentation des Flüssigkeitsanteils aller Partikel im Simulationsmodell erhält jedes Partikel eine zusätzliche Partikelvariable. Feuchte Feststoffpartikel lassen sich somit als zweischichtige Partikel repräsentieren, die eine äußere Flüssigkeitsschicht und einen inneren Feststoffkern besitzen. Die Modellierung des Materialverhaltens basiert auf einer Unterteilung in drei verschiedene Kraftkomponenten, die in Abhängigkeit der lokalen Feuchtegrade Anwendung finden. Die erste Kraftkomponente umfasst Reibungs-, Dämpfungs- und Federkräfte, die bei trockenen Feststoffkontakten zum Einsatz kommen. Die zweite Kraftkomponente besteht aus zusätzlichen Flüssigkeitsbrückenkräften, die bei leicht angefeuchteten Materialien wirken. Die Flüssigkeitsbrückenkräfte sind abhängig von Flüssigkeitsvolumen, Flüssigkeitszusammensetzung, Partikelgröße und Abstand der Kontaktpartner. Die dritte Kraftkomponente umfasst die viskosen Kräfte, die bedingt durch die Flüssigkeitsschichten zwischen den Kontaktpartnern auftreten. Die viskosen Kräfte in Tangentialrichtung basieren auf dem Bingham-Modell, das häufig für zementgebundene Suspensionen eingesetzt wird. Die Anwendung des Bingham-Modells setzt die Kenntnis der rheologischen Kenngrößen Fließgrenze und plastische Viskosität voraus, die aus der lokalen Zusammensetzung der Flüssigkeitsschicht approximiert werden müssen. Die Grundlage für diese Approximation bilden sowohl Modelle aus der Literatur als auch experimentelle Untersuchungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Auch die Definitionen der materialabhängigen Flüssigkeitsaufnahmemengen und -geschwindigkeit sowie die Berechnung der zustandsabhängigen Flüssigkeitsbrückenkräfte basieren auf theoretischen Modellen und experimentellen Untersuchungen. Die Experimente sollen die entsprechenden theoretischen Modelle stützen, die materialspezifischen Modellparameter bestimmen und zusätzliche Daten außerhalb des Gültigkeitsbereichs der Modelle liefern. Alle Einzelaspekte der Flüssigkeitsaufnahme, des -transfers und des feuchteabhängigen Materialverhaltens werden in der Simulation implementiert und anhand der Nachbildung der Experimente überprüft. Das Zusammenspiel aller Modellaspekte wird anhand der Simulation eines experimentell durchgeführten Betonmischprozesses in einem Zwangsmischer für zwei Rezepturen mit unterschiedlichen w/z-Werten ohne Verwendung von Zusatzstoffen und -mitteln validiert. Während des Mischprozesses wurde die Leistungsaufnahme des Mischers erfasst und mit der aus dem Drehmoment abgeleiteten Leistungsausnahme aus der Simulation verglichen. Dabei zeigte sich eine gute qualitative Übereinstimmung des zeitlichen Leistungsverlaufs, der das realistische Durchlaufen der verschiedenen Phasen der Materialzustände widerspiegelt. Als zusätzliches Vergleichskriterium wurde nach dem Mischprozess das Setz- bzw. Setzfließmaß ermittelt. Auch hier zeigte sich eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Damit konnte die grundsätzliche Anwendbarkeit des Modells zur Nachbildung des Materialverhaltens während des Frischbetonmischprozesses anhand einer ausgewählten Betonrezeptur demonstriert werden.
The historical development of concrete and light concrete is explained and dates all the way back to the Phoenicians at approximately 1200 BC. Super-light concrete technology is also inspired by techniques of vaults and cupolas developed in the Roman Empire.
Owing to the ongoing increase in world population, two challenges in the field of construction materials need to be solved: first, the sustainability and, second, the durability of the materials used. Whereas there are first concepts to address either issue independently, combined approaches are still scarce. We here present a hybrid mortar system, in which two different additives achieve this dual goal: a biological additive minimizes the ingress of water into mortar, thus improving the durability of the material, and a second group of additives reduces the ecological impact of the material by lowering the amount of carbon dioxide emission associated with cement production. Our results indicate how either additive affects the pore structure of the hybrid material and how this affects its mechanical competence and resistance to water ingress. If a similar concept can also be applied to other cementitious materials, it may present an urgently needed short-term solution to improve the sustainability of construction materials.
Beton und Mörtel sind bis heute die meist verwendeten Stoffe im Bauwesen und folglich für den Bauingenieur von besonderer Bedeutung.
Steel is a critical material for many aspects of modern life. Transport systems, communications, civil infrastructure, and industrial engineering could not survive without it, yet the steel industry is reported to be responsible for 5 – 7 % of anthropogenic CO2 emissions making it a major contributor to climate change. Efficient utilization of the carbon rich by‐products of steel production in order to avoid CO2 emissions is vital. Traditionally by‐product gases have been used as fuel‐gas for heating applications or for power generation. Alternative chemical applications are now being developed based upon utilization of the gases as raw materials for chemicals production.
The ingress of water into mortar and concrete is an ongoing problem which can reduce the lifetime of cementitious structures. Commonly used approaches that aim at preventing water ingress mainly employ an additional surface treatment after the casting process. Thus, they are time consuming and make use of synthetic, non-sustainable additives. In contrast, it was shown recently that a biological material, i.e. a bacterial biofilm generated by B. subtilis 3610 bacteria, can be used as a bulk additive which lead to hybrid mortar with increased wetting resistance. Here, we demonstrate that a similar enhancement of the water-resistance of mortar can be achieved by using different bacterial additives, i.e., wet biofilm, freeze-dried biofilm powder and bacterial suspensions, each of which can be produced by one of three selected variants of B. subtilis bacteria. We characterize the mechanical properties of the different hybrid mortar variants regarding their setting behavior, tensile and compressive strength and density. Our results imply that bacterial additives could be an eco-friendly and sustainable alternative to existing synthetic mortar additives.
Die energetische Optimierung des baukonstruktiven Gefüges denkmalgeschützter Gebäude bildet seit vielen Jahren einen grundlegenden Teilbereich der diesbezüglichen Sanierungstätigkeit in Deutschland. Dabei werden sowohl die verfügbaren Sanierungstechniken sowie die zugehörigen Planungs- und Simulationswerkzeuge kontinuierlich weiterentwickelt. Eine Rückschau auf zahlreiche, in den vergangenen 15 Jahren analysierte Schadensfälle im energetisch optimierten Denkmalbestand zeigt aus der Sicht der Verfasser, dass ein wesentliches Verbesserungspotenzial insbesondere im Hinblick auf die planungsvorbereitenden Voruntersuchungen am Denkmalobjekt besteht.
Mit der Aufklärung und den ersten Schritten hin zum Projekt der Moderne als einem liberalen Projekt gehen zeitlich auch die ersten wirklich systematischen Versuche zur Formulierung einer Theorie der Technik als modernes Phänomen einher. Die ersten Schritte auf dem Weg in die Moderne, das hat Peter Wagner in seiner Soziologie der Moderne gezeigt, sind aber nicht nur davon geprägt, dass in ihnen die „Blütezeit der liberalen Ideologie mit der Bourgeoisie auf dem Weg zur Herrschaft“109 gesehen werden sollte. Vielmehr ist gerade die frühe Moderne bis etwa zur Wende zum 20. Jahrhundert auch davon durchzogen, dass die Gedanken der individuellen und freien Handlungsmöglichkeiten mit bestimmten Grenzziehungen gegen diese Möglichkeiten verbunden werden. Diese restringiert liberale Moderne, die von den bürgerlichen Revolutionen bis ins frühe 20. Jahrhundert reicht, ist eine Zeit der Auflösung, einer Art Öffnung und Ausbreitung moderner Praktiken und Handlungsmöglichkeiten.
Silikatische Erzeugnisse Anorganische Fasern Baustoffe Keramik Hartstoffe Kohlenstoffmodifikationen Füllstoffe Anorganische Pigmente
Kurzer historischer Abriss. Chemische und mineralogische Zusammensetzung des Portlandzementklinkers. Zementtechnische Eigenschaften der Klinkermineralien. Rolle des Gipses als Erstarrungsregler. Charakteristik und Eigenschaften der Zementzumahlstoffe Hüttensand, Trass, Flugasche, Ölschiefer und Silicastaub. Zumahlstoffzemente im Beton. Zementmahlung. Hydratation der silicatischen Phasen der Zemente. Vergleich der Hydratationsprodukte. Reaktionskinetik und -geschwindigkeit bei der Hydratation des Portlandzements. Reaktionen während der Frühphase der Hydratation. Der Hydratationsgrad als Maß für den Hydratationsfortschritt. Normalzemente nach DIN EN 197-1 und Zemente mit besonderen Eigenschaften nach DIN EN 197-1, DIN EN 14216 und DIN 1164. Sulfathüttenzement und Feinstzemente.
Einleitung Mörtel und Putze Untersuchungen historischer Mauerwerksbauten Mörtel und Putze Applikation von Mörtel und Putzen Auswahl geeigneter Reparaturmaterialien anhand von beispielhaften Objekten Zusammenfassung Literatur
Efficiency of ultradispersed and colloidal silica-containing materials as inhibitors of the alkaline corrosion of cement formulations
containing reactive fillers was studied. It was found that the dispersity of the silica-containing materials affects their
inhibiting capacity.
Das Hohlmauerwerk ist eine zweischalige Konstruktionsform des Ziegelmauerwerks, die in verschiedenen Regionen Deutschlands insbesondere im 19. Jahrhundert verbreitet war. Zur Herstellung von Wänden aus Hohlmauerwerk verwendete man häufig Vollziegel, welche in speziellen Verbänden so vermauert wurden, dass im Inneren planmäßige Hohlräume entstanden. Nachfolgend werden Hohlmauerwerkskonstruktionen des 19. Jahrhunderts in ihren typischen Konstruktionsformen und ihrer Entwicklung dargestellt. Die Ausführungen basieren dabei sowohl auf umfangreichen Bestandsaufnahmen an datierten Beispielgebäuden in Dresden und Umgebung als auch auf einer Quellenrecherche in Fachbüchern und Aufsätzen der Bauzeit.
ResearchGate has not been able to resolve any references for this publication.