USE OF CELLULAR CONCRETE FOR AIR CONVECTION EMBANKMENT TO PROTECT PERMAFROST FOUNDATION IN COLD REGIONS

Crushed-rock air convection embankment (ACE) has been used to mitigate thaw settlement, and pavement distresses caused by climatic extremes in permafrost regions for over three decades. However, the desired crushed rocks needed for ACE are not readily available in many areas of interior Alaska. Burdened by the need to ship suitable rocks to remote locations, the cost of constructing an ACE is often prohibitively high, which prevents its wide use in Alaska. An existing cementitious material, cellular concrete, may provide the solution. This study intends to systematically characterize the heat transfer patterns of ACE and identify the performance benefits of using cellular concrete for ACE through material laboratory tests, modeling, and numerical simulation. A feasibility study on the use of cellular concrete as an alternative material for ACE was conducted. The impacts of lightweight aggregate ACE on the overall pavement performance were evaluated. The design configurations of cellular concrete block ACE were further designed to maximize performance benefits and facilitate future implementation and field construction. The studies presented in this work show that the thermal stability and preliminary cost-benefit of cellular concrete ACE were superior to the conventional embankments. Cellular concrete aggregate ACE could effectively mitigate moisture warping and temperature curling of the asphalt concrete layer. The proposed hollow cellular concrete block ACEs significantly accelerated the air convection in the embankment in winter and improved the heat insulation effect of the pavement structures in summer. Which significantly mitigated the thaw settlement of ice-rich subgrade in permafrost regions --Abstract, p. i

Program and Abstracts for Clay Minerals Society 28th Annual Meeting

This volume contains abstracts that were accepted for presentation at the annual meeting. Some of the main topics covered include: (1) fundamental properties of minerals and methods of mineral analysis; (2) surface chemistry; (3) extraterrestrial clay minerals; (4) geothermometers and geochronometers; (5) smectite, vermiculite, illite, and related reactions; (6) soils and clays in environmental research; (7) kaolinite, halloysite, iron oxides, and mineral transformations; and (8) clays in lakes, basins, and reservoirs

Characterization of Impactite Clay Minerals with Implications for Mars Geologic Context and Mars Sample Return

Geological processes, including impact cratering, are fundamental throughout rocky bodies in the solar system. Studies of terrestrial impact structures, like the Ries impact structure, Germany, have informed on impact cratering processes – e.g., early hot, hydrous degassing, autometamorphism, and recrystallization/devitrification of impact glass – and products – e.g., impact melt rocks and breccias comprised of clay minerals. Yet, clay minerals of authigenic impact origin remain understudied and their formation processes poorly-understood. This thesis details the characterization of impact-generated clay minerals at Ries, showing that compositionally diverse, abundant Al/Fe/Mg smectite clays formed through these processes in thin melt-bearing breccia deposits of the ejecta, as well as at depth. The inherent complexity of smectites – their formation, type, structure, and composition – makes their provenance difficult to discern; these factors may explain why impact-generated and altered materials, which comprise an appreciable volume and extent of Mars’ ancient Noachian crust, are not generally recognized as a source of the enigmatic clays that are ubiquitous in those regions. Clay minerals can provide a defining window into a planet’s geologic and climatic past as an indicator of water availability and geochemistry; the presence of clay minerals on Mars has been used to support the hypothesis of climatically “warm, wet” ancient conditions. Yet, climate modeling of Early Mars suggests that the likely nature of the climate was not conducive to long-term aqueous activity. We suggest that the omission of impact-generated materials in current models of Mars clay mineral formation leaves a fundamental gap in our understanding of Noachian crustal materials – materials that were continually recycled and completely transformed on a global scale over millennia on Mars. The opportunity to investigate clay-bearing impactites and strata-bound clay minerals will be presented to the upcoming NASA Mars 2020 and ESA ExoMars rovers; this thesis offers caution in assigning clay mineral provenance until samples are returned to Earth from these missions. We furthermore suggest a methodological approach to augment current rover-based exploration frameworks to characterize potential impact-origin. Discerning clay species and provenance – and acknowledging the implications of that provenance – is central to understanding the geologic context of Mars, and thus its past climatic conditions and habitability potential

Mobility and Reactivity of Sulfate Green Rust and Sulfidized Nanoscale Zerovalent Iron for In-Situ Remediation of Chromium Contaminated Sites

Die Verunreinigung von Grundwasser durch Schadstoffe ist eines der größten globalen Umweltprobleme, da es vielerorts die Wasserversorgung von Menschen und Tieren bedroht. Überall auf der Welt verschlechtert sich die Qualität des Grundwassers aufgrund anthropogener Umweltverschmutzungen (z.B. durch industrielle und landwirtschaftliche Aktivitäten, Haus- und Siedlungsabfälle, Industrieabwässer usw.), die oft zuerst an der Erdoberfläche auftreten und sich anschließend in den Untergrund ausbreiten. Unter den vielen Schadstoffen, die häufig in Böden und im Grundwasser zu finden sind, stellt Chrom (Cr) eine ernsthafte Bedrohung dar, da es in seiner sechswertigen Form (Cr(VI)) nachweislich stark gesundheitsgefährdend ist und in zahlreichen Industriezweigen Anwendung findet. Gegenwärtig werden viele Anstrengungen unternommen, die Kontamination von Böden und Grundwasserressourcen zu reduzieren bzw. zu verhindern und es wurde eine Vielzahl von Sanierungsstrategien entwickelt, um verunreinigte Standorte zu dekontaminieren. Dennoch besteht nach wie vor ein großer Bedarf an innovativen, disruptionsarmen und kostengünstigen Technologien für die in-situ Sanierung von Altlasten. Der große Vorteil von in-situ gegenüber ex-situ Sanierungsverfahren ist die Immobilisierung von Schadstoffen direkt im Untergrund, zum Beispiel durch die Implementierung einer durchlässigen reaktiven Zone/Barriere, welche durch das Einbringen eines reaktiven Materials (Reaktant) in den Untergrund erzeugt wird. Für eine erfolgreiche Sanierung muss dieses Material jedoch lange genug reaktiv bleiben, um die Schadstoffkonzentration unter die angestrebten Sanierungsziele zu senken. Darüber hinaus muss im Falle von Injektionsstrategien die Transportfähigkeit des Reaktanten innerhalb des Grundwasserleiters gewährleistet sein und ist daher ebenso bedeutsam wie seine Reaktivität. Ziel dieser Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis der Reaktivität und des Transportverhaltens von zwei vielversprechenden Nanomaterialien auf Eisenbasis, Grüner Rost Sulfat (GRSO4) und sulfidiertes nullwertiges Nano-Eisen (S-nZVI), beizutragen, um umweltschonende und effiziente in-situ Sanierungsstrategien zu entwickeln. Aus diesem Grund wurden Laborexperimente konzipiert und durchgeführt, um die Wirksamkeit von GRSO4 und S-nZVI zur Immobilisierung von Cr(VI) in simulierten permeablen reaktiven Barrieren (PRBs) zu bewerten und ihre Eignung als injizierbare reaktive Nanomaterialien zu evaluieren. Der erste Teil der Arbeit untersucht die geochemischen Prozesse, die während der Cr(VI)-Immobilisierung durch GRSO4 und S-nZVI auftreten. Durch die Kombination von Batch-Experimenten mit Säulenversuchen wurde die Reaktivität beider Reaktanten in porösen Medien (Quarzsand) unter statischen und dynamischen Bedingungen untersucht. Die in beiden Systemen beobachtete Immobilisierung von Cr(VI) wird in erster Linie als eine Reduktion von Cr(VI) zu Cr(III) interpretiert. Zusätzlich kann unter bestimmten Bedingungen die Adsorption von Cr(VI) an neu gebildeten Fe(III)-Hydroxiden eine Rolle spielen. Der Vergleich der Ergebnisse von Batch-Experimenten mit und ohne Quarzsand zeigt, dass die Anwesenheit des porösen Mediums die Immobilisierungsprozesse nicht beeinträchtigt. Die Säulenversuche beweisen jedoch, dass die Reaktivität von GRSO4 und S-nZVI unter dynamischen Bedingungen im Vergleich zu den statischen Batch-Experimenten erheblich schneller erschöpft wird. Diese früher eintretende Erschöpfung erklärt sich durch den konstanten Cr(VI)-Zufluss, der die Reaktionsraten auf den Oberflächen der reaktiven Nanomaterialen auf einem konstant hohen Niveau hält, was wiederum eine schnellere Oberflächenpassivierung induziert. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse aus verschiedener Versuchsreihen von Säulenexperimenten unter variierenden Bedingungen darauf hin, dass saure pHBedingungen und eine geringere Strömungsgeschwindigkeit des kontaminierten Wasserkörpers durch das reaktive Medium zu einer höheren Cr(VI)-Immobilisierung führen. Diese Ergebnisse machen deutlich, wie wichtig die Durchführung umfangreicher reaktiver Säulenversuche ist, bevor im Labor getestete Applikationen auf den Feldmaßstab hochskaliert werden. Darüber hinaus zeigt der Vergleich der beiden Materialien eine deutlich bessere Wirksamkeit von GRSO4 im Vergleich zu S-nZVI, obwohl im Falle von S-nZVI eine höhere Menge an reduzierenden Eisenäquivalenten vorhanden ist. Dies lässt sich durch die Tatsache erklären, dass die Reduktion von Cr(VI) durch GRSO4 nicht nur an der Partikeloberfläche, sondern auch in den Zwischenschichten stattfindet, so dass im Vergleich zur Core-Shell-Struktur von S-nZVI trotz geringerer Menge an Eisenäquivalenten mehr funktionelle Stellen vorhanden sind. Darüber hinaus neigen S-nZVI-Partikel dazu, aufgrund ihrer magnetischen Anziehung größere Aggregate zu bilden, was zu einer Verringerung der verfügbaren reaktiven Oberfläche führt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Transportverhalten von GRSO4 und S-nZVI in einem Modellsubstrat (Quarzsand), mit dem Ziel, ihre Verwendung als injizierbare Partikel zu bewerten und die Faktoren zu identifizieren, die ihre Mobilität beeinflussen. Um diese Forschungsfragen zu beantworten, wurden Analysen zur Partikelcharakterisierung in Kombination mit Säulenexperimenten zum Transportverhalten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die vernachlässigbare Mobilität des getesteten GRSO4, im Vergleich zu dem höheren Transportpotential von S-nZVI nach entsprechender Modifikation mit dem anionischen Stabilisator Natriumcarboxymethylcellulose (CMC). Die Ergebnisse zeigen insbesondere, dass GRSO4 nicht durch die Hohlräume des porösen Mediums migriert, was hauptsächlich auf seine Korngröße und hexagonale Form zurückzuführen ist, die zum Verstopfen der Poren führen. Darüber hinaus führt die Anziehung zwischen der positiven Oberflächenladung von GR und den negativ geladenen Sandpartikeln zu ungünstigen Bedingungen für die Partikelmobilität. Demgegenüber weist S-nZVI, das nach der Synthese mit CMC modifiziert wird (post-grafting Methode), eine bessere Transportfähigkeit auf als reiner S-nZVI und sein entsprechendes Pendant, das während der nZVI-Synthese mit CMC modifiziert wurde (pre-grafting Methode). Obwohl die postgrafting Methode zu etwas größeren Partikelgrößen führt, bewirkt sie höhere elektrosterische Kräfte (Kombination von sterischen und elektrostatischen Kräften), die die Anziehungskräfte zwischen den Partikeln ausgleichen. Dies begrenzt die Bildung von größeren und schwereren Aggregaten und begünstigt so die Partikelmigration durch die Hohlräume der Matrix. Insgesamt ist die Mobilität von S-nZVI innerhalb des porösen Mediums stark abhängig von der kolloidalen Stabilität der Partikel und der Wirksamkeit der Oberflächenmodifikation. Die Ergebnisse der online überwachten Säulenversuche deuten darauf hin, dass sich Partikelmobilität durch eine höhere Injektionsflussgeschwindigkeit, eine geringere Partikelkonzentration und höhere CMC-Konzentrationen grundsätzlich verbessert. Die Ergebnisse der Magnetresonanztomographie (MRT) zeigen, dass es möglich ist, die Bewegung der Partikel durch die Quarzsandmatrix zu verfolgen, die Kinetik der Partikelmigration zu bewerten, bevorzugte Strömungswege zu identifizieren und die räumliche Verteilung der Partikel zu rekonstruieren. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die bessere Eignung von GRSO4 zur Immobilisierung von Cr(VI) in PRB-Anwendungen und das höhere Transportpotential von S-nZVI für injektionsbasierte in-situ Technologien. Die Ergebnisse tragen dazu bei, das Wissen über das Verhalten dieser eisenhaltigen Nanomaterialien als Reaktanten für die Grundwassersanierung zu erweitern und bestätigen, dass es sich lohnt, weitere Studien zu ihrer Anwendung im Feldmaßstab durchzuführen

Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems

This open access book gathers authoritative contributions concerning multiscale problems in biomechanics, geomechanics, materials science and tribology. It is written in memory of Sergey Grigorievich Psakhie to feature various aspects of his multifaceted research interests, ranging from theoretical physics, computer modeling of materials and material characterization at the atomic scale, to applications in space industry, medicine and geotectonics, and including organizational, psychological and philosophical aspects of scientific research and teaching as well. This book covers new advances relating to orthopedic implants, concerning the physiological, tribological and materials aspects of their behavior; medical and geological applications of permeable fluid-saturated materials; earthquake dynamics together with aspects relating to their managed and gentle release; lubrication, wear and material transfer in natural and artificial joints; material research in manufacturing processes; hard-soft matter interaction, including adhesive and capillary effects; using nanostructures for influencing living cells and for cancer treatment; manufacturing of surfaces with desired properties; self-organization of hierarchical structures during plastic deformation and thermal treatment; mechanics of composites and coatings; and many more. Covering established knowledge as well as new models and methods, this book provides readers with a comprehensive overview of the field, yet also with extensive details on each single topic

Numerical simulations of coupled processes in rock fractures

Reservoirmodelle sind unerlässlich, um das Potential und Risiken bei der Gewinnung geothermischer Energie zu beurteilen. Eine wesentliche Einschränkung zuverlässiger Reservoirmodelle ist jedoch die Verfügbarkeit benötigter Kluftparameter, die oftmals auf allzu einfachen oder auch fehlenden Methoden beruhen oder extrem aufwändige experimentelle Aufbauten benötigen. Um passende Klufteigenschaften zu definieren, ist es daher nötig, die zugrundeliegenden (oftmals gekoppelten) thermischen, hydraulischen, chemischen und mechanischen (THCM) Prozesse zu verstehen und zu quantifizieren, indem man wirkungsvolle, aber anwendungsorientierte Methoden zur Kluftanalyse entwickelt. Um diese Erfordernisse anzugehen, werden in dieser Arbeit drei voneinander unabhängige Herangehensweisen vorgestellt: In Studie 1 wird ein kontaktmechanischer Ansatz basierend auf einer neuartigen, frei zugänglichen Web-Anwendung, die sowohl elastische als auch elastisch-plastische Kontaktdeformation innerhalb der Kluft betrachtet, vorgestellt und anhand von Uniaxialtests an einer kreisrunden Granodiorit-Kluft validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass insbesondere der elastisch-plastische Ansatz eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der experimentellen Normalverschiebung aufweist. Im Gegensatz zu anderen schnellen und leicht anwendbaren Kontaktmodellen, berücksichtigen sowohl das elastische als auch das elastisch-plastische Model eine realitätsnahe Wiedergabe der Kontaktbereiche (< 2 % bei 10 MPa Auflast) und das Auftreten ungleichmäßiger lokaler Vertikalversätze. Obwohl ein genereller Widerstand gegen ausgeprägte nicht-elastische Deformation (sogar bei 10 MPa) zu beobachten ist, was auch durch die neu hergeleitete relative Härte von 0.14 bekräftigt wird, bestätigen die lokalen Kontaktbelastungen die höhere Validität des elastisch-plastischen Kontaktmodels. In Studie 2 wird eine neuartige Vorgehensweise, basierend auf zerstörungsfreien in situ Scans mittels medizinischer Computertomografie (CT), vorgestellt, die sich als geeignet erweist um den Fluidfluss in weniger rauen Klüften mit kleinen Öffnungsweiten (< 35 μm) annäherungsweise numerisch zu bestimmen. Die Ergebnisse werden anhand von Durchflussexperimenten an einer geklüfteten Sandsteinprobe unter Be- und Entlastungsbedingungen validiert, die zeitgleich zu der CT-Scans durchgeführt wurden. Abweichungen von den experimentellen Durchflussergebnissen sind bedingt durch unvermeidbare Abweichungen während der Kalibrierung der Öffnungsweiten, durch Einflussnahme der Gesteinsmatrix und durch die grobe Auflösung des CT Geräts. Trotz dieser Abweichungen, zeigen die Simulationen ein ausgeprägtes lastabhängiges Fließverhalten („Channeling“) und ein permanentes oder vorübergehendes Schließen einzelner Fließwege, wobei deutlichere Änderungen des Fließregimes unterhalb der Auflösung (0.5 × 0.5 × 1.0 mm³) der CT-Scans zu erwarten sind. In Studie 3 wird ein Phasenfeld-Model für hydrothermalbedingten Quarzwachstum angewandt, um den Einfluss der entstehenden Fällungs-Geometrien auf die hydraulischen Eigenschaften von Klüften zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass der Fluidfluss in teilweise mineralisierten Klüften deutlich abhängig vom Kristallhabitus der ausgefällten Minerale ist. Für eher gestreckte Kristalle entwickeln sich typischerweise sogenannte „Kristallbrücken“, die ausgeprägte Fließbarrieren bilden und die Bildung von hydraulischen Klufteigenschaften begünstigen, die denen eines porösen Medium ähneln. Auf Basis der Strömungssimulationen kann eine neuartige semi-empirische Gleichung hergeleitet werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Klüften abzuschätzen. In Rahmen dieser Thesis werden somit drei einfach anwendbare Methoden vorgestellt, welche die Grundlage für weitere Untersuchungen an Klüften darstellen und für verschiedenartige Kluft-Fragestellungen verwendet werden können. Die Web-Anwendung stellt eine schnelle und frei zugängliche Methode dar, die genutzt werden kann, um die druckabhängige Normalverschiebung von Klüften basierend auf herkömmlichen Oberflächenscans zu untersuchen. Der vorgeschlagene zerstörungsfreie Ansatz für medizinische CT-Scans ist sinnvoll, um beispielsweise die hydraulischen Eigenschaften von dicht verschlossenen, chemisch alterierten Klüften abzuschätzen. Die neu hergeleitete Gleichung der dritten Studie liefert eine effizientere Alternativlösung zu herkömmlichen Modellen, die zur Bestimmung der hydraulischen Kluftöffnungsweite entwickelt wurden, und kann genutzt werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Klüften relativ unkompliziert abzuschätzen

Tracing back the source of contamination

From the time a contaminant is detected in an observation well, the question of where and when the contaminant was introduced in the aquifer needs an answer. Many techniques have been proposed to answer this question, but virtually all of them assume that the aquifer and its dynamics are perfectly known. This work discusses a new approach for the simultaneous identification of the contaminant source location and the spatial variability of hydraulic conductivity in an aquifer which has been validated on synthetic and laboratory experiments and which is in the process of being validated on a real aquifer