Betrachtung instationärer zementöser Schaumstrukturen

Materialtechnologisches Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, die Herstellung und Anwendung von mineralisiertem Schaum leichter beherrschbar zu machen. Für eine niederschwellige bautechnische Verwendbarkeit des Materials ist u. a. eine gewisse Systemrobustheit des nicht abgebundenen mineralischen Schaumes unbedingte Voraussetzung. Nach einer einleitenden Analyse der materialtechnologischen Probleme und der Entwicklung wissenschaftlicher Ziele folgt in der vorliegenden Dissertationsschrift eine themenbezogene Grundlagenrezension. Aufbauend auf den daraus abgeleiteten Erkenntnissen und auf Basis eigener Vorversuche werden Forschungshypothesen formuliert, die der Ausrichtung des Ablaufs der wissenschaftlichen Untersuchungen und Diskussionen dienen. Im Rahmen dieser Forschungsansätze werden Zusammenhänge zwischen den Feststoffeigenschaften von mineralisiertem Schaum und den Eigenschaften des nicht abgebundenen mineralischen Schaums bzw. den rheologischen Eigenschaften sowie dem Abbindeverhalten seiner kontinuierlichen zementösen Phase hergestellt. In diesem Zusammenhang wird insbesondere hypothetisiert, dass die Haltbarkeit von flüssigem Schaum stark von den Eigenschaften der kontinuierlichen Phase abhängt. Somit ist demzufolge die Robustheit des Gesamtsystems auch bestimmend für die endgültige Struktur des mineralisierten Schaumes. Die Versuchsmethoden und deren Durchführung sind anschließend ausführlich in Wort und Bild im Rahmen dieser Arbeit dargestellt. Ein erster Schritt zur methodischen Lösung der wissenschaftlichen Fragestellungen besteht in der Aufstellung und Prüfung eines Mischungsentwurfes sowie in der Definition und Evaluation einer Herstellungstechnik für mineralisierten Schaum. Im weiteren Verlauf der Arbeit können zunächst die grundsätzlich hypothetisierten Zusammenhänge zu einem Großteil messbar nachvollzogen werden. So werden, durch eine Charakterisierung der Bindemittelleimrheologie als kontinuierliche Phase von mineralischem Schaum und einer Dokumentation der zeitlichen Schaumstabilität, die Wechselwirkungen dieser Faktoren verdeutlicht und quantifiziert. Diese Erkenntnisse werden zudem mit Feststoffmerkmalen von mineralisierten Schäumen in Beziehung gesetzt. Dementsprechend erfolgen Untersuchungen der instationären Struktureigenschaften von mineralisiertem Schaum zur Beschreibung von Verteilung, Volumenanteil und Form seiner diskontinuierlichen Phase. Daneben werden mechanische und bauphysikalische Eigenschaften für das im vorliegenden Zusammenhang untersuchte Material ermittelt. Eine abschließende Schematisierung der instationären Struktur des mineralischen und mineralisierten Schaums bildet eine Basis für eine differenzierte simulative Betrachtung der integralen Zusammenhänge zwischen den genannten einzelnen Materialkennwerten. Den Abschluss der Arbeit bilden eine Darstellung von Anwendungsmöglichkeiten der erlangten Erkenntnisse und eine Diskussion weiteren Forschungsbedarfs

Ein multifunktionales und energetisch aktives Fassadenelement aus Beton

Eine Erhöhung der Energieeffizienz in der Industrie wird derzeit in erster Linie auf Ebene der einzelnen Maschinen durch isolierte, parallel laufende Maßnahmen erzielt. Deutlich mehr Potenzial bietet ein ganzheitlicher Ansatz, der Energieeffizienzmaßnahmen in der Produktion über die Gebäudeautomation mit der Gebäudehülle und damit der Umwelt verknüpft. Gegenstand dieses Aufsatzes ist die Vorstellung eines neuartigen, im Rahmen des Forschungsvorhabens “η-Fabrik” (Energieeffizienz, Technologie und Anwendungszentrum, http://www.eta-fabrik.de) an der TU Darmstadt in der Entwicklung befindlichen Bauteils in Fertigteilbauweise. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt hat im Sommer 2013 begonnen und läuft über vier Jahre. Erste mechanische und bauphysikalische Versuche und ein Mock-Up belegen die Funktionsfähigkeit des angedachten Konzepts. Es handelt sich dabei um ein mineralisch gebundenes Element aus Beton, das mittels oberflächennaher integrierter Kapillarrohrmatten thermisch aktiviert wird. Dabei werden den unterschiedlichen Bauteilebenen energetische Funktionalitäten entsprechend ihres Werkstoffverhaltens zugewiesen. Der hierfür an der Außenseite eingesetzte mikrobewehrte ultrahochfeste Beton ermöglicht diese (Re-)Aktivität durch eine geringe Bauteildicke und hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit und Dichtheit. Der Kern, bestehend aus einem mineralisierten und zementgebundenen Proteinschaum geringer Rohdichte und Festigkeit, bedingt die gute Wärmedämmeigenschaft des Elements. Innen übernimmt konventioneller Stahlbeton in Form von PI-Platten, der ebenfalls mit Kapillarrohrmatten versehen wird, die Tragfunktion. Das Bauteil kann so die Eigenschaften des Tragens, des Dämmens, des Begrenzens sowie der thermischen Aktivierung in einem Element vereinen. An energy-active façade element from mineralized foam (MF) and micro-reinforced ultra-high-performance concrete (mrUHPC) Today, an increase of the energy efficiency in the industry is typically achieved by separate, parallel measures, primarily on the level of the individual machines. Energy efficiency can be improved by a holistic, integrated approach, which links the machines, the production process, the technical infrastructure and the building and its envelope. The subject of this paper is the current development of a new prefabricated element for façades and roofs, which is being developed in the context of a research project called “η-Fabrik” (i. e. energy-efficient factory, www.eta-fabrik.de) at TU Darmstadt, Germany. The project started in summer 2013 and is supported by the German ministry of economy and energy (BMWi) for a duration of four years. This paper summarizes the concept design; ongoing mechanical and physical tests and a mock-up prove its feasibility. The element consists of purely mineral materials (concrete) and can be energetically activated by capillary tubes integrated in the surface layer. The outer layer consists of a micro-reinforced ultra-high-performance concrete (mrUHPC) to achieve a low component thickness due to its high mechanical capacity, resistance against thermal changes, surface quality and low permeability. The core of the element is responsible for insulation. For this, a mineralized protein foam (MF) is used. It provides good thermal insulation properties due to its low density allowing low heat transfer coefficients. The inner part consists of conventional reinforced concrete with capillary tubes integrated in the surface. The final façade element thus combines limiting, bearing, insulating and thermal activation using concrete

Triaxial Failure Behavior of Highly Porous Cementitious Foams Used as Heat Insulation

This work reports a detailed experimental study that is aimed at investigating the failure mechanisms of highly porous cementitious foams used as heat insulation under triaxial stress states. The designed target dry density of the considered foam mixture was 180 kg/m³ by setting the water-to-cement ratio of the considered cement paste to 0.4. The mechanical experiments were accompanied by thermal tests to observe the effect that specific air void structures have on the resulting insulation properties and by micro-to-meso geometric studies to identify and classify the inner structure of the considered mineralized foams. Unconfined compressive strengths were performed first, obtaining peak stresses of 0.252, 0.283, 0.223, and 0.251 (results in MPa), corresponding to peak strains of 39.0, 28.6, 45.3, and 20.6 (in ×10⁻³ mm/mm), respectively. Moreover, three triaxial confinement levels of 33%, 66%, and 90% of the mean uniaxial compressive strength (fc) were adopted. The results showed that a 33% confinement may cause a strength increase and an almost perfect elastic–plastic stress–strain behavior. However, higher levels of confinements (i.e., 66% and 90%) produced very unstable behaviors in terms of the final strength and stress–strain response

Lightweight aggregate concrete with foamed binder matrix for sustainable applications

Low density load bearing structural concrete members with improved thermal insulation properties, composed of lightweight aggregate (LWA) and foam concrete is investigated, which expands the application range of lightweight structural materials. This study aims to characterize a lightweight aggregate concrete with a foamed cementitious matrix (LWAFC) through its physical properties (dry bulk density, thermal conductivity, compressive strength, and strain) and possible relationships especially linked to the densities. In the experimental studies, samples are prepared by two kinds of LWA with mineral foam with two differing cement mass contents. The resulting densities of the LWAFC in a dry state after 28 days ranged from 427 kg/m³ to 525 kg/m³. The results show that proper mineral foam content introduced into the LWA can greatly improve the thermal conductivity of the mixture. The compressive strength of the LWA used and the bond strength of the aggregate/cement foam in the interface region are important factors influencing the compressive strength of the LWAFC