UHPC SANDWICH STRUCTURES WITH COMPOSITE COATING UNDER COMPRESSIVE LOAD

Ultra-high-performance concrete (UHPC) sandwich structures with composite coating serve as multipurpose load-bearing elements. The UHPC’s extraordinary compressive strength is used in a multi-material construction element, while issues regarding the concrete’s brittle failure behaviour are properly addressed. A hollow section concrete core is covered by two steel tubes. The outer steel tube is wrapped in a composite material. By this design, UHPC is used in a material- and shape-optimised way with a low dead weight ratio[1] concerning the load-bearing capacity and stability[2]. The cross-section’s hollow shape optimises the construction’s buckling stability while saving self-weight. The composite coating on the column’s outside functions both as a layer increasing the construction’s durability and as a structural component increasing the the maximum and the residual load capacity. Investigations on the construction’s structural behaviour were performed

Influence of the specimen production and preparation on the compressive strength and the fatigue resistance of HPC and UHPC

The results of tests under monotonically increasing load and cyclic compression load are often analysed by means of probabilistic methods. Although there is a considerable scattering in the results, especially in the number of cycles to failure, the cause of these cannot be completely explained. The imperfections of the specimens tested are among the causes of this scattering mentioned in the literature. Based on a round robin test the influence of HPC and UHPC production and specimen preparation techniques on the mean values of the compressive strengths, number of cycles to failure and data scattering have been evaluated. The main findings of the study are that the production techniques have an influence on the compressive strength, however, do not affect the mean number of cycles to failure. Moreover, the accurate preparation of the specimens has a positive influence on the compressive strength and the scattering of the results of both compression and cyclic load tests. The mean number of cycles to failure of HPC specimens is not influenced by the preparation techniques, whereas the polishing technique may have a positive influence on the mean number of cycles to failure of UHPC specimens. © 2021, The Author(s)

Unterwasser-Verformungsmessungen von Grouted Joints

Die Verbindung zwischen dem in den Boden gerammten Pfahl und der Tragstruktur von Offshore-Windenergieanlagen wurde in Deutschland inzwischen bei über 1000 Anlagen als Grouted Joint ausgeführt. Nachdem es im Ausland bei zahlreichen Monopiles zu einem Durchrutschen von Groutverbindungen gekommen war, entstand zunehmend der Wunsch, Relativverschiebungen zwischen Pile und Sleeve von Offshore-Windenergieanlagen überwachen zu können, um eine langfristige Beurteilung des Tragverhaltens der Groutverbindung zu ermöglichen. Dies kann bei Grouted Joints im Bereich über Wasser verhältnismäßig einfach durchgeführt werden. Eine große Herausforderung ist hingegen die Messung von Verschiebungen unter Wasser. Nach dem Test eines ersten Prototyps hat das Institut für Baustoffe inzwischen eine verbesserte mobile Messeinheit entwickelt, um diese Messaufgabe realisieren zu können.The connection between the driven pile and the supporting structure of offshore wind turbines has so far been implemented as a grouted joint in over 1000 wind turbines in Germany. After the slipping of grouted connections in numerous monopiles abroad, there was an increasing interest in monitoring relative displacements between pile and sleeve of offshore wind turbines in order to allow a long-term evaluation of the load-bearing behaviour of grouted connections. This can be performed with manageable effort for supporting structures with grouted joints located above water. A major challenge, however, is the measurement of displacements under water. After the test of a first prototype, the Institute of Building Materials Science has now developed an improved mobile measuring unit in order to be able to carry out this measuring task

Wasserinduzierte Reduktion des Ermüdungswiderstands hochfester Betone

Unter Wasser gelagerte und geprüfte Betonproben weisen im Vergleich zu an der Luft gelagerten und geprüften einen erheblich reduzierten Ermüdungswiderstand auf. Dieses Phänomen wurde in der Vergangenheit zwar erkannt, wie genau der Feuchtigkeitsgehalt das Ermüdungsverhalten des Betons beeinflusst ist jedoch bis dato ungeklärt. In Ermüdungsversuchen an hochfesten Betonproben wird untersucht, wie der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb des mikrostrukturellen Gefüges des Betons, dessen Ermüdungswiderstand beeinflusst und welche Schadensmechanismen am Degradationsprozess beteiligt sind. Um ein tiefer gehendes Verständnis über die am Degradationsprozess beteiligten Schadensmechanismen zu erlangen, werden neben den erreichten Bruchlastwechselzahlen weitere Schädigungsindikatoren wie die Steifigkeitsdegradation sowie die Schallemissionsaktivität analysiert.Concrete specimens which are submerged in water have a significantly lower fatigue resistance than specimens which are stored and tested in air. This phenomenon was recognised in the past, but how the moisture content in the microstructure of the concrete and a wet environment influences its resistance against fatigue deterioration is still unknown. Well-instrumented fatigue tests on high-strength concrete specimens are conducted to investigate how the moisture content in the microstructure of concrete influences its fatigue resistance and which additional water-induced damage mechanisms are involved in the degradation process. In order to get a deeper understanding of the damage mechanisms involved in the degradation process, the results of the fatigue tests are analyzed regarding the numbers of cycles to failure and selected damage indicators, such as strain development, stiffness degradation and acoustic emission activity

Innovatives Bewehrungskonzept für leichte Stützen aus ultra-hochfestem Beton

In diesem Artikel wird eine neuartige Bauweise für Stützen aus ultra-hochfestem Beton (UHFB) vorgestellt. Im Vordergrund steht dabei ein Bewehrungskonzept, welches anstelle einer Bewehrung aus Stabstahl aus einer Kombination aus Stahlblech und Carbongelege besteht. Die resultierende Konstruktion ist im Vergleich zu konventionellen Betonbauweisen extrem leicht und hinsichtlich des Verhältnisses Tragfähigkeit zu Gewicht sogar günstiger als Stahlprofile. Somit ist durch die materialgerechte Konstruktion mit Hilfe von UHFB eine ressourcenschonender Betonbauweise möglich. In diesem Artikel werden das Bewehrungskonzept sowie die konstruktiven Grundsätze für derartige UHFB-Stützen beschrieben. Sie werden aus experimentellen und numerischen Untersuchungen abgeleitet. Die in diesem Artikel beschriebenen Bauteile können in vielfältigen aufgelösten Tragwerken eingesetzt werden. Einige Beispiele sind Offshore-Gründungen, Brücken oder große, freitragende Hallen.This article presents a novel construction method for columns made of ultra-high performance concrete (UHPC). It focuses on a reinforcement concept, which consists of a combination of steel sheets and carbon fabrics instead of a steel bar reinforcement. In comparison to conventional construction methods, the resulting construction shows a great potential to save own weight. UHPC is used in a way that is appropriate to the material and allows a sustainable concrete construction method. This article describes the reinforcement concept and design principles of the UHFB props. They are derived from experimental and numerical investigations described in this article. The components described in this article can be used in a wide variety of structures. Some examples are offshore foundations, bridges or large self-supporting halls

The effect of gel-type contributions in lime-sand bricks, alkali-activated slags and CEMI/CEMIII pastes: Implications for next generation concretes

Lime-sand bricks of different ages were investigated using IR-spectroscopy, thermogravimetry, and X-ray diffraction/scattering. After subtraction of the dominant quartz contribution (80%), the IR spectra show the absorption peaks of the hydrothermally formed binder phases. The spectra also show the alteration of the binder during ageing under atmospheric conditions by the influence of CO2 forming carbonate and a condensed SiO2-gel (secondary gel). The alteration could also be proven in X-ray pattern, obtaining a separation between crystalline CSH and amorphous contributions in the freshly produced lime-sand brick, too. Here, the formation of CSHamorph could be understood as a precursor state (primary gel) to the crystallization of CSH phases. X-ray patterns of aged bodies of alkali-silicate solution activated slags (AAS), CEM-I/CEM-III pastes, and CEM-I concrete indicate that in all cases a similar amorphous CSH-type phase (CSHamorph) was formed, which is responsible for the hardening properties as the glue. The main X-ray peak of CSHamorph obtained using CuKα-radiation with a usual diffractometer is observed between 24◦ and 35◦ 2 Theta with maximum at about 29◦ 2 Theta, whereas it appears much more broadly distributed between 15◦ and 35◦ 2 Theta with maximum between 26◦ and 28◦ 2 Theta for a geopolymer body prepared using the reaction of alkali-silicate solution and metakaolin (AAMK). This is due to the network formed by siloxo and sialate units in the case of AAMK, given that any crystallization can be ruled out. The origin of increasing mechanical strength during the ageing of AAS mortars must be due to further crosslinking of the preformed siloxo chains. Thermal treatment up to 800◦C leads to a complete loss of any mechanical strength of the CEM pastes due to the destruction of crystalline CSH-phases, whereas geopolymer bodies maintain their strength. Implications for next generation concrete include that cement clinker could be completely replaced by using a using alkali silcate solution technology for gel formation. © 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland

Einfluss der Gesteinskörnung auf die Ermüdungsschädigung in hochfestem Beton

In diesem Beitrag wird der Einfluss der groben Gesteinskörnungsart auf das Ermüdungsverhalten von hochfesten Betonen analysiert, beschrieben und vergleichend dargestellt. Dabei werden zwei hochfeste Betone mit Basalt und Granit als Grobzuschlag auf zwei Spannungsniveaus, Sc,max = 0,85 und Sc,max = 0,70, untersucht. Mit Hilfe der Schallemissionsanalyse und mit detaillierten Dehnungsmessungen werden die ablaufenden Schädigungsprozesse erfasst und anhand von Schädigungsindikatoren wie Steifigkeitsdegradation, dissipierte Energie je Lastwechsel und Schallemissionsaktivität ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen dabei signifikante Unterschiede in den ablaufenden Degradationsmechanismen, aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der Gesteinskörnung auf und geben Hinweise auf generelle ermüdungsbedingte Schädigungsprozesse im Betongefüge.In this paper the influence of the coarse aggregate type on the fatigue behaviour of high-strength concrete is analyzed, described and compared comparatively. Two high-strength concretes with basalt and granite as coarse aggregate with two different stress levels, Sc,max = 0.85 and Sc,max = 0.70 were investigated. With the acoustic emission analysis and detailed strain measurements, the ongoing damage processes were determined and evaluated on the basis of damage indicators such as siffness degradation, dissipated energy per load cycle and acoustic emission activity. The results show significant differences in the ongoing damage mechanisms due to the different mechanical properties of the coarse aggregate and give indicators of general fatigue related damage processes in the concrete structure

Farbmetrische Analyse zur quantitativen Bewertung der Farbe von glatten Sichtbetonflächen

Farb- und Helligkeitsunterschiede an glatten Sichtbetonflächen werden von einer Vielzahl von Einflussfaktoren beeinflusst. In der Planungsphase von Sichtbetonbauteilen wird die Farbe zumeist indirekt z. B. durch Verweis auf vergleichbare Bauwerke oder über Erprobungsflächen aus Beton eingegrenzt. Eine objektive und quantitative Festlegung findet jedoch nicht statt. Im Gegensatz dazu wird in vielen anderen Industriezweigen, wie z. B. der Automobil- oder Lebensmittelindustrie aber auch bei der Zementherstellung, die Lichtspektroskopie bzw. Farbmessung bereits erfolgreich zur quantitativen Farbmessung für Qualitätssicherungszwecke eingesetzt. Im vorliegenden Beitrag werden Einflüsse der Ausgansstoffe sowie einzelner betontechnologischer Eigenschaften auf die resultierende Farbe von Sichtbetonflächen systematisch und quantitativ mittels Lichtspektroskopie ermittelt und bewertet. Ferner wird die prinzipielle Eignung des Messverfahrens zur Anwendung in der Planungsphase glatter Sichtbetonflächen diskutiert.Colour and luminance differences on exposed concrete are influenced by a large number of factors. In the planing phase the colour is usually specified by referencing to other – similar – structures or by providing hand samples. However, an objective and quantitative assessment does not take place. In contrast, in many other industries such as automotive or food industry but also in cement production, the light spectroscopy or colour measurement is already successfully used for quality control purposes with both colour and luminance being quality criteria. In the present paper the influence of the raw materials and concrete properties on the resulting colour of exposed concrete surfaces is systematically und quantitatively determined and evaluated by light spectroscopy. Furthermore, the application of the measuring method for use in the planning phase of smooth exposed concrete surfaces is evaluated

Prüfverfahren zur Bewertung der Mischungsstabilität von Beton unter Rütteleinwirkung

Die Mischungsstabilität von Beton stellt eine wichtige Frischbetoneigenschaft dar, um insbesondere unter herausfordernden Betonierbedingungen eine zielsichere Herstellung von Betonbauteilen sicher-zustellen. Jedoch existiert aktuell kein geeignetes Prüfverfahren, um die Mischungsstabilität im Rahmen des Bauprozesses quantitativ zu erfassen und zu bewerten. Der vorliegende Beitrag zeigt, dass der aus dem Bereich der Selbstverdichtenden Betonen bekannte „Auswaschversuch“ so modifiziert werden kann, dass er auch für übliche Rüttelbetone geeignet ist. Entscheidend hierfür ist die Berücksichtigung und genaue Definition der eingebrachten Rüttel-einwirkung, um eine Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse sicher zu stellen. Erste Vergleichsuntersuchungen zeigen, dass mit Hilfe der Prüfergebnisse bei vergleichbarer Rütteleinwirkung auch eine Prognose der Sedimentation im Bauteil möglich ist.The stability of concrete represents an important feature of fresh concrete in order to ensure a targeted production of concrete components, especially under challenging processing conditions. However, there exists currently no suitable test method to test and evaluate the mixing stability of fresh concrete during the construction process. The present article shows that the "washout-test", known from the field of self-compacting concrete, can be transferred to conventional concrete. Decisive for this is the consideration and exact quantification of the vibrations introduced during the test and ensuring a reproducibility and comparability of the test results. Initial comparative investigations between construction components and results of the test method show that with comparable vibration a forecast from test results to sedimentation in the component is also possible

Auswirkungen unterschiedlicher Bindemittelkombinationen auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Die Alkali-Kieselsaure-Reaktion (AKR) führt nach wie vor zu einer Vielzahl von Schadensfallen in Deutschland. Somit zeigt sich, dass derzeitige Vermeidungsstrategien nicht ausreichend sind. Dies gilt insbesondere für den modernen Betonbau, der durch Mehrstoffsysteme mit stark unterschiedlichen Bindemittelzusammensetzungen und geringen w/z- bzw. w/b-Werten gekennzeichnet ist. Die Komplexität des AKR-Schädigungsprozesses sowie die große Bandbreite von Kompositzementen und Zusatzstoffen führen einerseits zu schadensverschärfenden Randbedingungen, z.B. infolge niedriger w/z-Werte. Andererseits können schadensvermeidende oder schadensreduzierende Einflüsse der Zusatzstoffe nicht adäquat ausgenutzt werden, weil sie in den aktuellen Regelwerken nicht berücksichtigt werden. Im vorliegenden Beitrag werden die Einflüsse unterschiedlicher Bindemittelkombinationen auf die resultierende OH--Ionenkonzentration in der Porenlösung und die damit einhergehende Längenänderung – als Indikator für eine AKR-Schädigung – systematisch und quantitativ ermittelt und bewertet. Dabei soll das bislang nicht genutzte Potenzial der Zusatzstoffe und Kompositzemente im Hinblick auf eine Erhöhung des AKR-Widerstands aufgezeigt werden.The alkali-silica reaction (ASR) still leads to a large number of damage cases in Germany. This shows that current avoidance strategies are not sufficient. This applies in particular to modern concrete construction, which is characterised by multi-component systems with very different binder compositions and low w/c or w/c values. The complexity of the ASR damage process as well as the wide range of composite cements and additives lead on the one hand to damage aggravating boundary conditions, e.g. due to low w/c values. On the other hand, damage-preventing or damage-reducing influences of the additives cannot be adequately exploited because they are not taken into account in the current regulations. In this paper, the influences of different binder combinations on the resulting OH-ion concentration in the pore solution and the resulting change in length - as an indicator for an ASR damage - are systematically and quantitatively determined and evaluated. The potential of the additives and composite cements, which has so far not been used, with regard to an increase of the ASR resistance, is to be shown