Bernhard Middendorf

Use of wastes of the sugar industry as pozzolana in lime-pozzolana binders: study of the reaction

Mineralogical studies of different wastes of the sugar industry, mainly sugar cane bagasse ash and sugar cane straw ash, have shown that such by-products are likely to be pozzolanic. Their use in lime-pozzolana binders could become an interesting alternative for developing countries. This paper presents a study that was aimed at monitoring the reaction between lime and wastes of the sugar industry having pozzolanic properties by evaluating 1) content of calcium hydroxide, dependent on time; 2) development of the pore structure, dependent on time; 3) study of the reaction products at different stages; and 4) mechanical properties of hardened pastes. The presence of calcium hydroxide was confirmed by x-ray diffraction analysis and thermogravimetic analysis of powder from samples of hydrated lime-pozzolana pastes. The reaction products in hydrated pastes were observed in a scanning electron microscope, and the pore structure was assessed using a mercury intrusion porosimeter. The results of the study show that sugar cane bagasse ash does not act like a reactive pozzolana, mainly due to the presence of unburned material and carbon, whereas sugar cane straw ash shows good pozzolanic activity comparable to that of rice husk ash.

Investigative methods for the characterisation of historic mortars—Part 1: Mineralogical characterisation

The mineralogical characterisation of historic mortars is performed for a number of reasons related to the conservation of traditional structures. The reasons for analysis and the questions posed during the conservation, repair or restoration of an old building determine the analysis methods that will be chosen. A range of mineralogical characterisation methods is available for the study of historic masonry mortars. These include X-ray Diffraction (XRD), Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), Thermal and Infra-Red methods. Sample preparation is important; adequate separation of binder from aggregate is required for instrumental as opposed to microscopic investigation methods. An ordered scheme of analysis can be developed and is presented in flowchart form. It is difficult, and perhaps unwise, to analyse a mortar with only one method of characterisation. Corroboration of evidence of identification and quantification for mineralogical composition is best supported by a combination of methods, including chemical analysis methods. All methods of characterisation require qualified and experienced people to cary out the analyses.RésuméLa caractérisation minéralogique des mortiers historiques est exécutée pour des raisons différentes qui sont liées à la conservation des constructions traditionnelles. Les raisons de l’analyse et les questions posées lors de la conservation, la réparation ou la restauration d’une construction historique déterminent les méthodes d’analyse choisies. Une gamme de méthodes de caractérisation minéralogique est disponible pour l’étude des mortiers historiques de maçonnerie. Celles-ci comprennent la diffractométrie par rayon X (DRX), la microscopie optique, la microscopie électronique de balayage (MEB), les méthodes thermiques et infrarouge. La préparation de l’échantillon est importante: la séparation adéquate du liant et du granulat est obligatoire pour des méthodes instrumentales (comme les analyses chimiques), ce qui n’est pas le cas pour les méthodes d’investigation microscopiques. Il est difficile, et peut-être peu judicieux, d’analyser un mortier avec une seule méthode de caractérisation. Un schéma systématique relatif aux analyses à exécuter peut être développé et est présenté sous forme d’organigramme. Toutes les méthodes de caractérisation exigent du personnel qualifié et expérimenté pour exécuter les analyses.

Structure and properties of hopeites (MgxZn1−x)3(PO4)2 · 4H2O

Abstract Mg-hopeites (MgxZn1−x)3(PO4)2 · 4H2O were prepared by crystallization from hot aqueous solutions (70°C). The structure of (Mg0.206Zn0.794)3(PO4)2 · 4H2O has been determined from 1612 unique reflections (MoKα, R = 0.033): Pnma, a1 = 10.594(2), a2 = 18.333(2), a3 = 5.029(2)A, Z = 4, Dcalc = 2.943g cm−3. The structure resembles that of pure hopeite. However, the magnesium atoms occupy only the sixcoordinated site. The thermal behavior of hopeites is strongly influenced by the substitution of Zn by Mg. The dehydration range is shifted to higher temperatures with increasing Mg content. A strongly anisotropic thermal expansion was measured by X-ray diffraction in a temperature range of −40° to 50°C. Experiments to substitute Zn by Ca, Sr, and Ba in the hopeite failed. A hitherto unknown monoclinic phase with the composition BaZn2(PO4)2 · H2O and a1 = 4.707(2), a2 = 7.840(2), a3 = 8.061(3)A, and α2 = 88.99(4)° was found.

Desarrollo de hormigones con aglomerante cal-puzolana fina como material cementicio suplementario

La alta resistencia y durabilidad alcanzada en los hormigones de alta y ultra alta resistencia esta asociada a la obtencion de una matriz muy densa, definida a partir del uso de altos volumenes de adiciones minerales muy finas, tales como las cenizas volantes, microsilice, metacaolin y polvos finos de cuarzo. El trabajo muestra un estudio sobre el uso del aglomerante cal- puzolana (ACP) de alta finura, como adicion mineral activa en el hormigon. Las particulas muy finas de la cal, de tamanos entre las 0.1-10 m pueden llenar los vacios entre los granos de cemento, mientras las particulas mas grandes de la puzolana, entre 10-100 m, pueden llenar los vacios entre los granos mas finos del agregado, resultando en una matriz mas densa. La adicion de hidroxido de calcio (HC) durante el mezclado del hormigon, tambien incrementa la concentracion de iones Ca+2 y OH-, lo cual resulta en una mejor y mas rapida hidratacion del Cemento Portland Ordinario (CPO) y de la reaccion puzolanica. El uso de la ACP como adicion mineral activa en hormigones de alta resistencia (HAR), podria contribuir a disminuir los costos del producto sin afectar su resistencia mecanica y durabilidad usando menos cemento, con lo cual se estaria mejorando el perfil ecologico de este material. Resultados iniciales son mostrados en este trabajo, requiriendose de ensayos adicionales para establecer los beneficios del uso de la ACP en los HAR. Un ejemplo de aplicacion de este trabajo en hormigones son tambien presentados.

Comparative investigation of two-dimensional imaging methods and X-ray tomography in the characterization of microstructure

Abstract The microstructural features of three different materials have been quantified by means of 2D image analysis and X-ray micro-computer tomography (CT) and the results were compared to determine the reliability of the 2D analysis in the material characterization. The 3D quantification of shrinkage pores and Fe-rich inclusions of an Al-Si-Cu alloy by X-ray tomography was compared with the statistical analysis of the 2D metallographic pictures and a significant difference in the results was found due to the complex morphology of shrinkage pores and Fe-rich particles. Furthermore, wood particles of a wood-plastic composite were measured by dynamic image analysis and X-ray tomography. Similar results were obtained for the maximum length of the particles, although the results of width differ considerably, which leads to a miscalculation of the particles aspect ratio. Finally, air voids of a foam concrete were investigated by the analysis of the 2D pictures in ImageJ and the results of the 2D circularity were compared with the values of the 3D elongation obtained by micro-computed tomography. The 3D analysis of the air voids in the foam concrete showed a more precise description of the morphology, although the 2D result are in good agreement with the results obtained by X-ray micro-tomography.

Safe Structural Bonding of Ultra-High Performance Concrete

Much attention is paid to human factors in high-risk sectors such as medicine, nuclear technology or aviation. Contrary, for adherence of structural elements in construction, human factors are currently not respected. In particular, high-performance construction materials require as well trained or guided workmen for production and processing of ultra-high-performance concrete used in this research project.

Ultrahochfeste Betonbauteile qualitätssicher fügen

Das Fügen von Bauteilen mittels kraftschlüssiger Verbindung durch Kleben spielt im Bauwesen eine immer wichtigere Rolle. Zu den Gründen zählt u.a. die großflächige Krafteinleitung statt Spannungsspitzen wie beim Schrauben. Durch die hohe Oberflächenzugfestigkeit des ultrahochfesten Betons ist das Kleben konstruktiv überhaupt erst möglich. Zementgebundene Klebstoffe auf ausschließlich mineralischer Basis, die für das konstruktive Kleben eingesetzt werden können, sind momentan jedoch eher noch selten. Mineralische Klebstoffe werden vor allem im Bereich von Fliesenklebstoffen oder für Instandsetzungsarbeiten verwendet, nicht jedoch im Bereich des konstruktiven Klebens. An der Universität in Kassel wurden mehrere Forschungsprojekte zum konstruktiven Kleben von Betonfertigteilen aus Ultrahochleistungsbeton (ultra-high performance concrete – UHPC) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser erfolgreichen Forschungstätigkeit führten im Jahr 2007 zum Neubau der Gärtnerplatzbrücke in Kassel /1, 2/, der damals ersten Brücke dieser Dimension aus ultrahochfestem Beton in Europa. Beim Kleben der UHPC-Brückendecken auf die Obergurte der Stahl-Unterkonstruktion kam jedoch noch ein epoxidharzbasierter Klebstoff zum Einsatz. Sowohl bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen als auch bei der thermischen Dauerbeständigkeit weisen organische Klebstoffe Schwächen auf. Um die Dauerhaftigkeit zu erhöhen und einen stofflich einheitlichen Verbund herzustellen, wird derzeit das konstruktive Fügen mit mineralischen Klebstoffen im Rahmen des Loewe-Schwerpunkts Safer Materials an der Universität Kassel in einer interdisziplinär zusammengesetzten Forschungsgruppe untersucht. Die Ergebnisse dieses Vorhabens sollen dazu beitragen, geklebte Verbindungen aus UHPC als sichere und dauerhaft tragfähige Verbindungen aufbauen zu können. Fertigteile mit optima-

Morphological and Chemical Influence of Calcium Hydroxide on the Plasticity of Lime Based Mortars

The influence of slaked limes (calcium hydroxide) on the fresh mortar properties varies according to morphological and chemical characteristics of the raw material. Until now there have been no sufficient scientific results to describe the parameters of calcium hydroxide that modify the plasticity in mortar systems. The aim of the investigations carried out here is to determine these plasticity regulating parameters. Therefore, several calcium hydroxides from different manufacturers have been analysed. The analyses included characterisation of raw materials and detailed investigations of differently slaked lime and lime putty at different times. Chemical and morphological principles of plasticity have been identified. Furthermore, these results have been evaluated by correlation of pilot plant experiments with defined lime mortars regarding their workability. The resulting material parameters responsible for plasticity are pointed out and distinguished between parameters relevant for plasticity values and those for plasticity development after extended soaking time.

Mörtel für die nachhaltige Instandsetzung historischer Bauwerke

Die Erhaltung kulturhistorischer Bausubstanz gewinnt in der heutigen schnelllebigen Zeit zunehmend an Bedeutung. Historische Bauwerke lassen als Folge eines naturlichen atmospharischen Angriffs sowie durch die Einwirkung anthropogener Luftverunreinigungen Verwitterungserscheinungen, auch verstarkt im Bereich der Mortelfugen, erkennen. Die Dauerhaftigkeit von Mauerwerksinstandsetzungen, gerade im Bereich der Mortelfugen, ist abhangig von den physikalisch-mechanischen und mineralogisch-chemischen Eigenschaften der verwendeten Mortel und deren Vertraglichkeit mit der im Objekt vorhandenen Originalsubstanz. Da die in fruherer Zeit verwendeten Baustoffe in ihrer ursprunglichen Form nicht mehr verfugbar sind, mussen heute zwangslaufig moderne Mortelkomponenten fur die Herstellung von Instandsetzungsmorteln verwendet werden. Als Mortelbindemittel wird bei der Instandsetzung historischer Bausubstanz uberwiegend auf in EN 459-1 genormte Kalke zuruckgegriffen. Die neue genormte Gruppe der Formulierten Kalke (FL) eroffnet durch die Komponentenvielfalt ein breites Anwendungsspektrum.