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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Aufklärung der vorherrschenden Schädigungsmechanismen in einem mit Carbon-Schnittfasern verstärkten zementgebundenen Kompositwerkstoff mit mikrorissinduzierter Pseudoduktilität. In der englischsprachigen Fachliteratur werden solche Werkstoffe auch als Strain-Hardening Cementitious Composites (SHCC) bezeichnet. Die Probenherstellung durch extrusionsbasierte additive Fertigung erlaubt das Ausrichten der Kurzfasern in eine Vorzugsrichtung und damit die Anpassung der Faserbewehrung auf einen vordefinierten Lastfall. In Anknüpfung an vorangegangene Dissertationsschriften werden weiterführende Fragestellungen zum Schädigungsverlauf und zum exakten Versagensmechanismus des Komposits aufgeklärt. Weitere Einblicke in das mechanische Verhalten des Kompositwerkstoffes werden durch Tests unter zyklischer Belastung erlangt. Das ebenfalls in vorigen Arbeiten vorgeschlagene Anwendungsfeld des 3D-Drucks wird optimiert und einem Upscalingprozess unterzogen. Ebenso werden die vorgestellten Rezepturen in Richtung einer anwendungsnäheren Mörtelrezeptur weiterentwickelt. Insbesondere soll der Zusammenhang von makroskopischem Werkstoffverhalten durch Beobachtung festigkeitsbestimmender Parameter (Faserausrichtung, Faserdispersionsgrad, Porosität, kleinskalige Schädigungen, etc.) auf mikroskopischer Ebene erklärt werden. Hierzu werden hochauflösende mikroskopische Methoden, vor allem der Röntgen-Computertomographie, eingesetzt und mit den Ergebnissen mechanischer Prüfungen korreliert.

Herstellung und Interkalation von nanokristallinen sowie kristallinen Tobermorit ähnlichen Calciumsilikathydratphasen, Synthesis and intercalation of nanocrystalline and crystalline tobermorite like calciumsilikatehydratephases

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Beton bzw. Zement ist die hohe Druckfestigkeit des jeweiligen Materials, die Zugfestigkeit (z. B. Biegezugfestigkeit) ist dagegen um ein Vielfaches geringer. Durch Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Hauptkomponente von hydratisiertem Zement, Calciumsilicathydrat (C-S-H) in nanokristalliner Form, könnte damit eventuell auch die Zugfestigkeit des Zements an sich verbessert werden. Einen ersten Schritt in diese Richtung stellt die Modifikation reiner C-S-H-Phasen im Labormaßstab dar. Auf dem Gebiet der Modifikation von C-S-H-Phasen wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv geforscht. Obwohl große Anstrengungen unternommen wurden, um eine mögliche Interkalation, sprich die Einlagerung organischer Moleküle in die Zwischenschichten der C-S-H-Struktur, zu ermöglichen, konnte bisher kein endgültiger Nachweis für die echte Interkalation organischer Moleküle in den interlamellaren Bereich von C-S-H-Phasen erbracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese von Calciumsilicathydraten sowie deren Modifizierung mit organischen Precursoren hinsichtlich einer möglichen Interkalation bzw. der Bildung von Hybriden untersucht. Dazu wurden anhand verschiedener Syntheserouten sowohl nanokristalline Phasen mit geringer struktureller Ordnung als auch kristalline Phasen mit hoher struktureller Ordnung synthetisiert und charakterisiert. Interkalationsversuche wurden an nanokristallinen und an kristallinen Proben durchgeführt. Dabei wurden die zu interkalierenden Moleküle (verschiedene Alkoxysilane und Polymere) direkt während der Synthese eingesetzt. Zusätzlich wurden Ca-Organohybridverbindungen mit Alkoxysilanen als einziger Si-Quelle hergestellt, was im Idealfall zur Ausbildung von Schichtverbindungen mit organischen Spacern führt. One of the most important features of concrete and cement is its high compressive strength while the tensile strength (e.g. tensile strength in bending) of the material is significantly lower. The improvement of the mechanic properties of the main compound of hydrated cement, calciumsilicatehydrate (C-S-H) in nanocrystalline form, could therefore lead to an improvement of the tensile strength. The modification of pure C-S-H in a laboratory scale would be a first step towards this improvement. The modification of C-S-H has been subject to extensive research for the last decades. While great efforts have been made to provide a potential way to intercalate organic moieties into the interlayer spacing of the C-S-H structure, a proof for true intercalation in this spacing of C-S-H phases could not yet be provided. This work deals with the synthesis of calciumsilicatehydrates and the modification of these phases with organic precursors to evaluate a possible intercalation or formation of hybrids. Nanocrystalline phases with minor structural order as well as crystalline phases with high structural order were synthesized and characterized using different synthesis routes. Intercalation experiments were performed with nanocrystalline and crystalline samples. The molecules used for intercalation (several alkoxysilanes and polymers) were directly added during synthesis of the samples. Calcium organosilicate hybrid compounds were synthesized with alkoxysilanes as sole silicon source which ideally leads to the formation of a layered structure with organic spacers.

Einflüsse auf die Dauerhaftigkeit & Wirksamkeit einer Hydrophobierung auf Silanbasis wurden untersucht (Struktur-Wirkungs-Beziehungen). Dabei stehen Reaktionskinetik, Polymerbildung, Sorptionsprozesse sowie Einflüsse dieser chemischen Reaktionen auf den Transportprozess der Silane im Vordergrund. Dieses erweiterte Verständnis soll eine Basis für Anwendungsentscheidungen bilden und Voraussagen über die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit einer Hydrophobierung in der Praxis ermöglichen.

Aufgabe des in diesem Bericht dokumentierten Projektes war die rechnerische Überprüfung eines Konzeptes zur Abspeicherung von Wärme im Erdreich. Der kugelförmige Erdspeicher ist gekennzeichnet durch eine ausgeprägte Temperaturstratifikation und deshalb besonders geeignet zur Abspeicherung von Niedertemperaturwärme aus Solaranlagen. Um die Leistungsfähigkeit des Erdspeichers abschätzen zu können, wurde ein Programm für Wärmeleitrechnungen in ein Simulationsmodell für solare Raumheizungsanlagen integriert. Mit dem Simulationsprogramm wurde das Betriebsverhalten einer Solaranlage mit verschiedenen Erdspeichern und konventionellen Warmwasserspeichern verglichen. In einer großen Zahl von Rechnungen wurde die Abhängigkeit der Speicherleistungsfähigkeit von verschiedenen Bodenmaterialien, Wärmeübergängen und Speichergrößen untersucht. Bei diesen Rechnungen zeigte sich, dass der ursprünglich vorgeschlagene Speicher ohne Wärmedämmung zu große Wärmeverluste hat. Erdspeicher mit Wärmedämmung führen in einer solaren Raumheizungsanlage zu einer etwas höheren Leistungsfähigkeit der Solaranlage als kostengleiche konventionelle Warmwasserspeicher.