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Autoclaved aerated concrete (AAC) is a building material that combines heat insulation
properties with sufficient mechanical strength for masonry construction. Compared to
ordinary concrete, the matrix is highly porous (>50%) and hardened by a hydrothermal curing
process at 150°C - 200°C. During this process, quartz sand and portlandite react to form first
calcium silicate hydrates (C-(A)-S-H) with Ca/Si ratios <1.3 and then tobermorite. Especially
tobermorite, which has a much larger crystallite size than C-(A)-S-H, provides improved
mechanical strength. This reaction sequence is influenced by many parameters and
additives of which calcium sulfate is probably the most important. Despite several attempts to
investigate these hydrothermal reactions, the actual reaction mechanism involved when
adding sulfate ions is not fully understood. It has been suggested that the addition of ca.
1.5 wt% significantly improves the mechanical properties due to the enhanced formation and
arrangement of tobermorite in the porous matrix. Since the sulfate content in AAC waste is
exceeding regulatory threshold for low-quality reuse in some countries, the aim of this study
was to investigate in detail the reaction mechanisms involving sulfate addition. Such
knowledge may open up the possibility to improve AAC production and to avoid the need for
sulfate addition. To achieve this goal, this research work focused on investigating the
hydrothermal curing process to determine the sequence of hydrothermal reactions and the
spatial distribution of the phases formed. For this purpose, a new setup for in situ X-ray
diffraction was specifically designed to study hydrothermal reactions and to conduct time
intensive experiments on a normal laboratory diffractometer. In order to quantitatively
evaluate the in situ measurements by Rietveld analysis using TOPAS, it was also necessary
to develop atomistic structure models for C-(A)-S-H phases. This was made possible by
adopting a supercell approach that was previously used to describe turbostratically stacked
clay minerals. The structure models, derived from tobermorite, are placed in an otherwise
empty supercell to simulate the C-(A)-S-H nanostructure. Adopting these methodological
advances, it was possible to obtain absolute phase quantities from in situ data and to track
the reaction kinetics of the hydrothermal curing process. These results were then combined
with ex situ X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Confirming previous studies,
the major effect of sulfate ions was the formation and decomposition of hydroxylellestadite. It
was further revealed that C-(A)-S-H formation was delayed during hydroxylellestadite
formation, which is supposed to support the silicate ion diffusion and hence the tobermorite
formation at a stage critical for improved hardening of AAC. This can be linked to the
formation of lower amounts of capillary pores in the range of 1-5 µm, as observed by
scanning electron microscopy, and therefore a lower concentration of inherent defects that
resulted in the improved mechanical properties. This research work highlights how important the spatial distribution of crystallites is for the properties of a building material and how this
distribution can be influenced by small alterations in reaction chemistry.
Geopolymers (GPs) are inorganic binders created by adding alkaline solution (e.g. KOH) to silicates such as furnace slag, fly ash or clay to dissolve Si and Al that polymerises and precipitates to form an inorganic binder material while hardening. GP properties are similar to ordinary Portland cement regarding their high compressive strength or low shrinkage but they are particularly notable for a high resistance to acid and fire. However, the most significant advantage of GP cements is their low CO2 footprint. The most common clay used as GP raw material is kaolin. The aim of this study is to investigate the suitability of illitic clays as a cheaper alternative to kaolin and determine the necessary preparation steps required to produce effective GP binder materials. Three clays dominated by dioctahedral 2:1 layer silicates, in particular interstratifications of mica and smectite were investigated: (1) Illitic clay from Friedland, Northern Germany, containing an irregularly stacked illite-smectite interstratification (R0 I-S), (2) rectorite from Arkansas, USA, as a regular interstratification of mica and smectite, and (3) clay stated as “sárospatakite” from Füzérradvány clay deposit, Northern Hungary, containing a long range ordered I-S (R3). The three types of I-S interstratification-rich clays were extensively characterised and the Friedland clay, as the most probable raw material for GP production, was studied in more detail including several size fraction analyses. These results are used to investigate and determine the parameters necessary to produce suitable precursors for GP binders. Different approaches of clay activation to yield a highly reactive material by milling and heating were examined. Milling was found to be suitable as a preparation step after heating breaking up sintering aggregates to create pathways for the alkaline solution, but not as a substitute for heating. Important parameters for the precursor design such as temperature, time, and heating rate are determined and discussed. Geopolymerisation is considered to be a multi-parameter system and is influenced strongly by the degree of dehydroxylation, Si:Al ratio, or amount of 5-fold coordinated Al. However, in contrast to kaolin-based systems, none of these parameters explain why the illitic Friedland clay heated to 875 °C was found to be most suitable for GP binders. Based on leaching experiments and specific surface area (AS) measurements of the heated Friedland clay, a conceptual model is presented to explain the observed relationship between the heating temperature and the subsequent compressive strength of the GP cement. An optimum between the counteracting reactions of decreasing AS (fewer particles must be covered with GP phase) and decreasing Si+Al dissolved (less GP phase created) is necessary, which exists at 875 °C for the Friedland clay. In this state enough GP phase is created to bind all remaining sintering aggregates to form a cement with high compressive strength. This relationship can be expressed as (Si+Al) / AS (sum of dissolved Si and Al divided by the surface area of grains that must be covered with GP phase), and can be used as a predictive tool for determining the optimal heating temperature. The results presented in this thesis indicate that illitic clays are suitable raw materials as GP binders if the necessary preparation steps of dehydroxylation, sintering and grinding are made. Proxies used to evaluate the optimal conditions for making GP binders are determined including the (Si+Al) / AS ratio as a key relationship that controls the cementation process and determines its ultimate hardness.
Durch den wachsenden Einsatz von nickelhaltigen Behandlungselementen in der kieferorthopädischen Praxis und die steigende Verbreitung von Nickelallergie in der Bevölkerung werden Studien zur Biokompatibilität solcher Elementen im- mer interessanter. Der entscheidende Faktor, der die Biokompatibilität von kiefer- orthopädischen Drähten bestimmt, ist das Korrosionsverhalten. Deshalb wurden Nickel-Titan-Nivellierungsbögen, sowie Titan-Molybdän-, Kobalt-Chrom- und E- delstahldrähte auf ihr Korrosionsverhalten unter realistischen Bedingungen un- tersucht. Hierfür wurde eine spezielle Apparatur konstruiert, um die Proben im statischen Immersionstest in Kunstspeichel und Milchsäurelösung bei mechani- scher, thermischer und kombiniert mechanischer und thermischer Belastung kon- trollierter Korrosion unterziehen zu können. Danach wurden die Oberflächen der Drähte durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Verbindung mit energiedi- spersiver Röntgenanalyse (EDX) untersucht. Die Nickelabgabe wurde mit einem induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer (ICP-MS) gemessen. Außer- dem wurden elektrochemische Tests durchgeführt, um das Ruhe- und das Durch- bruchspotential der Proben zu ermitteln. Alle Daten wurden mittels statistischer Tests verglichen (F-Test). Die Ergebnisse liefern nicht nur Informationen über das relative Korrosions- verhalten der Drähte untereinander, sondern erlauben auch eine quantitative Abschätzung über die Nickelionenabgabe während einer kieferorthopädischen Be- handlung. Allgemein lag die maximale Abgabe von Nickelionen zwei Größenord- nungen unterhalb der Menge, die täglich mit der Nahrung aufgenommen wird. Zwei Drähte, der Dentaurum Tensic und der Forestadent Titanol Low Force, zeigten aufgrund ihrer Oberflächenzusammensetzung eine höhere Tendenz zur Korrosion als die anderen Drähte. Mittels EDX-Analyse konnte der Grund dafür ermittelt werden. Auf der Oberfläche des Drahtes Tensic ist die Nickelkonzen- tration mit 59 at.-% verglichen mit 51,7 at.-% im Inneren wesentlich höher. Die Oberfläche des Drahtes Titanol Low Force enthält etwa 5 at.-% Aluminium. Beide Effekte haben einen negativen Einfluss auf das Korrosionsverhalten. Weiterhin wurden Dauerlasttests und Korrosionsexperimente an dünnen ge- sputterten Nickel-Titan-Filmen und an Nickel-Titan-Hohldrähten durchgeführt. Dabei handelt es sich um Prototypen für die Entwicklung von neuartigem Nickel- Titan/Polymer-Verbundmaterial für den Einsatz in der Kieferorthopädie. Diese Untersuchung war Teil eines BMBF-Projektes in Zusammenarbeit mit dem For- schungszentrum caesar in Bonn, der Poliklinik fÄur Kieferorthopädie in Düsseldorf und der Firma Dentaurum. Ziel dieses Projektes war, die Kosten einer kiefer- orthopädischen Behandlung dadurch zu senken, dass die Anzahl der notwen- digen Wechsel der Drahtbögen minimiert wird. Nachdem Dauerlastexperimen- te (Wöhlertests) an Tensic-Referenzdrähten durchgeführt wurden, konnten drei verschiedene Materialstrukturen mittels Röntgenbeugung (XRD) beobachtet wer- den. Diese Strukturen wurden der Austenit- und der Martensitstruktur von Nickel- Titan zugeordnet. Bei einer Spannungsamplitude des Materials unterhalb des martensitischen Plateaus konnte kein dauerhafter Martensit beobachtet werden. Wenn jedoch die Spannungsamplitude bis in das martensitische Plateau hinein reichte, aber immer noch klein genug war, dass keine plastische Deformation auf- trat, bildete sich eine typische Martensitstruktur und alle zu erwartenden Reflexi- onspeaks konnten identifiziert werden. Wenn die Spannungsamplitude groß genug war, um plastische Deformation zu erzeugen, wurde eine Umorientierung und eine Strukturänderung des Martensits gefunden. Die Ergebnisse wurden mit Finite- Elemente-Modellen (FEM) des Biegeexperimentes verglichen, um die Messun- gen der Plateauspannung zu verifizieren. Es wurden außerdem Dauerlasttests der NiTi-Prototypen-Hohldrähte durchgeführt, um deren Haltbarkeit im Vergleich zum Referenzmaterial zu bestimmen. Zudem wurde das Korrosionsverhalten des gesputterten Nickel-Titan-Materials im Vergleich zu den kommerziellen Drähten untersucht. Die NiTi-Hohldrähte zeigten in diesen Tests ein sehr schlechtes Dau- erlastverhalten. Das Korrosionsverhalten aller gesputterten NiTi-Proben war da- gegen in Ordnung. Schließlich wurde noch eine einfache Methode entwickelt, um die Biegekräfte von dünnen gesputterten Nickel-Titan-Folien zu ermitteln. Bis dahin waren die einzigen Möglichkeiten, die mechanischen Eigenschaften von dünnen Filmen zu bestimmen, Zugversuche und Nanoindentertests. Die Anwendung dieses Tests in der Kieferorthopädie ist, die aktive Kraft nach der Biegung zu ermitteln. Mit der neuen Methode konnte das gute mechanische Verhalten der gesputterten Filme, welches im Zugversuch bestimmt wurde, im Biegetest bestätigt werden.