Sophie Burgmann

• Ressourcenschonung und die Kreislaufführung von Rohstoffen stellen zwei zentrale Herausforderungen für die Beton- und Mörtelherstellung dar. Vor diesem Hintergrund bietet sich der vermehrte Einsatz von Brechsanden an, insbesondere von rezyklierten Brechsanden. Charakteristisch für diese Materialien ist ihre im Vergleich zu natürlichem Sand abweichende Kornform und Eckigkeit. Diese zwei morphologischen Eigenschaf-ten haben wiederum Einfluss auf die Eigenschaften von Mörtel und Beton. Ziele dieser Arbeit sind die morphologische Charakterisierung von Gesteinskörnungen mittels Com-putertomographie sowie die Steuerung von Mörteleigenschaften anhand dieser morpho-logischen Kenngrößen. Im Rahmen dieser Arbeit wird in einem ersten Schritt unter Berücksichtigung einer tolerablen Messungenauigkeit ein Verfahrensablauf zum Tomographieren von feinen Gesteinskörnungsproben mit Korngrößen kleiner 2 mm als lose Schüttung entwickelt. Als Verfahren zur Trennung von sich berührenden Körnern im Zuge der Bildbearbeitung kommt die adaptive H-Extrematransformation in Kombination mit Wasserscheiden-transformation zum Einsatz. Es zeigt sich, dass die automatisierte Vorgabe der vom Nutzer vorzugebenden Eingangsgrößen für dieses Verfahren anhand der Schüttdichte möglich ist. Basierend auf diesem automatisierten Verfahrensablauf kann ein Set aus vier Kenngrößen in einem weiteren Schritt zur morphologischen Charakterisierung von Schüttungen identifiziert werden, die sowohl die Ausprägung als auch Verteilung von Kornform und Eckigkeit innerhalb der Schüttung beschreiben. Die morphologische Charakterisierung von zehn Schüttungen natürlichen und rezyklierten Ursprungs und unterschiedlicher Korngrößenzusammensetzung findet in einem folgenden Schritt Ein-gang in eine multiple lineare Regressionsanalyse zur Untersuchung des Einflusses dieser Kenngrößen auf Frisch- und Festmörteleigenschaften. Gegenstand der Untersu-chung sind die dynamische Viskosität, Fließgrenze, Setz- und Setzfließmaß sowie Aus-breitmaß als Frischmörteleigenschaften sowie der dynamische Elastizitätsmodul, die Biegezug- und Druckfestigkeit als Festmörteleigenschaften. Im Hinblick auf die Mörteleigenschaften zeigt sich ein komplexer Einfluss sowohl der Kornform als auch Eckigkeit, der mit anderen Parametern der Mörtelzusammensetzung wie dem Verhältnis von Wasser zu Zement, dem Massenverhältnis von Bindemittelleim zu Gesteinskörnung sowie der Korngrößenzusammensetzung interagiert. Eine erhöhte Länglichkeit von Körnern kann sowohl zu einer Verbesserung der Verarbeitbarkeit füh-ren, als auch zur Steigerung des Entmischungsrisikos. Im Hinblick auf den Einsatz von Brechsand kann eine Verringerung der Eckigkeit bedingt durch den Aufbereitungspro-zess eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit ermöglichen, während eine erhöhte Eckig-keit zu einer Steigerung von Biegezug- und Druckfestigkeit führen. Die Ergebnisse der Regressionsanalyse dienen als Grundlage für die Optimierung von Mörtelzusammen-setzungen mit erhöhtem Brechsandanteil. Auch wenn die Vorgaben hinsichtlich der angestrebten Druckfestigkeit nicht vollumfänglich eingehalten werden können, zeigt sich, dass die Berücksichtigung der Auswirkungen morphologischer Eigenschaften der Gesteinskörnung zu einer Erhöhung des Brechsandanteils beitragen kann.
• Conservation of natural resources as well as cycle management of raw materials are two major challenges of concrete and mortar production. The increasing use of crushed sands, especially recycled crushed sands, could be an approach for solving these prob-lems. A characteristic property for these materials is their deviating shape and angulari-ty in comparison to natural sand. These morphological properties have in turn an influ-ence on the properties of mortar and concrete. Aims of this study are therefore the morphological characterization of aggregates using micro-computed tomography and the control of mortar properties using these morphological characteristics. In a first step an imaging procedure for packed beds of fine aggregates with particle size below 2 mm is developed considering an appropriate measurement accuracy. For separating touching particles during image processing adaptive h-extrema transform in combination with watershed transform is used. Results indicate that an automatic speci-fication of user-defined input parameters for h-extrema transform is possible based on packing density. Based on this automated process flow, a set of four parameters is identified for morphological characterization of bulk materials taking into account the strength as well as the distribution of shape and angularity features within the sample. The morphological characterization of ten natural or recycled aggregate samples with varying particle size distribution are the input for a multiple linear regression analysis to examine the influence of these characteristics on fresh and hardened mortar properties. Fresh mortar properties are characterized by dynamic viscosity, yield stress, slump, slump flow, and flow table test while hardened mortar properties are characterized by dynamic modulus of elasticity, bending strength, and compressive strength. With respect to mortar properties results show a complex influence of shape and angu-larity that interacts with other properties of the mortar composition like the mass ratio of water to cement, the mass ratio of binder to aggregates, and the particle sieve size distribution. While an increasing elongation of particles favours a better workability sim-ultaneously the risk of segregation increases. With respect to the use of increasing amounts of crushed sands a reduction of angularity while processing the material could result in a better workability. At the same time an increased angularity of particles re-sults in increased bending and compressive strength. The results of regression analysis are used for optimizing mortar compositions with increased amounts of crushed sands. Although specifications with respect to compressive strength are not fully met the ex-perimental results show that the consideration of morphological properties of aggregates can contribute to an increase in recycled fines content.