Arbeitstitel: Anreicherung und Analyse von Mikro- und Nanoplastik im Trinkwasser

Beginn: 2025

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserchemie, Prof. Dr. rer. nat. habil. S. Stolte

Abstract: Die Trinkwasserversorgung in Sachsen basiert vor allem auf der Aufbereitung von Talsperrenwasser und Uferfiltrat. Oberflächenwasser kann Mikro- und Nanoplastik enthalten, weshalb ein potenzieller Eintrag in das Trinkwasser nicht ausgeschlossen werden kann. Für eine belastbare Bewertung fehlen bislang standardisierte und reproduzierbare Methoden, insbesondere für Partikel im Nanometerbereich. Dazu werden im Rahmen der ESF Nachwuchsforschergruppe NALEWA analytische Verfahren zur Untersuchung von Mikro- und Nanoplastik im Trinkwasser weiterentwickelt. Die Durchflusszentrifugation und Filtration werden als mögliche Verfahren zur Anreicherung geprüft. Zur Quantifizierung und Charakterisierung der Partikel sollen die LDIR-Analyse und die Durchflusszytometrie eingesetzt werden. Parallel zu methodischen Arbeiten werden Realproben sächsischer Wasserversorgungsunternehme untersucht. Die Ergebnisse sollen die Datenlage verbessern und praxisnahe Empfehlungen für Monitoringmaßnahmen liefern.

Arbeitstitel: Entwicklung von Methoden zur Untersuchung der Entfernung von Mikroplastik bei der Uferfiltration

Beginn: 2023

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden, Institut für Grundwasserwirtschaft, Prof. Dr. rer. nat. A. Hartmann

Abstract: Das Promotionsvorhaben ist Teil des ESF-Projekts „SEMUWA - Sichere Entfernung von Mikroplastik bei der Uferfiltration und Trinkwasseraufbereitung in Sachsen“. Ziel ist es zu ermitteln, wie effektiv Mikroplastik bei der Uferfiltration in Sachsen entfernt wird. Die Uferfiltration ist ein natürlicher Vorbehandlungsschritt bei der Trinkwasseraufbereitung, dessen Wirkung bzgl. der Entfernung von Mikroplastik noch nicht ausreichend untersucht ist. Entscheidende Faktoren sind die Größe und Morphologie der Mikroplastikpartikel, die Eigenschaften des Sediments, die hydraulischen Randbedingungen und Fließzeiten im Untergrund. Dazu werden Säulenversuche im Labor und Wasserprobenahmen im Feld durchgeführt sowie Anreicherungs- und Nachweismethoden zur Erfassung von Mikroplastik im Rohwasser, Uferfiltrat und Trinkwasser getestet. Die Ergebnisse dienen der Bewertung der Entfernung vom Mikroplastik bei der Uferfiltration und somit der Überwachung der Rohwasserressourcen und der Trinkwasserqualität in Sachsen.

Arbeitstitel: Untersuchungen zur Belastung von Böden und Gewässern durch Schadstoffausträge aus Betriebsanlagen des Schienenverkehrs

Beginn: 2023

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden, Institut für Grundwasserwirtschaft, Prof. Dr. rer. nat. A. Hartmann

Abstract: Bahnbetriebsanlagen emittieren diverse Schadstoffe wie Herbizide, Halb- und Schwermetalle sowie Kohlenwasserstoffe, die in Boden, Grundwasser und Oberflächengewässer gelangen können. Bei der Modernisierung und Neuplanung solcher Anlagen ist deshalb eine fundierte Einzelfallbetrachtung erforderlich, wobei bestehende Genehmigungsverfahren bislang nur eingeschränkt reproduzierbare Ergebnisse liefern. Ziel ist die Entwicklung eines standardisierten Beurteilungsverfahren, das künftige Genehmigungsentscheidungen über verschiedene Anlagentypen hinweg beschleunigt. Dazu werden umfassende Boden- und Wasserprobenahmen zur Quantifizierung relevanter Schadstoffe im Gleiskörper und Laborversuche zur Ermittlung von Stofftransportparametern durchgeführt. Auf dieser Grundlage wird ein Modellwerkzeug entwickelt, mit dem durch Kopplung numerischer Modelle das Transportverhalten bahntypischer Schadstoffe unter Berücksichtigung der Besonderheiten des Gleiskörpers simuliert und das umweltfachliche und rechtliche Gefährdungspotenzial bewertet werden kann.

Arbeitstitel: Bewertung der Entfernung von Mikroplastik bei der Trinkwasseraufbereitung

Beginn: 2023

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserchemie, Prof. Dr. rer. nat. S. Stolte

Abstract: Die Entfernung von Mikroplastik stellt eine zunehmende Herausforderung für die Trinkwasseraufbereitung dar und gewinnt im Hinblick auf den Schutz der Trinkwasserqualität an Bedeutung. Diese Arbeit untersucht die Entfernungsleistung der Aufbereitungsschritte Flockung und Flotation hinsichtlich der Abtrennung von Mikroplastik. Dazu werden Experimente im Labormaßstab durchgeführt. Zudem wird der in Trinkwasserwerken anfallende Schlamm separiert und analysiert, um das Vorkommen und die Rückhaltung von Mikroplastik entlang des Aufbereitungsprozesses bewerten zu können. Ergänzend wird das Potenzial der Durchflusszytometrie als schnelles Screening-Verfahren für den Nachweis von Mikroplastik in wässrigen Proben untersucht. Die Ergebnisse sollen zu einem besseren Verständnis der Mikroplastikentfernung in der Trinkwasseraufbereitung beitragen.

Titel: Praxisorientierte Resilienzbewertung mit Anwendung auf Hallenfassaden unter Hochwassereinwirkung

Bearbeitung: 2021 - 2026

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bösche

Koop. Universität: Technische Universität Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Pohl

Abstract: Hochwasserereignisse können erhebliche Schäden an Gebäuden verursachen und deren Funktionsfähigkeit über längere Zeit einschränken. Insbesondere für gewerblich genutzte Hallengebäude fehlen bislang belastbare Bewertungsgrundlagen, mit denen die Widerstands- und Wiederherstellungsfähigkeit unterschiedlicher Bauweisen systematisch verglichen werden kann. Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung einer ingenieurtechnischen Methodik zur quantitativen Bewertung der Resilienz bautechnischer Systeme. Grundlage bildet die zeitabhängige Betrachtung der Systemfunktionalität, die hierarchisch in Teilfunktionalitäten und einzelne Komponenten untergliedert werden kann. Die praktische Anwendung der Methodik erfolgt am Beispiel von Hallenfassaden unter Hochwassereinwirkung. Hierfür werden vier typische Fassadenbauweisen in originalmaßstäblichen Laborversuchen bei unterschiedlichen Wasserständen untersucht und die gewonnenen Versuchsdaten in die Resilienzbewertung überführt. Auf Basis der Ergebnisse können funktionale und konstruktive Schwachstellen identifiziert, gezielte Optimierungsmaßnahmen abgeleitet und deren Wirksamkeit quantitativ bewertet werden. Die entwickelte Methodik ermöglicht damit vergleichende Analysen unterschiedlicher Bauweisen und bietet zugleich eine übertragbare Grundlage für weitere bautechnische Systeme und Belastungsarten.

Titel: Experimentelle Untersuchung und Modellierung von Mehrstufen-Rahmenscherversuchen an Böden

Bearbeitung: 2022 - 2026

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Engel

Koop. Universität: TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Konietzky

Abstract: Im Mittelpunkt der Dissertation stand die Frage, unter welchen Bedingungen die Scherfestigkeit von Böden mit Mehrstufen-Rahmenscherversuchen zuverlässig bestimmt werden kann. Dabei wird ein einzelner Prüfkörper nacheinander unter verschiedenen Normalspannungen abgeschert, wodurch sich der Versuchsaufwand gegenüber konventionellen einstufigen Versuchen deutlich reduzieren lässt. Anhand experimenteller Untersuchungen an unterschiedlichen Böden wurde der Einfluss der Belastungsgeschichte auf die ermittelten Scherfestigkeitsparameter untersucht. Ergänzende numerische Simulationen ermöglichten eine detaillierte Analyse der während der einzelnen Belastungsstufen auftretenden Schermechanismen. Aus den Ergebnissen wurden Anwendungsgrenzen sowie Empfehlungen für die Durchführung und Auswertung von Mehrstufen-Rahmenscherversuchen abgeleitet.

Titel: Science-based feasibility plan for bank filtration water supply in Vietnam

Bearbeitung: 2020 - 2026

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: TU Dresden, Institut für Grundwasserwirtschaft, Prof. Dr. habil. R. Liedl

Abstract: Frau Hoang war von 2020 – 2023 DAAD-Promotionsstudentin im Lehrgebiet Wasserwesen an der HTW Dresden und hat 2025 nach ihrer Elternzeit die Doktorarbeit fertiggestellt. Im Mittelpunkt ihrer Arbeiten stand die Entwicklung einer Methodik zur Bewertung neuer potenzieller Standorte für die Uferfiltratgewinnung zur Trinkwasserversorgung. Die Methodik wurde unter Nutzung von GIS für das Red River Delta im Norden Vietnams und für ein Gebiet in Zentralvietnam angewendet, um Flussabschnitte für zukünftige Uferfiltratfassungen auszuweisen. Parallel dazu wurden im Rahmen des BMBF-Projekts „AquaViet“ in Kooperation mit dem Institut für Wasserchemie der TU Dresden und Unternehmen Flüsse, Brunnen und Grundwassermessstellen in Vietnam beprobt, Wasseranalysen durchgeführt und innovative Wasseraufbereitungstechnologien getestet. Als praktisches Ergebnis liegen eine Potenzialanalyse für die Uferfiltratgewinnung in Vietnam und Anleitungen für Standortuntersuchungen und Modellierungsarbeiten unter Berücksichtigung spezifischer Bedingungen in Vietnam vor.

Titel: Entwicklung von Monitoringkonzepten für die Uferfiltrat-Gewinnung zur Trinkwasserversorgung

Bearbeitung: 2020 - 2026

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: TU Dresden, Institut für Wasserchemie, Prof. Dr. rer. nat. habil. S. Stolte

Abstract: Die Dissertation basiert auf Forschungsarbeiten des EU-Projekts boDEREC-CE und der ESF-Nachwuchsforschergruppe „VEMIWA - Vorkommen und Verhalten von Mikroplastik in sächsischen Gewässern“. Das erste Themengebiet umfasst das Monitoring der von Pharmazeutika und Kosmetikprodukten bei der Uferfiltration und Grundwasseranreicherung im Wasserwerk Dresden-Hosterwitz. Von 116 häufig in europäischen Oberflächengewässern nachgewiesenen und in das Analysenprogramm aufgenommenen Spurenstoffen wurden nur 21 mehrfach im Elbewasser und teilweise im Uferfiltrat detektiert. Nach der Aktivkohlefiltration und Desinfektion wurde keiner dieser Spurenstoffe mehr über der Bestimmungsgrenze nachgewiesen, was für die DREWAG und die Trinkwasserkonsumenten in Dresden ein sehr gutes Ergebnis ist. Außerdem wurde das Potenzial des Einsatzes der Durchflusszytometrie zur Überwachung der mikrobiellen Beschaffenheit von Wasserproben an Uferfiltrationsstandorten in Dresden und Budapest nachgewiesen. Das zweite Themengebiet umfasst den Transport von Mikroplastik in Flusssedimenten und Grundlagenarbeiten zur Probennahme von Mikroplastik in Flusssedimenten. Das Transportverhalten verschiedener Mikroplastikpartikel auf und in der Gewässersohle wurde mittels Fließrinnenversuchen im Labor untersucht. In Laborversuchen wurden Wiederfindungsraten von Mikroplastik beim Einsatz verschiedener Sedimententnahmetechniken bei Überströmung verglichen.

Titel: Numerische Modellierung des Tragverhaltens mineralisch gebundener Carbonfaserbewehrung

Bearbeitung: 2018 - 2025

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bösche

Koop. Universität: Technische Universität Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Massivbau, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. em. Manfred Curbach

Abstract: Korrosionsbedingte Schäden an Stahlbetonbauteilen können die Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit von Bauwerken erheblich beeinträchtigen. Mineralisch gebundene Carbonfaserbewehrung (MCF) stellt aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit und Materialkompatibilität eine vielversprechende Alternative zur konventionellen Stahlbewehrung dar. Für ihre Anwendung fehlen jedoch bislang durchgängige numerische Modelle zur Beschreibung des Material-, Verbund- und Bauteilverhaltens. Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung einer mehrskaligen Modellierungsstrategie für MCF-bewehrte Betonbauteile.

Der Modellierungsansatz umfasst drei Betrachtungsebenen. Auf Mikroebene werden das stochastische Filamentverhalten, die mineralische Tränkungsmatrix und deren Verbundinteraktion beschrieben. Auf Mesoebene wird das Verbundverhalten zwischen MCF-Bewehrung und Beton modelliert. Auf Makroebene erfolgt die Simulation des Trag-, Verformungs- und Rissverhaltens bewehrter Betonbauteile. Die entwickelten Modelle werden anhand experimenteller Untersuchungen kalibriert und validiert.

Die Arbeit ermöglicht damit eine durchgängige numerische Beschreibung des Bewehrungssystems über mehrere Skalen hinweg. Der entwickelte Simulationsrahmen schafft eine Grundlage für die zuverlässige Prognose des Bauteilverhaltens und die zukünftige Bemessung materialeffizienter und dauerhafter MCF-bewehrter Betonbauteile.

Titel: Risikoanalyse von Trinkwasserversorgungssystemen in kleinen bis mittleren Wasserversorgungsunternehmen und Ableitung von Maßnahmen der Risikominimierung

Bearbeitung: 2022 - 2025

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Universität Rostock, Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät, Prof. Dr. Jens Tränckner

Abstract: Die Dissertation fasst den aktuellen Stand gesetzlicher Regelungen zum Risikomanagement für die Wasserversorgung zusammen, bietet eine weiterentwickelte semiquantitative Methode zur Gefährdungsanalyse, eine Anwendung von Bilanz-Struktur-Modellen zur Vulnerabilitätsermittlung und Analyse von Optionen der Neubemessung eines Zwischenpumpwerkes zur Härtung der Wasserversorgung sowie eine Diskussion eines Fallbeispiels der Dieselbevorratung als Element der Risikovorsorge. Es werden praktikable Ansätze analysiert, weiterentwickelt und deren Einsatzgrenzen kritisch diskutiert. Die Praxisrelevanz wird zudem deutlich anhand der Entscheidung des Sächsischen Staatsministeriums für Energie, Klimaschutz, Umwelt und Landwirtschaft, die im Rahmen der Dissertation entstandenen fünf Publikationen als Sonderdruck der Fachzeitschrift gwf – Wasser/Abwasser herauszugeben und den Wasserversorgern in Sachsen und der Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen.

Titel: Beitrag zur Beurteilung der Ermüdungssicherheit genieteter Eisenbahnbrücken aus Flussstahl auf der Grundlage bruchmechanischer Untersuchungen

Bearbeitung: 2018 - 2024

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Holger Flederer

Koop. Universität: TU München, School of Engineering and Design, Prof. Dr.-Ing. Martin Mensinger

Abstract: Eisenbahnbrücken unterliegen als zyklisch beanspruchte Bauwerke einer Ermüdungsbeanspruchung. Für bestehende Bauwerke ist der Nachweis der Sicherheit gegen Ermüdungsversagen ein wesentliches Bewertungskriterium. Eine dafür geeignete Bewertungsmethode bietet das bruchmechanische Konzept. In der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse der Nietklemmkraft und der bruchmechanischen Materialkennwerte auf das Wachstum von Ermüdungsrissen in genieteten Verbindungen von Eisenbahnbrücken aus Flussstahl untersucht. Dazu wurden in einem Versuchsprogramm Nietklemmspannungen in Originalbauteilen von Eisenbahnbrücken sowie bruchmechanische Risswachstumskennwerte für Flussstähle bestimmt. Außerdem wird ein numerisches Modell für genietete Konstruktionsdetails vorgestellt, welches sowohl die Nietklemmspannung als auch den Reibkontakt zwischen den einzelnen Komponenten der Konstruktionsdetails abbildet. Das numerische Modell wurde mit Hilfe von Versuchen validiert. An einem Anwendungsbeispiel, die Eisenbahnbrücke über die Elbe in Meißen, wird auf der Grundlage der durchgeführten experimentellen Untersuchungen, numerischen Berechnungen und probabilistischen Simulationen die zukünftige Nutzungsdauer ermittelt.

Volltext: mediaTUM - Medien- und Publikationsserver

Titel: Risikoanalyse von Trinkwasserversorgungssystemen in kleinen bis mittleren Wasserversorgungsunternehmen und Ableitung von Maßnahmen der Risikominimierung

Bearbeitung: 2020 - 2024

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserchemie, Prof. Dr. rer. nat. habil. S. Stolte

Abstract: Die Dissertation beruht Arbeiten im BMBF-Verbundvorhaben „AquaViet“ (2020-23). Schwerpunkt waren Untersuchungen zur Herkunft und zum Transportverhalten von Ammonium und Arsen bei der Uferfiltration in Vietnam. Ammonium wird in Vietnam vor allem in Flusssohlsedimenten beim anoxischen Abbau stickstoffhaltiger organischer Stoffe bei Temperaturen > 20 °C freigesetzt. Bei der Uferfiltration an der Elbe stellt dies im Unterschied zu Vietnam kein Problem dar, da die Temperaturen meist geringer sind und im Wasser enthaltenes Nitrat eine Ammoniumfreisetzung begrenzt. Die Freisetzung von Arsen aus Flusssohlsedimenten und Torfschichten ist ein spezifisches Problem im Red River Delta in Vietnam. Die Uferfiltratgewinnung ist dort an Flussabschnitten ohne Schlammablagerungen zu favorisieren, da bei Vorhandensein schluffiger, organikreicher Sedimente trotz geringer Infiltrationsraten in diesen Bereichen ein Arsenaustrag zu Grenzwertüberschreitungen im Rohwasser führen kann.

Titel: Multiple treatment objectives of solar driven electrolytic oxidant production for decentralized water treatment indeveloping regions and its economic feasibility 

Bearbeitung: 2017 - 2021

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden,Institut für Grundwasserwirtschaft, Prof. Dr. habil. R. Liedl

Abstract: Schwerpunkt der Arbeiten war der Nachweis der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit einer Chlorproduktion mittels Inlineelektrolyse für die dezentrale Trinkwasserdesinfektion. In der Arbeit wurden der Einfluss der Rohwasserbeschaffenheit auf die Oxidationsleistung und Betriebssicherheit der Anlagen sowie die Nutzung der Oxidation mittels Chlor zur teilweisen Entfernung von Arsen und organischen Wasserinhaltsstoffen untersucht. Dazu wurden Versuche an Pilotanlagen in Deutschland, Indien, Ägypten und Tansania durchgeführt. Die Untersuchungen wurden ausgerichtet auf einen Einsatz der dezentralen Anlagen in Entwicklungsländern und unterscheiden sich somit von Arbeiten zur Nutzung von Elektrolyseverfahren zur Chlorerzeugung in Wasserwerken in Deutschland.

Titel: Beitrag zum Energiemanagement in kleinen und mittleren Wasserversorgungsunternehmen 

Bearbeitung: 2014 - 2020

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden,Institut für Grundwasserwirtschaft, Prof. Dr. habil. R. Liedl

Abstract: Schwerpunkte der Arbeit waren die wissenschaftliche Begleitung der Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 beim Wasserversorgungsunternehmen ZWA Hainichen, Energieeffizienzuntersuchungen an 43 Hochleistungspumpen im indischen Bundesstaat Uttarakhand, die Entwicklung einer Methodik zur Auswahl von Brunnenkombinationen beim Betrieb von Brunnengalerien mit Überkapazitäten und einer Methodik zur Ermittlung der optimalen (Mikro)Turbinenparameter für Standorte mit Fallleitungen und stromab angeordneten Behältern in Ergänzung zum DVGW-Leitfaden W 613 zur Energie(rück)gewinnung durch Trinkwasserkraft. Durch Maßnahmen des ZWA Hainichen wurde eine langfristige Steigerung der Energieeffizienz um 13,8% im Trinkwasserbereich erreicht. Die Realisierung der favorisierten Maßnahme in Indien brachte dem dortigen Wasserversorger eine Einsparung von 195.000 kWh/a (7,8%). Die methodischen Arbeiten wurden in Software-Tools verankert und an mehreren Wasserversorgungsstandorten in Sachsen und Brandenburg getestet.

Titel: Untersuchungen zur Steuerung der Eisen- und Mangankonzentration bei der Infiltration und Exfiltration an Gewässern: Monitoring, Hydraulik, Bautechnik

Abgeschlossen: 2019

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden

Abstract: Schwerpunkt der Arbeiten war die Verbesserung des Prozessverständnisses zur Freisetzung und Festlegung von Mangan bei der Uferfiltration und Unterirdischen Enteisenung/Entmanganung. Es wurden eine umfangreiche Datensammlung von weltweiten Uferfiltrationsstandorten erstellt und vielfältige Feld- und Laborversuche sowie hydrogeochemische Modellrechnungen zum Stofftransport bei der Uferfiltration und Untergrundwasserbehandlung durchgeführt. Die Ergebnisse zur Prognose der Manganfreisetzung bei der Uferfiltration sind sowohl für die DREWAG in Dresden als auch für Wasserversorgungsunternehmen in Ägypten und Russland von Nutzen. Die Arbeit ist ein Beispiel für eine enge Kooperation der HTW Dresden mit Unternehmen wie der DREWAG Netz GmbH und der ARCADIS Germany GmbH in der angewandten Forschung.

Titel: Softwaresystem zur Planungsunterstützung im Straßenbrückenbau

Abgeschlossen: 2017

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Holger Flederer

Koop. Universität: Technische Universität Dresden

Abstract: Die Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines Softwaresystems, welches Handlungs­empfehlungen und Hilfestellungen bei der Erstellung optimaler Bauwerksentwürfe erstellt. Einführend wird auf vergleichbare, vorhandene Softwaresysteme sowie die Grundlagen der Datenverarbeitung eingegangen. Darüber hinaus werden die Thematik der Künstlichen Intelligenz und deren Implementierung in planungsunterstützende Softwarealgorithmen erörtert. Ein Schwerpunkt des Softwaresystems ist das strukturierte Anlegen einer aussagekräftigen Wissensbasis im Brückenbau. Wesentlich sind dabei Kostenkennwerte, auf deren Grundlage Life-Cycle-Cost-Analysen und Kostenprognosen erstellt werden. Verschiedene Softwarefeatures werden entwickelt, um für die verschiedenen Leistungsphasen im Brückenbau Expertenwissen bereitzustellen. Ein Tool dient der Unterstützung von Kostenprognose zur Finanzplanung in frühen Planungsphasen. Weiterhin kann durch Fallbasiertes Schließen die vorhandene Datenbank hinsichtlich Schlüsselfaktoren, wie z.B. Baustoffverbrauch, Dauerhaftigkeit oder Life-Cycle-Costs gewichtet ausgewertet werden. Ein weiteres Modul ermöglicht Routenplanungen für Schwerlast- und Großraumtransporte.

Titel: Entwicklung von Cellulosefaser-Leichtbeton (CFLC) und Untersuchung des bruchmechanischen Verhaltens

Abgeschlossen: 2016

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Christoph Grieger

Koop. Universität: Technische Universität Dresden

Abstract:

Im Zentrum der vorliegenden Arbeit steht ein zementgebundener Leichtbeton auf der Basis von aus Altpapier herausgelösten Cellulosefasern; hierfür wird im Folgenden die Bezeichnung CFLC (Cellulose-Fibre Lightweight Concrete) verwendet. Die Intention zur Untersuchung dieses mitunter auch als Papercrete bezeichneten und bislang nur verhältnismäßig wenig erforschten Materials beruht insbesondere darauf, dass von einer Kombination eines leicht verfügbaren pflanzlichen Faserstoffs mit einem mineralischen Bindemittel eine Reihe positiver Wechselwirkungen erwartet werden darf.

Am Anfang stehen Erläuterungen zur Spezifik dieses Materials und eine Einordnung in den Kontext der üblichen Leicht- und Faserbetone. Nach einer Darstellung und Diskussion der bisher vorhandenen Erkenntnisse erfolgt eine Präzisierung der Aufgabenstellung.

Anschließend werden die Besonderheiten von aus Altpapier herausgelösten Cellulosefasern vorgestellt und die charakteristischen Eigenschaften dieser Fasern beschrieben. Es folgen weiterhin Betrachtungen zur Problematik des Faseraufschlusses. In diesem Zusammenhang werden Wege aufgezeigt, wie dieser Prozess in betontechnologischer Hinsicht labor- und großtechnisch umgesetzt werden kann. Im Hinblick auf den Mischungsentwurf erfolgt eine Vorstellung von Methoden zur Bestimmung der für die Stoffraumrechnung relevanten Faserkennwerte.

In einem weiteren Schritt werden die Methodik und der entwickelte Algorithmus für einen zielgerichteten Mischungsentwurf erläutert sowie eine Variante zur technologischen Klassifizierung von CFLC-Grundtypen vorgestellt. Nach Betrachtungen zur Auswirkung einer Cellulosefaserzugabe auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften wird eine auf die Trockenrohdichte hin ausgerichtete Rezepturentwicklung anhand eines Beispiels demonstriert.

Im Folgenden werden die Ergebnisse der umfangreichen Untersuchungen hinsichtlich der durch die Faserzugabe deutlich veränderten Frischbetoneigenschaften des CFLC sowie die Auswirkungen auf den Mischvorgang und die Einbautechnologie erläutert. Diesbezüglich erfolgt auch eine Darstellung der Erkenntnisse, die bei großtechnischen Versuchen mit dem CFLC in zwei Betonwerken gewonnen wurden.

Des Weiteren werden die Ergebnisse aufgezeigt, die während begleitender Untersuchungen zum Erhärtungs- und Trocknungsprozess erzielt wurden. Dabei werden die strukturellen Auswirkungen der Hydratation des Zementes und der Trocknung beschrieben sowie die Aspekte erörtert, die im Zusammenhang mit der durch die Cellulosefaserzugabe verbundenen Erhärtungsverzögerung und den möglichen Gegenmaßnahmen stehen. Weiterhin werden auch Betrachtungen zur Effektivität einer Festigkeitssteigerung durch die Zugabe von Mikrosilika sowie zu den mit dem Trocknungsprozess einhergehenden Schwindverkürzungen durchgeführt.

Schließlich erfolgt eine Darstellung der bei den Untersuchungen zu den Festbetoneigenschaften gewonnenen Erkenntnisse. Dabei werden die wesentlichsten mechanischen Kennwerte sowie das hygrische und wärmetechnische Verhalten unter Einbeziehung von Porositätskennwerten beleuchtet. Weiterhin erfolgt eine Beurteilung der Dauerhaftigkeit auf der Basis von Zeitraffer- und Auslagerungsversuchen. Das durch die Anwesenheit von Cellulose bestehende Risiko gegenüber einem biologischen Angriff wird dabei durch die Übertragung eines für Holzwerkstoffe üblichen Verfahrens bewertet.

Einen wesentlichen Bestandteil dieser Arbeit stellen die bruchmechanischen Untersuchungen am CFLC dar. Nach einer Darstellung der verwendeten Ansätze und Kennwerte werden Überlegungen zur modellhaften Beschreibung des Verformungs- und Rissverhaltens erläutert. Weiterhin werden Möglichkeiten der optischen Erfassung von Bruchprozessen bzw. der mikroskopischen Untersuchung von Bruchflächen dargelegt. Dabei werden geeignete Wege zur Bestimmung geometrischer Kennwerte aufgezeigt. Das Versuchsprogramm zu den bruchmechanischen Untersuchungen konzentriert sich auf haufwerksporige CFLC-Zusammen­setzungen im Bereich des Infraleichtbetons. Um eine Einordnung der ermittelten Ergebnisse vornehmen zu können, erfolgt die Einbeziehung von Porenbeton aus einem vergleichbaren Rohdichtebereich. Die gewonnenen Erkenntnisse basieren schwerpunktmäßig auf einaxialen Zugversuchen; mit in die Betrachtungen einbezogen werden allerdings auch Ergebnisse, die bei parallel durchgeführten Biege- und Druckversuchen gewonnen wurden.

Zur Erfassung des Verformungs- und Bruchverhaltens des CFLC wird ein Ansatz auf der Basis des klassischen Wachstumsmodells formuliert. Auf der Grundlage der experimentellen Untersuchungen erfolgt letztlich eine Charakterisierung des Materialverhaltens durch die Beschreibung des typischen Kurvenverlaufs (Masterkurve). Darüber hinaus werden Betrachtungen zur Korrelation zwischen den bruchmechanischen Kennwerten und den geometrischen Texturkennwerten der Bruchflächen angestellt. Die anschließende Diskussion über die Ursachen der Strukturänderungen und den Rissbildungsprozess erfolgt unter Einbeziehung eines modellhaften Ansatzes zur Beschreibung der inneren Kontaktfläche zwischen den CFLC-Partikeln bei einer haufwerksporigen Situation.

Das enorme Wasserspeichervermögen der Cellulosefasern hat zur Folge, dass die CFLC-Zusammensetzungen von jenem Wasseranteil dominiert werden, welcher für den Faseraufschluss benötigt wird. Eine Steigerung des Cellulosefaseranteils im Gesamtgemisch hat somit automatisch einen Anstieg der Porosität des trockenen Materials zur Folge, wodurch die ausgeprägte Abhängigkeit fast aller Kennwerte vom Cellulosefaseranteil resultiert. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wurde festgestellt, dass der Bewehrungseffekt der Fasern nicht in der Lage ist, die Festigkeitseinbußen infolge des Ansteigens der Porosität zu kompensieren. Eine Cellulosefaserzugabe hat aber generell eine positive Auswirkung auf die Duktilität und bewirkt zudem die Entstehung einer nennenswerten Tragfähigkeit nach einer begonnenen Makrorissbildung.

Titel: A concept for the investigation of riverbank filtration sites for potable water supply in India

Abgeschlossen: 2015

HTW-Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Thomas Grischek

Koop. Universität: Technische Universität Dresden

Abstract: A concept for the investigation of riverbank filtration sites for potable water supply in India