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Main Title: Study on the production of core-shell structured lightweight aggregate by cold-bonding agglomeration process and its utilization in concrete
Translated Title: Studie über die Herstellung von leichter Gesteinskörnung mit Kern-Schale-Struktur durch kaltgebundene Agglomerationsverfahren und deren Verwendbarkeit in Beton
Author(s): Tajra, Feras
Advisor(s): Stephan, Dietmar
Referee(s): Stephan, Dietmar
Vogdt, Frank U.
Thienel, Karl-Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Lightweight aggregate concrete has been widely used in different construction applications due to its advantageous characteristics such as low density, low thermal conductivity and good durability properties. Compared to conventional concrete, lightweight aggregate concrete is made by replacing normal weight aggregate with lightweight aggregate, which is taken from natural resources or produced artificially. Artificial lightweight aggregate can be manufactured from natural materials or from industrial by-products via either sintering or cold bonding technique. The cold bonding method has the potential to reduce the energy consumption, lower the pollutant emission and requires low investment when compared with the sintering method. The agglomeration process via the pelletizer disc is the common-used method for the production of cold-bonded aggregate. Most of the research studies have focused on the importance of this method in recycling wastes into aggregate irrespective of the density of the aggregate produced, which is the most important property of lightweight aggregate. The objective of the present research is to evaluate the use of an encapsulation process, which has been widely used in different industrial fields, in the production of low-density cold-bonded aggregate and to study the feasibility of using such kind of aggregate for the production of lightweight concrete. The first part of this research focusses on the development of production process of core-shell structured lightweight aggregates and discusses the influential factors on the manufacturing productivity and properties of the aggregate. Reducing the density of the shell structure is considered an option to produce low-density aggregate. In this concern, low-density powder mixture has been optimized to be used in the cover matrix to reduce the density of the manufactured aggregate as low as possible. In the second part of this research, the influences of different curing regimes on the microstructure and mechanical properties of the aggregate have been investigated to find out the most appropriate curing method. Furthermore, surface treatment for the core-shell aggregate has been employed to upgrade its properties by reducing its water absorption and enhancing its crushing strength. Finally, the mechanical and microstructural characteristics, thermal properties, durability and shrinkage of concrete made of core-shell structured lightweight aggregate have been investigated and compared with that made of expanded clay lightweight aggregate, the most popular type of sintered aggregate. The results of this experimental study show that the encapsulation process can be successfully employed to produce a new kind of cold-bonded lightweight aggregate applicable for the production of structural and insulating lightweight concrete, which emulates the properties of expanded clay aggregate concrete, and thereby may have positive economic and environmental consequences.
Leichtbeton wird aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften wie geringe Dichte, geringe Wärmeleitfähigkeit und gute Dauerhaftigkeitseigenschaften in verschiedenen Bauanwendungen weit verbreitet eingesetzt. Im Vergleich zu Normalbeton wird Leichtbeton hergestellt, indem normaler Zuschlag durch Leichtkörnung ersetzt wird, die aus natürlichen Ressourcen entnommen oder künstlich hergestellt wird. Künstliche leichte Gesteinskörnungen werden aus Naturstoffen oder aus industriellen Nebenprodukten entweder durch Sintern oder Kaltverbundverfahren hergestellt. Das Kaltverbundverfahren hat das Potenzial, den Energieverbrauch zu reduzieren, die Schadstoffemission zu senken und erfordert im Vergleich zum Sinterverfahren nur geringe Investitionen. Der Agglomerationsprozess mittels des Granuliertellers ist das gängige Verfahren zur Herstellung von kalt verbundener Gesteinskörnung. Die meisten Forschungsstudien haben sich auf die Bedeutung dieser Methode beim Recycling von Abfällen zu Gesteinskörnung konzentriert, unabhängig von der Dichte des produzierten Materials, die die wichtigste Eigenschaft von leichter Gesteinskörnung ist. Das Ziel der vorliegenden Studie ist es, den Einsatz eines Verkapselungsprozesses, der in verschiedenen Industriebereichen weit verbreitet ist, bei der Herstellung von kalt gebundener Gesteinskörnung mit geringer Dichte zu evaluieren und die Verwendbarkeit dieser Art von Gesteinskörnungen für die Herstellung von Leichtbeton zu prüfen. Der erste Teil dieser Studie konzentriert sich auf die Entwicklung des Produktionsprozesses von leichten Gesteinskörnungen mit Kern-Schale-Struktur und diskutiert die Einflussfaktoren auf die Herstellungseffizienz und die Eigenschaften des Materials. Die Reduzierung der Dichte der Hüllenstruktur gilt als Option zur Herstellung von Aggregaten mit niedriger Dichte. In diesem Zusammenhang wurde die Pulvermischung mit niedriger Dichte für den Einsatz in der Deckmatrix optimiert, um die Dichte des hergestellten Aggregats so gering wie möglich zu halten. Im zweiten Teil wurden die Einflüsse verschiedener Nachbehandlungsmethoden auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Aggregats untersucht, um die am besten geeignete Methode zu finden. Darüber hinaus wurde die Oberflächenbehandlung für die Kern-Schalen-Gesteinskörnung eingesetzt, um ihre Eigenschaften zu verbessern, wodurch die Wasseraufnahme reduziert und die Druckfestigkeit verbessert wurde. Schließlich wurden die mechanischen, mikrostrukturellen und thermischen Eigenschaften, die Dauerhaftigkeit und das Schwinden von Beton aus Gesteinskörnung mit Kern-Schale-Struktur untersucht und mit denen aus Blähtongesteinskörnung, der üblichen Sinterzuschlagart, verglichen. Die Ergebnisse dieser experimentellen Studie zeigen, dass der Verkapselungsprozess erfolgreich eingesetzt werden kann, um eine neuartige kalt verbundene Gesteinskörnung herzustellen, die für die Produktion von tragendem und thermisch isolierendem Leichtbeton geeignet ist, der in den Eigenschaften vergleichbar ist zu Leichtbeton aus Blähtongesteinskörnung und dadurch positive wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen haben kann.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10799
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9695
Exam Date: 21-Jan-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 5-Mar-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): pelletization
cold-bonded aggregate
thermal conductivity
shrinkage
core-shell lightweight aggregate
lightweight concrete
Pelletierung
kaltgebundene Gesteinskörnung
Wärmeleitfähigkeit
Schwinden
leichte Kernschalen-Gesteinskörnung
Leichtbeton
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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