To understand the contribution of aerosol particles to radiative forcing and heterogeneous chemical processes in the upper troposphere and lowermost stratosphere (UT/LMS), the knowledge of the particle size distribution is mandatory. Unfortunately, measurements in the UT/LMS are costly. Research aircrafts are expensive and thus their application is limited in time and space. Satellite remote sensing measurements provide a good temporal and spatial (horizontal) coverage, but only a limited vertical resolution and currently cannot resolve the particle size distribution. Therefore, within this thesis an optical particle counter (OPC) unit was modified for the application onboard a passenger long-haul aircraft within the CARIBIC project (www.caribic-atmospheric.com). The CARIBIC OPC unit provides regular and cost-efficient particle size distribution measurements of accumulation mode particles in the UT/LMS. In April 2010, the new OPC unit was installed for the first time onboard the Lufthansa Airbus A340 600 (D-AIHE) for the measurement of the volcanic ash cloud from the Eyjafjallajökull eruption (April to May 2010). Since June 2010 the OPC unit measures on usually four intercontinental flights per month the UT/LMS particle size distribution in the particle size range 125 to 1300 nm particle diameter. As the data acquisition stores the scattering raw signal and all housekeeping data as well, during the post flight data analysis the temporal- and size channel resolution can be flexible set. Within this work the data were analyzed with 32 size channels and 300 seconds. As aircraft-borne measurements are always time-consuming, the development of the OPC unit and the analysis routine, as well as its characterization and certification took more than two thirds of the total working time of this thesis. Therefore, the analysis of the data is limited to the first year of regular measurements until May 2011. Nevertheless, this dataset is sufficient to demonstrate the scientific relevance of these measurements. To validate the OPC data, a comparison to particle size distributions measured from board research aircraft was carried out. The analysis of the volcanic ash flights in April and May 2010 showed strongly enhanced particle mass concentrations inside the plumes and agreed in some regions very well to the particle mass concentration predicted by a dispersion model. A further case study shows the occurrence of a surprising large (1000 km) and high concentrated pollution plume over eastern Asia close to Osaka (Japan). Inside the plume the highest particle number- and mass concentrations measured with the OPC unit in the analysis period were observed (except volcanic ash flights). A detailed analysis of the in parallel measured trace gasses as well as meteorological- and LIDAR data showed, the observed plume originate from biomass burning and industrial emissions in eastern China. A third case study gives a first attempt of a mass closure/validation between the particle masses derived by the CARIBIC OPC unit and the CARIBIC impactor particle samples. First statistical analyses to the vertical, meridional, and seasonal variation of the accumulation mode particle size distribution and therefrom derived parameter indicate a stratospheric vertical increasing gradient for the particle number- and mass concentration. In general in the mid-latitude LMS the concentration of accumulation mode particles was found to be on average 120% higher than in the mid-latitude UT. The mid-latitude LMS particle size distribution shows a seasonal variation with on average 120% higher concentrations during spring compared to fall. This results can be explained with general dynamics in the stratosphere (Brewer-Dobson Circulation) and in the tropopause region (stratosphere-troposphere-exchange, STE). An anti-correlation of gaseous mercury to the stratospheric particle surface area concentration (R²=0.97) indicates that most likely stratospheric aerosol particles do act as a sink for gaseous mercury. Finally, two comparisons of the OPC data to data from satellite remote sensing and a global aerosol model underline the OPC potential and the benefits of creating an in situ measured reference dataset. / Um die Rolle von Aerosolpartikeln beim Strahlungsantrieb und der heterogenen chemischen Prozessen in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (OT/US) verstehen zu können, ist es unabdingbar die Partikelgrößenverteilung zu kennen. Messungen der Partikelgrößenverteilung in dieser Region sind allerdings aufwendig. Der Einsatz von Forschungsflugzeugen ist teuer und deshalb zeitlich und räumlich nur begrenzt. Satellitenmessungen bieten zwar eine gute zeitliche und räumliche (horizontal) Abdeckung, aber nur eine begrenzte vertikale Auflösung. Weiterhin können bisherige Satellitenmessungen die Partikelgrößenverteilung nicht auflösen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein optischer Partikelzähler (OPC) Messeinschub für den Einsatz an Bord eines Langstrecken-Passagierflugzeugs aufgebaut (CARIBIC Projekt, www.caribic-atmospheric.com). Mit diesem Messeinschub kann regelmäßig und kosteneffizient die Partikelgrößenverteilung des Akkumulationsmodes in der OT/US gemessen werden. Im April 2010 wurde der neue OPC Einschub erstmals an Bord des Lufthansa Airbus A340-600 (D-AIHE) installiert um die Vulkanasche der Eyjafjallajökull Eruption (April bis Mai 2010) zu messen. Seit Juni 2010 misst der OPC Einschub auf durchschnittlich vier Interkontinentalflügen pro Monat die Partikelgrößenverteilung der OT/US im Größenbereich zwischen 125 und 1300 nm Partikeldurchmesser. Während des Fluges speichert die Datenerfassung alle Rohsignale ab und ermöglicht dadurch eine nutzerspezifische Datenauswertung nach dem Flug (z. B. Anzahl der Größenkanäle oder Zeitauflösung). Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Daten mit 32 Größenkanälen und 300 Sekunden analysiert. Da fluggetragene Messungen immer sehr aufwendig sind, beanspruchte die Entwicklung des OPC Einschubs und des Analysealgorithmus, sowie die Charakterisierung und Zertifizierung mehr als zwei Drittel der Gesamtarbeitszeit dieser Arbeit. Daher ist die Analyse der Messdaten auf das erste Jahr der regulären Messungen bis Mai 2011 beschränkt. Dennoch ist dieser Datensatz geeignet um die wissenschaftliche Relevanz dieser Messungen zu demonstrieren. Um die OPC-Daten zu validieren, wurde ein Vergleich mit bisherigen OPC Messungen von Bord Forschungsflugzeugen durchgeführt. Die Analyse der Vulkanascheflüge im April und Mai 2010 zeigte in der Abluftfahne stark erhöhte Partikelmassekonzentrationen, welche in einigen Vergleichsregionen sehr gut mit der Vorhersage eines Disperionsmodells übereinstimmten. Eine weitere Fallstudie zeigt das Auftreten einer überraschend großen (1000 km) und hoch konzentrierten Abluftfahne über Ostasien nahe Osaka (Japan). In der Abluftfahne wurde die im Analysezeitraum höchste mit dem CARIBIC OPC gemessene Partikelanzahl- und Massenkonzentration beobachtet (ausgenommen Vulkanascheflüge). Eine detaillierte Analyse der parallel gemessenen Spurengase, sowie meteorologischer Daten und LIDAR Profile zeigte, dass die beobachtete Abluftfahne eine Mischung aus Biomasseverbrennungs- und Industrieabgasen aus Ost-China war. Eine dritte Fallstudie stellt einen ersten Versuch einer Massenschließung/Validierung zwischen der aus den CARIBIC OPC-Daten abgeleiteten Partikelmasse und der Partikelmasse aus CARIBIC Impaktorproben dar. Erste statistische Analysen zur vertikalen, meridionalen und saisonalen Variabilität der Partikelgrößenverteilung im Akkumulationsmode und daraus abgeleiteten Parametern zeigen einen vertikal ansteigenden Gradienten für die Partikelanzahl- und Massenkonzentration. Generell war in der US der mittleren Breiten die Konzentration von Akkumulationsmode Partikeln im Mittel um 120% höher als in der OT der mittleren Breiten. Weiterhin wurde in der US der mittleren Breiten eine jahreszeitliche Schwankung gefunden. Im Frühling war die mit dem OPC gemessene Partikelkonzentrationen im Mittel um 120% höher als im Herbst. Diese Befunde lassen sich mit der atmosphärischen Dynamik in der Stratosphäre (Brewer-Dobson Zirkulation) und in der Tropopausenregion (Stratosphäre-Troposphäre-Austauschprozesse) erklären. Eine gefundene negative Korrelation von gasförmigen Quecksilber mit der stratosphärischen Partikeloberflächenkonzentration (R²=0.97) ist ein starker Indikator dafür, dass in der US Aerosolpartikel eine Senke für gasförmiges Quecksilber darstellen. Zum Abschluss unterstreichen zwei Vergleiche der OPC-Daten mit Satellitenmessungen und Ergebnissen eines globalen Aerosolmodels das Potential und den Nutzen der CARIBIC OPC Daten als in-situ gemessenen Referenzdatensatz.

Zu den wenigen Methoden, die sich für eine prozessnahe Charakterisierung von dispersen Stoffsystemen bezüglich der Partikelgrößenverteilung eignen, zählt die Schalldämpfungsspektroskopie. Dennoch ist ihr Einsatz in der industriellen Praxis auf einen überschaubaren Bereich an Messaufgaben und Stoffsystemen beschränkt. Insbesondere findet sie kaum Einsatz für die Partikelgrößenanalyse von submikronen Emulsionen. Die vorliegende Arbeit macht es sich deshalb zum Ziel, ausgehend von grundsätzlichen Überlegungen die Eignung der Schalldämpfungsspektroskopie zur prozessnahen Charakterisierung des Dispersitätszustandes von submikronen Emulsionen zu bewerten und zu verbessern. Schwerpunkte der Arbeit sind die modellhafte Beschreibung des Schalldämpfungsverhaltens von hoch konzentrierten Partikelsystemen im Submikrometerbereich, die Abschätzung des Einflusses von Emulgatoren auf die Schalldämpfung, die Erkennbarkeit von Einzelheiten der Partikelgrößenverteilung, die Sensitivität berechneter Partikelgrößenverteilungen bezüglich der Partikelkonzentration und der verschiedenen Stoffeigenschaften sowie die Auswertung von Schalldämpfungsspektren bei Unkenntnis dieser Modellparameter. Die angesprochenen Aspekte werden am Beispiel typischer Charakterisierungsaufgaben diskutiert. / The ultrasonic spectroscopy is one of few measurement methods applicable to the online characterization of disperse systems with regard to particle size distribution. However, its application in industrial practise is restricted to a rather low number of measurement tasks and material systems. In particular it is hardly used for the particle size analysis of submicron emulsions. This thesis therefore aims to the evaluation of the ultrasonic spectroscopy regarding its applicability to the online characterization of submicron emulsions. Main issues of the thesis are the modelling of sound attenuation in dense particle systems, the estimation on the influence that surfactant layers exert on sound attenuation, the resolution at which size distribution can be measured, the sensitivity of calculated size distributions to model parameters (particle concentration and material properties) and the analysis of measured attenuation spectra by unknown model parameters. The meanining of these issues are illustrated for typical characterization tasks.

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte eine Analyse des Einflusses von Harnstoff-SCR-Technik auf die Partikelemission. Zudem wurde mit der Partikelkonfektionierung durch motorische Maßnahmen eine Möglichkeit zur Verbesserung der katalytischen Partikeloxidation aufgezeigt und untersucht. Untersuchungen mit einem Nfz-Dieselmotor zeigen, dass im Teillastbetrieb mit einem Harnstoff-SCR-System eine deutliche Partikelminderung möglich ist. Sie basiert im Wesentlichen auf der Oxidation organisch löslicher Bestandteile der Partikel im Katalysator. Reduktionsmitteldosierung drängt die Oxidation leicht zurück, die SCR erweist sich als zur Partikeloxidation konkurrierend. Die Charakteristik der Partikelgrößenverteilung wird durch das SCR-System nicht wesentlich verändert, jedoch kann analog zur emittierten Partikelmasse auch die Partikelanzahl deutlich abgesenkt werden. Eine Analyse hinsichtlich der Partikelbestandteile in unterschiedlichen Partikelgrößenklassen hat gezeigt, dass der Anteil organisch löslicher Substanzen mit zunehmender Partikelgröße absinkt. Durch Veränderung des Einspritzbeginns des Kraftstoffs ist die Konfektionierung der Partikelemission im Sinne besserer katalytischer Oxidation möglich. Dabei wird durch Frühverstellung der Anteil organisch löslicher Komponenten der Partikel deutlich erhöht, gleichzeitig ist eine intensive Nanopartikelbildung zu beobachten. Ein Katalysator auf V2O5/WO3/TiO2-Basis ist sehr gut zur Oxidation sowohl der Nanopartikel als auch des größten Teils der organisch löslichen Komponenten geeignet. Damit wird insgesamt eine deutliche Partikelminderung erzielt. Abgasrückführung behindert die Partikelkonfektionierung zunächst deutlich. Durch die dabei jedoch mögliche noch weitere Verlagerung des Einspritzzeitpunktes nach "früh" kann der negative Einfluss aber weitgehend kompensiert werden, so dass eine ähnlich gute Partikelminderung wie im Betrieb ohne AGR bei gleichzeitiger Minderung der Stickoxidemission möglich ist.

Ziel dieser Arbeit war es, die mechanistischen Abläufe bei der Papierleimung mit ASA besser zu verstehen und weiter aufzuklären, um vor allem Wechselwirkungen mit Füllstoffen und anderen chemischen Additiven zu minimieren. Dazu sollten analytische Verfahrensmethoden entwickelt werden, welche die bilanztechnische Verfolgung von ASA und dessen Reaktionsprodukten ermöglichen, um anschließend den Einfluss und die Wechselwirkungen verschiedenster Parameter auf die ASA-Leimung untersuchen zu können. Weiterhin sollte bei Untersuchungen zur Emulgierung versucht werden, die wichtigsten Einflussgrößen auf die Partikelgröße, Stabilität und Hydrolyse des ASA aufzuzeigen. Im ersten Teil der Arbeit konnten bei den Untersuchungen zur Emulgierung wichtige Einflussgrößen auf die Partikelgröße, Stabilität und Hydrolyse von ASA-Emulsionen aufgeklärt werden. Weiterhin wurde eine Methode zur genauen Bestimmung der Reaktionskinetik der ASA-Hydrolyse sowie der Ablagerungsneigung entwickelt. Bei den Untersuchungen zur analytischen Bestimmung wurde über die NIR-Spektroskopie ein einfaches Analyseverfahren zur exakten quantitativen Bestimmung von ASA und AKD entwickelt. Es wurde gefunden, dass eine quantitative Erfassung von synthetischen Leimungsmitteln (ASA / AKD) mittels NIR in den Regionen der CH2-Schwingungen um 4300 cm-1 und 5750 cm-1 mit hoher statistischer Genauigkeit möglich ist. Der Methodenfehler für die Bestimmung von AKD liegt bei ± 0,010 % und bei ± 0,013 % für ASA. Dadurch ist eine wesentlich genauere Bewertung von Wechselwirkungen bei der Leimung als bisher möglich, da nicht nur die Leimungswirkung, sondern über NIR auch Menge und Art (gebunden / ungebunden) an Leimungsmittel in einer bisher nicht erreichbaren Messzeit betrachtet werden können. Mittels HPLC und Pyrolyse-GC/MS konnten die erstellten NIR-Kalibrationen erfolgreich validiert werden. Im letzten Teil der Arbeit wurden Wechselwirkungen von ASA mit Füllstoffen und chemischen Additiven aufgeklärt, sowie mechanistische Grundlagen zur Leimung mit ASA erarbeitet. Hier hat sich gezeigt, dass der Mechanismus der ASA-Leimung nicht nur, wie oft in der Literatur beschrieben, auf eine Veresterung mit den Hydroxylgruppen der Cellulose zurückzuführen ist. Vielmehr ist die optimale Wirkung von Leimungsmitteln sehr stark von deren Verteilung, Mobilität und Orientierung abhängig. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass der größte Anteil des Leimungsmittels im Papier in ungebundener (hydrolisierter) Form vorliegt und somit zur Wanderung (Migration) durch das Papiergefüge befähigt ist. Trotzdem kann der hydrolisierte Anteil deutlich zur Hydrophobierung des Papiers beitragen, wenn dieser richtig orientiert und fein verteilt ist. Schlecht orientierte Leimungsmittel tragen nicht zur Leimung bei bzw. können diese sogar reduzieren. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Einsatz moderner Methoden wichtige Grundlagen zur Papierleimung mit ASA erarbeitet. Dabei wurden insbesondere Beiträge zu den Themen Emulgierung, Hydrolyse- und Ablagerungsneigung, analytische Bestimmung, Wechselwirkungen sowie Mechanismen von ASA geleistet. Diese Ergebnisse zeigen Möglichkeiten auf, wie in Unternehmen der Papierindustrie zukünftig ASA-Leimungsmittel gezielter dosiert, Produktionsstörungen vermieden und Kosten reduziert werden können. / The purpose of this work was to develop a deeper understanding of the mechanisms in ASA sizing and to minimise interactions with fillers and other chemical additives. Therefore analytical test methods were developed, to enable a simple mass balance approach for ASA and its reaction products. Afterwards, the influence of various factors affecting ASA sizing and retention could be investigated and explained. Furthermore, the most important factors which influence particle size, stability, and hydrolysis of ASA emulsions had to be determined. In the first part of this work, studies regarding the emulsification of ASA were carried out. Here, the most important factors with regard to particle size, stability, and hydrolysis of ASA emulsions were investigated. Furthermore, a method for the exact determination of ASA hydrolysis as well as the agglomeration tendency was developed. For the investigations regarding the analytical determination, a fast and easy-to-use method for the quantification of ASA and AKD has been developed. The investigations have shown that a quantitative determination of synthetic sizing agents (ASA / AKD) is possible using NIR spectroscopy. With the help of multivariate data analysis and PLS regression, mainly the region of the CH2-bands around 4300 cm-1 and 5750 cm-1 were evaluated. The prediction error (RMSEP) for the determination of AKD is 0.01 %, and 0.013 % for ASA. Even an analysis of the percentage of bound and unbound ASA / AKD is possible by NIR spectroscopy of extracted paper samples. Thus, a fast and detailed investigation of mechanisms as regards sizing is possible. The developed NIR methods were validated using HPLC and Pyrolysis-GC/MS. In the last part of the work, interactions of ASA with fillers and chemical additives were investigated, and mechanisms of ASA sizing were studied. It was shown that the mechanism of ASA sizing - as often described in the literature - can not only be attributed to the esterification with the hydroxyl groups of the cellulose. In fact, the optimal effect of sizing agents is much more dependant on a fine distribution, mobility and orientation of ASA molecules. It was observed that the main part of the ASA is present in an unbound (hydrolysed) form and therefore is able to migrate through the paper structure. However, the hydrolysed ASA can significantly contribute to sizing when it is finely distributed and well orientated. Sizing agents orientated in the opposite do not contribute to sizing but they can even decrease the existing sizing level. To summarize, it can be concluded that, in this work important fundamentals as regards ASA sizing were developed using modern test methods. Thereby important contributions were made to the topics of emulsification, hydrolysis- and emulsion-stability, analytical determination, interactions and mechanisms of ASA. These results show possibilities how ASA sizing agents can be used more effectively, process disturbances avoided, and costs reduced.

Bei strukturorientierten, aus relativ großen Holzpartikeln aufgebauten Holzwerkstoffen wie z.B. OSB (oriented strand board) addieren sich die gerichteten Festigkeiten der einzelnen Lagen je nach Orientierung der Partikel und der Verteilung ihrer Größenparameter. Wünschenswert wäre eine Messung der Partikelgeometrie und Orientierung möglichst im Prozess, z.B. am Formstrang vor der Presse direkt durch den „Blick auf das Vlies“. Bisher sind regelmäßige on-line-Messungen der Spangeometrie aber nicht möglich, und Einzelspanmessungen werden nicht vorgenommen, weil sie zu aufwändig wären. Um die Partikelkonturen zunächst hinreichend für die Vermessung zu restaurieren und dann zu vermessen, muss ein mehrstufiges Verfahren angewendet werden, das eine Szene mit Strands und mehr oder weniger deutlichen Kanten zunächst als „Grauwertgebirge“ auffasst. Zur Segmentierung reicht ein Watershed-Algorithmus nicht aus. Auch ein zweistufiger Kantendetektor nach Canny liefert allein noch kein ausreichendes Ergebnis, weil sich keine geschlossenen Objektkonturen ergeben. Hinreichend dagegen ist ein komplexes Verfahren auf der Grundlage der Höhenschichtzerlegung und nachfolgenden Synthese: Nach einer Transformation der Grauwerte des Bildes in eine reduzierte, gleichverteilte Anzahl von Höhenschichten werden zwischen diesen die lokalen morphologischen Gradienten berechnet und herangezogen für die Rekonstruktion der ursprünglichen Spankonturen. Diese werden aus den Höhenschichten aufaddiert, wobei allerdings nur Teilflächen innerhalb eines für die gesuchten Spangrößen plausiblen Größenintervalls einbezogen werden, um Störungen zu unterdrücken. Das Ergebnis der Rekonstruktion wird zusätzlich verknüpft mit den bereits durch einen Canny-Operator im Originalbild detektierten deutlichen Kanten und morphologisch bereinigt. Diese erweiterte Höhenschichtanalyse ergibt ausreichend segmentierte Bilder, in denen die Objektgrenzen weitgehend den Spankonturen entsprechen. Bei der nachfolgenden Vermessung der Objekte werden Standard-Algorithmen eingesetzt, wobei sich die Approximation von Spankonturen durch momentengleiche Ellipsen als sinnvoll erwies. Verbliebene Fehldetektionen können bei der Vermessung unterdrückt werden durch Formfaktoren und zusätzliche Größenintervalle. Zur Darstellung und Charakterisierung der Größenverteilungen für die Länge und die Breite wurden die nach der Objektfläche gewichtete, linear skalierte Verteilungsdichte (q2-Verteilung), die Verteilungssumme und verschiedene Quantile verwendet. Zur Umsetzung und Demonstration des Zusammenwirkens der verschiedenen Algorithmen wurde auf der Basis von MATLAB das Demonstrationsprogramm „SizeBulk“ entwickelt, das Bildfolgen verarbeiten kann und mit dem die verschiedenen Varianten der Bildaufbereitung und Parametrierung durchgespielt werden können. Das Ergebnis des Detektionsverfahrens enthält allerdings nur die vollständigen Konturen der ganz oben liegenden Objekte; Objekte unterhalb der Außenlage sind teilweise verdeckt und können daher nur unvollständig vermessen werden. Zum Test wurden daher synthetische Bilder mit vereinzelten und überlagerten Objekten bekannter Größenverteilung erzeugt und dem Detektions- und Messverfahren unterworfen. Dabei zeigte sich, dass die Größenstatistiken durch den Überlagerungseffekt und auch die Spanorientierung zwar beeinflusst werden, dass aber zumindest die Modalwerte der wichtigsten Größenparameter Länge und Breite meist erkennbar bleiben. Als Versuchsmaterial dienten außer den synthetischen Bildern verschiedene Sortimente von OSB-Strands aus Industrie- und Laborproduktion. Sie wurden sowohl manuell vereinzelt als auch zu einem Vlies arrangiert vermessen. Auch bei realen Strands zeigten sich gleiche Einflüsse der Überlagerung auf die Größenverteilungen wie in der Simulation. Es gilt aber auch hier, dass die Charakteristika verschiedener Spankontingente bei gleichen Aufnahmebedingungen und Auswerteparametern gut messbar sind bzw. dass Änderungen in der gemessenen Größenverteilung eindeutig den geometrischen Eigenschaften der Späne zugeordnet werden können. Die Eignung der Verarbeitungsfolge zur Charakterisierung von Spangrößenverteilungen bestätigte sich auch an Bildern, die ausschließlich am Vlies auf einem Formstrang aufgenommen wurden. Zusätzlich wurde nachgewiesen, dass mit der erweiterten Höhenschichtanalyse auch Bilder von Spanplattenoberflächen ausgewertet werden könnten und daraus auf die Größenverteilung der eingesetzten Deckschichtspäne geschlossen werden kann. Das vorgestellte Verfahren ist daher eine gute und neuartige Möglichkeit, prozessnah an Teilflächen von OSB-Vliesen anhand von Grauwertbildern die Größenverteilungen der Strands zu charakterisieren und eignet sich grundsätzlich für den industriellen Einsatz. Geeignete Verfahren waren zumindest für Holzpartikel bisher nicht bekannt. Diese Möglichkeit, Trends in der Spangrößenverteilung automatisch zu erkennen, eröffnet daher neue Perspektiven für die Prozessüberwachung. / The strength of wood-based materials made of several layers of big and oriented particles like OSB (oriented strand board) is a superposition of the strengths of the layers according to the orientation of the particles and depending from their size distribution. It would be desirable to measure particle geometry and orientation close to the production process, e.g. with a “view onto the mat”. Currently, continuous on-line measurements of the particle geometry are not possible, while measurements of separated particles would be too costly and time-consuming. Before measuring particle shapes they have to be reconstructed in a multi-stage procedure which considers an image scene with strands as “gray value mountains”. Segmentation using a watershed algorithm is not sufficient. Also a two-step edge detector according to Canny does not yield closed object shapes. A multi-step procedure based on threshold decomposition and recombination however is successful: The gray values in the image are transformed into a reduced and uniformly distributed set of threshold levels. The local morphological gradients between these levels are used to re-build the original particle shapes by adding the threshold levels. Only shapes with a plausible size corresponding to real particle shapes are included in order to suppress noise. The result of the reconstruction from threshold levels is then matched with the result of the strong edges in the original image, which had been detected using a Canny operator, and is finally cleaned with morphological operators. This extended threshold analysis produces sufficiently segmented images with object shapes corresponding extensively to the particle shapes. Standard algorithms are used to measure geometric features of the objects. An approximation of particle shapes with ellipses of equal moments of inertia is useful. Remaining incorrectly detected objects are removed by form factors and size intervals. Size distributions for the parameters length and width are presented and characterized as density distribution histograms, weighted by the object area and linearly scaled (q2 distribution), as well as the cumulated distribution and different quantiles. A demonstration software “SizeBulk” based on MATLAB has been developed to demonstrate the computation and the interaction of algorithms. Image sequences can be processed and different variations of image preprocessing and parametrization can be tested. However, the detection procedure yields complete shapes only for those particles in the top layer. Objects in lower layers are partially hidden and cannot be measured completely. Artificial images with separated and with overlaid objects with a known size distribution were generated to study this effect. It was shown that size distributions are influenced by this covering effect and also by the strand orientation, but that at least the modes of the most important size parameters length and width remain in evidence. Artificial images and several samples with OSB strands from industrial and laboratory production were used for testing. They were measured as single strands as well as arrangements similar to an OSB mat. For real strands, the same covering effects to the size distributions revealed as in the simulation. Under stable image acquisition conditions and using similar processing parameters the characteristics of these samples can well be measured, and changes in the size distributions are definitely due to the geometric properties of the strands. The suitability of the processing procedure for the characterization of strand size distributions could also be confirmed for images acquired from OSB mats in a production line. Moreover, it could be shown that the extended threshold analysis is also suitable to evaluate images of particle board surfaces and to draw conclusions about the size distribution of the top layer particles. Therefore, the method presented here is a novel possibility to measure size distributions of OSB strands through the evaluation of partial gray value images of the mat surface. In principle, this method is suitable to be transferred to an industrial application. So far, methods that address the problem of detecting trends of the strand size distribution were not known, and this work shows new perspectives for process monitoring.

This thesis originated as a part of the PhD research carried out by Mgr. Radek Suchomel. To calibrate a hypoplastic model for granular materials a large number of laboratory tests was needed and a part of the testing constitutes the present thesis. The hypoplastic model by von Wolffersdorff (1996) has eight materials parameters. The critical state fiction angle φc', which was obtained directly by the measurement of the angle of repose, is one of the eight parameters. Other parameters are determined form the results of experiments and empirically. Aim of this thesis was to carry out field and laboratory tests, to determine selected soil properties and to interpret them with regard to the variability of the soil in the selected face of the sand pit. The material for investigation comes from the south part of the Cretaceous Třeboň Basin in the South Bohemia from the Kolný sand pit. The pit is located in the upper part of the Klikov layers. The fluvial layers are characterised by rhythmical variation of gravely sands, sands and sands with dark grey clayey inclusion. Samples were taken in the face of the sand pit with the dimensions of 9 x 36 m. The following tests were performed: drained triaxial compression test (38 samples), oedometric compression test (38 samples), measurement of the angle of repose...

In this Dissertation, systematic work has been carried out to study the road-deposited sediment and its adsorbed pollutants from a stormwater pollution perspective. Solid-phase concentration, surface load, source apportionment, risk assessment, and desorption dynamics of polycyclic aromatic hydrocarbons and/or heavy metals in road-deposited sediments (RDS) were investigated. In order to provide data to assist potential strategies of stormwater pollution mitigation and integrated catchment management to minimise the adverse impacts of RDS adsorbed pollutants on stormwawter quality, the following specific topics were addressed. ⑴ The influences of traffic load and antecedent dry-weather period on pollution level and ecological risk of heavy metals in RDS were analyzed. ⑵ The build-up dynamics and chemical fractionation of metals were determined. ⑶ The potential source contributions and risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in size-fractionated RDS were firstly determined by a Principal component analysis - Multiple linear regression receptor model. ⑷ The qualitative and quantitative source apportionments of polycyclic aromatic hydrocarbons were subsequently investigated through a combined qualitative Molecular Diagnostic Ratio and quantitative Positive Matrix Factorization source apportionment with an extended data set. ⑸ The exposure risk of polycyclic aromatic hydrocarbons were evaluated and calculated by incremental lifetime cancer risk models. ⑹ Then, a novel ecological risk assessment approach to the RDS adsorbed toxic substances was developed, which was explored exclusively for the study of RDS for a water pollution aspect. ⑺ Finally, the effects of rainwater, major wastewater constituents of dissolved organic matter and surfactant on the leaching of heavy metals from RDS were carried out.

Angetrieben von vielversprechenden Effizienzsteigerungen wird der Beton-3D-Druck stetig weiterentwickelt. Um die gewonnenen Erkenntnisse niederschwellig in die Baupraxis zu überführen, empfehlen sich druckbare Betone im Rahmen des geltenden Regelwerks. Dabei stellt die Limitierung des Mehlkorngehalts eine Herausforderung dar. Um diese zu meistern, wird eine verallgemeinerbare, numerisch unterstützte Anwendung der Korngrößenverteilung nach Andreasen und Andersen als Basis für den Betonentwurf vorgeschlagen. Experimentelle Untersuchungen haben eine gute Verbaubarkeit und hinreichende Extrudierbarkeit eines Betons mit einem 16 mm Größtkorn und einem Mehlkorngehalt von 500 kg/m³ demonstriert.

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