The research is based on the European Directive aimed at harmonising standards for construction products. Harmonised standards remove technical barriers to trade allowing manufacturers to sell their products anywhere in the European Economic Area (EEA) provided the product complies with the standard and has affixed the CE marking. This should lead to greater competition in all EEA markets. A review of relevant literature covered three distinct areas; developments of the European Union and the Construction Products Directive (CPD), the UK construction industry and materials sector and strategic management concentrating on market barriers and entry strategies. The research combined these areas together by investigating the impact of the CPD on the UK construction product manufacturers specifically considering the strategic decisions of the UK brick industry. As there was little previous empirical research into this area, data was generated through exploratory interviews with manufacturers and bodies involved with the UK implementation of the Directive, through a self-completion postal questionnaire survey with manufacturers from six product groups and by a case study approach used to examine the UK brick industry. The research demonstrated that the Directive is having little impact to date on the strategic decisions of UK construction product manufacturers. Also, there are a disturbing number of producers that were not aware of the Directive and its possible implications. By applying previous research findings to the UK brick industry, conclusions were drawn highlighting the specific nature of this industry and identifying specific characteristics that influence its competitiveness. The Directive and the UK brick industry have never previously been examined in such a manner and areas for further research have been suggested.

Although Britain is relatively rich in natural aggregate reserves, planning approvals to develop new quarries are running at about half the rate of aggregate extraction. The use of secondary materials, such as recycled aggregate, might not create a major course of aggregate but if secondary material were used in less demanding situations, the quantity of natural aggregate required by the construction industry would be reduced. This dissertation reports mainly on laboratory tests conducted on crushed concrete and demolition debris to examine the potential use of these materials in new construction. Standard aggregate tests were conducted on the materials to check their compliance with the Specification for Highway Works (1986), particularly for use as aggregate in road sub-base layers. A more detailed examination of the aggregates was conducted with regard to CBR, shear strength and frost susceptibility where the influences of moisture content, density and particle packing on these properties were investigated. One part of the study involved examining the use of recycled aggregate as the coarse aggregate fraction in new concrete. An analysis of the shear strength data was conducted using the dilatancy index defined by Bolton (1986). From the frost susceptibility results, it was concluded that further work would be required in this area to determine the main factors which influence the frost heave of recycled aggregates. The recycled aggregate concrete compared well with the natural aggregate concrete and appeared to be of superior quality than that produced in other research. During the study, it became evident that the recycled aggregates could perform as well as limestone in most cases and therefore could be considered for many potential uses. Some recommendations are presented at the end of this dissertation for the development of a standard on recycled materials which would help to promote the use of recycled aggregates in the construction industry in Britain.

This thesis describes the novel test techniques that were developed to measure the parameters associated with the plastic shrinkage, and subsequent possible plastic shrinkage cracking, of high strength concrete. The parameters measured during the first 24 hours after placing were the stress- strain relationship, negative pore pressure and free shrinkage strain development. The plastic behaviour of eight high strength concrete mixes was quantified and these mixes were then tested to assess their propensity towards plastic shrinkage cracking, using restrained ring tests. A review of the parameters associated with plastic shrinkage cracking was carried out. The general view was that as the particle size in a cement matrix gets smaller, then the negative pore pressures developed are greater and hence shrinkage increases. This meant that the presence of secondary cementing materials, of very small diameter, such as microsilica, in high strength concretes would explain their apparent susceptibility to plastic shrinkage cracking. Eight high strength concrete mixes were tested in exposed and sealed conditions. It was found that when tested in sealed conditions none of the parameters measured presented itself as the sole driving force behind plastic shrinkage or plastic shrinkage cracking. Also, when cured in sealed conditions, none of the mixes tested in the restrained ring test apparatus cracked. When tested in exposed conditions, the presence of wind had little effect on the stress-strain relationship of the mixes tested. However the presence of wind seemed to cause negative pore pressures to develop earlier than in the sealed samples and increased free shrinkage by 3 to 40 times depending on the mix. The samples that exhibited the highest free shrinkage strains, in exposed conditions, were the mixes that cracked when tested in the restrained shrinkage rings. The mixes that cracked all contained microsilica and these mixes did not crack when the same mixes were tested without microsilica. Polypropylene fibres were found to reduce the cracked area of the samples that cracked. The supplementary cementing materials used in this study were ground granulated blast furnace slag, metakaolin, microsilica and pulverised fuel ash.

Die Baubranche gilt als der Wirtschaftszweig mit dem größten Ressourcenverbrauch und höchsten Abfallaufkommen. Überwiegend herrschen lineare Strukturen vor, eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft konnte sich bislang nicht etablieren. Mit dieser Arbeit wird ein Beitrag zum zukunftsfähigen Bauen geleistet, indem der Einsatz mineralischer Recycling-Baustoffe in öffentlichen Bauvorhaben unter Berücksichtigung der Potenziale und Herausforderungen vielseitig untersucht und eine Empfehlung gegeben wird. Zur Darlegung der Ausgangssituation wurden die gegenwärtigen und vergangenen mineralischen Stoffströme nachvollzogen sowie Stakeholderbefragungen im Raum Dresden durchgeführt. Es zeigte sich, dass ein großer Teil der ungefährlichen mineralischen Bau- und Abbruchabfälle in übertägigen Abbaustätten oder Deponien sonstig verwertet wird und Recycling-Baustoffe nur selten in öffentlichen Bauvorhaben Verwendung finden. Bezüglich der Zielgrößen der Qualität, Termine und Kosten befürchteten die befragten öffentlichen Auftraggeber Nachteile beim Recycling-Einsatz im Vergleich zum konventionellen Bauen. Darauf aufbauend erfolgten Untersuchungen sowie eine Bewertung, inwiefern Recycling-Baustoffe hinsichtlich dieser drei Zielgrößen sowie der Ökologie in verschiedenen Baubereichen konkurrenzfähig zu Primärbaustoffen sind. Die Ökologie wurde als vierte Zielgröße herangezogen, da sie im zukunftsfähigen Bauen einen hohen Stellenwert einnehmen wird. Es wurde herausgefunden, dass die regional erhobenen Verkaufspreise der Recycling-Baustoffe und Annahmepreise ihrer später resultierenden Abfälle entgegen der Befürchtungen im Tiefbaubereich geringer sind als die gleichwertiger Primärbaustoffe. Nur die Preise des Recycling-Betons liegen im Mittel um 7,6 % höher. Obwohl unterschiedliche Allokationen der betrachteten Ökobilanzen einen Vergleich erschwerten, ließ sich insgesamt feststellen, dass Recycling-Baustoffe geringere Umweltbelastungen bedingen. Gütegesicherte Recycling-Baustoffe gelten nach den aktuellen Regelwerken als qualitativ gleichwertig zu Primärbaustoffen. Allerdings können sie allein den Bedarf an mineralischen Rohstoffen im sächsischen Bauwesen weder gegenwärtig noch in den nächsten Jahrzehnten decken. Nach einer durchgeführten Nutzwertanalyse mit integrierter Sensitivitätsanalyse auf Grundlage der Untersuchungen sind ungebundene Recycling-Baustoffe sowie der Recycling-Asphalt gegenüber ihren gleichwertigen Primärbaustoffen eindeutig zu bevorzugen. Recycling-Beton ist im Vergleich zu Primärbeton zu präferieren, wenn der Ökologie eine höhere Gewichtung zukommt als den Kosten. Daneben stellte sich heraus, dass im Rahmen der Bauausschreibungen eine Forderung nach Recycling-Baustoffen mit einer Ausnahmeregelung bei fehlender regionaler Verfügbarkeit am geeignetsten zur Erhöhung der Recycling-Nachfrage beiträgt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Zielstellung und Abgrenzung 1.3 Aufbau 2 Ausgangssituation 2.1 Grundlagen der Kreislaufführung mineralischer Stoffe im Bauwesen inklusive eigener Betrachtungen zu den quantitativen Stoffströmen 2.1.1 Systematik mineralischer Baustoffe und einheitliche Festlegungen in dieser Arbeit 2.1.2 Kreislaufgedanke 2.1.3 Qualitative Betrachtungen zur Kreislaufführung mineralischer Stoffe 2.1.3.1 Aufkommen und Entsorgungswege mineralischer Bau- und Abbruchabfälle 2.1.3.2 Herstellung rezyklierter Gesteinskörnungen in Abgrenzung zu natürlichen 2.1.3.3 Gegenwärtige Einsatzgebiete von RC-Rohstoffen und potenzielle Möglichkeiten 2.1.4 Quantitative Betrachtungen zur regionalen Kreislaufführung mineralischer Stoffe 2.1.4.1 Methodik 2.1.4.2 Ergebnisse 2.1.5 Einordnung der RC- und Verwertungsquoten in den internationalen Kontext 2.1.6 Kritische Auseinandersetzung 2.2 Betrachtungen zum gegenwärtigen RC-Einsatz in öffentlichen Bauvorhaben mithilfe regionaler Stakeholderbefragungen 2.2.1 Politische Zielsetzungen zum nachhaltigen Ressourceneinsatz im Bauwesen 2.2.2 Besonderheiten öffentlicher Bauvorhaben und rechtliche Zulässigkeit des RC- Einsatzes 2.2.3 Baubeteiligte und Regelablauf eines Bauverfahrens 2.2.4 Befragungen im Raum Dresden 2.2.4.1 Vorbetrachtungen und Methodik 2.2.4.2 Stakeholderworkshop 2.2.4.3 Experteninterviews mit der Landeshauptstadt Dresden 2.2.4.4 Befragungen des Landratsamtes Meißen 2.2.4.5 Befragungen des Freistaates Sachsen 2.2.4.6 Zusammenfassung der Befragungen 3 Methodischer Ansatz 3.1 Abgeleiteter Untersuchungsbedarf 3.2 Überlegungen zur Auswertung der Untersuchungen 3.3 Grundlegendes Forschungsdesign 4 Untersuchungen zum Vergleich zwischen RC- und Primärbaustoffen 4.1 Qualität – Technisch-regulatorische Anforderungen 4.1.1 Technische Eigenschaften 4.1.2 Einführung in die Regelwerke und ihre Systematik 4.1.3 Bautechnische Anforderungen 4.1.4 Umwelttechnische Anforderungen 4.1.5 Gütesicherung 4.1.5.1 Systeme und Nachweise 4.1.5.2 Umfang 4.1.6 Zwischenzusammenfassung 4.2 Termine – Betrachtungen zur Verfügbarkeit für einen planungssicheren Einsatz mithilfe berechneter Substitutionsquoten 4.2.1 Zusammenhang zwischen Baustoffauswahl und Termineinhaltung 4.2.2 Verfügbarkeit an Primärrohstoffen 4.2.3 Verfügbarkeit an RC-Rohstoffen 4.2.3.1 Vorbetrachtungen und Methodik 4.2.3.2 Gesamtbetrachtung 4.2.3.3 Betrachtung im geschlossenen Kreislauf: Betone 4.2.3.4 Betrachtung im geschlossenen Kreislauf: Asphalte 4.2.3.5 Betrachtung im geschlossenen Kreislauf: Boden und Steine 4.2.4 Entsorgungssicherheit 4.2.5 Zwischenzusammenfassung 4.3 Kosten – Erhebung und Auswertung von Verkaufs- und Annahmepreisen 4.3.1 Einführung in die Kostenbetrachtung und Abgrenzung 4.3.2 Verkaufspreise 4.3.2.1 Vorbetrachtungen und Methodik 4.3.2.2 Ergebnisse und Interpretation 4.3.2.3 Fehleranalyse und Streuungen 4.3.3 Annahmepreise 4.3.4 Zusammenführung der Verkaufs- und Annahmepreise 4.3.5 Zwischenzusammenfassung 4.4 Ökologie – Ermittlung und Auswertung von Ökobilanzen 4.4.1 Ökobilanzen und ihre Problematik 4.4.2 Ökologischer Vergleich 4.4.2.1 Vorbetrachtungen und Methodik 4.4.2.2 Ergebnisse 4.4.2.3 Diskussion der abweichenden Literaturergebnisse 4.4.2.4 Interpretation 4.4.3 Zwischenzusammenfassung 5 Auswertung zum anzustrebenden RC-Einsatz 5.1 Evaluierung des RC-Einsatzes nach den Zielgrößen im Bauwesen mithilfe der Nutzwertanalyse 5.1.1 Bereits getroffene Festlegungen 5.1.2 Betrachtungen zu den Ausschlusskriterien 5.1.3 Bewertung der Kriterien und Ermittlung der Teilnutzwerte 5.1.4 Berechnung des Gesamtnutzwertes 5.1.5 Validierung durch eine Sensitivitätsanalyse und Ergebnisdarstellung 5.1.6 Schärfung der Ergebnisse 5.2 Überlegungen zur Erhöhung der Nachfrage nach RC-Baustoffen 5.2.1 Vorreiterregionen der Kreislaufführung im öffentlichen Bauwesen 5.2.2 Systeme zum nachhaltigen Bauen und Fördermöglichkeiten 5.3 Ermittlung und Evaluierung von Alternativen zur RC-Nachfrage 5.3.1 Bewertungsansatz und Auswahl der Alternativen 5.3.2 Sammlung von Kriterien 5.3.3 Gewichtung der Kriterien 5.3.4 Bewertung der Kriterien und Ermittlung der Teilnutzwerte 5.3.5 Berechnung des Gesamtnutzwertes 5.3.6 Validierung durch eine Sensitivitätsanalyse 5.3.7 Ergebnisdarstellung 5.4 Empfehlung 6 Einordnung der Ergebnisse in das gesamte Bauwesen und Ausblick 6.1 Zusammenfassung und Ergebnisse 6.2 Grenzen des RC-Einsatzes durch öffentliche Auftraggeber 6.3 Bedeutung des RC-Einsatzes im nachhaltigen Bauen 6.4 Übertragbarkeit und weiterer Forschungsbedarf Literaturverzeichnis Inhaltsverzeichnis der Anlagen

La fonctionnalisation croissante des matériaux de constructions ainsi que le besoin de gestion des ressources de l'humanité rend les matériaux traditionnels à base de ciment moins performant.De nouvelles structures de paroi peuvent être envisagées en optimisant le choix de matériaux et leurs agencements. Dans ce travail nous avons choisi d'évaluer une structure pouvant remplir toutes les fonctions d'une paroi type « maison individuelle » ceci en utilisant des matériaux à faible coût et en utilisant des procédés de fabrications classiques. Les matériaux choisis proviennent majoritairement d'une source agricole renouvelable, le chanvre et son sous-produit (la chènevotte) et du recyclage des déchets de polystyrène. Nous avons établi des relations entre différentes propriétés du composites obtenu et les paramètres du procédé en particulier sur la zone des hautes teneurs en renfort et jusqu'à 100%. Nous avons également préparé la phase d'optimisation numérique d'une structure sandwich alvéolaire en modélisant le procédé et les structures ainsi obtenue. / Due to the rapidly improving functionality of building materials, and increasingly complicated human resource management issues, the traditional cement-based building materials of the past are becoming less and less desirable.These outdated materials are being replaced by new structures of wall that better optimize choices of materials and their layouts. In this study, we propose a multi-function structure to be the unit of a typical wall (individual house), which can be produced via the use of inexpensive materials and classic manufacturing processes. To achieve this, we chose the renewable agricultural source of the hemp plant (hemp yarns and hemp shive particles), along with recycled expanded polystyrene, to manufacture a fully recyclable composite. We established a relationship between the physical-mechanical properties of the resulting composite and the parameters of the manufacturing process, particularly in the zone of high load reinforcement, we successfully manufactured a composite of 100% hemp shive particles. In addition, we have also prepared the numerical optimization phase of an alveolar sandwich structure by modeling the process and the obtained structure.

Les problèmes climatiques planétaires nous poussent à concevoir des systèmes constructifs à faible consommation d’énergie. L’utilisation des murs constitués d’écomatériaux (ossature bois avec un remplissage de brique de terre crue et assemblage parmortier minéral) apparaît comme une solution alternative intéressante et conforme aux objectifs en matière de développement durable. Dans une démarche de conception de ce type de système constructif, un outil de modélisation thermo-hydro-mécanique a été développé. Il vise d’une part à prédire la capacité de la paroi à réguler les conditions hygrothermiques ambiantes lors des alternances jour/nuit en fonction des différentes stratégies de ventilation, et d’autre part à identifier les différents scénarios décrits en termes de température et d’humidité pouvant induire l’apparition de fissures dans la paroi, aussi bien en phase de construction qu’en conditions de service. La rareté des travaux réalisés sur les propriétés de la terre crue nous a poussés à développer une campagne expérimentale multidisciplinaire pour caractériser les propriétés thermiques, hydriques et mécaniques sous différents états hydriques. Ces propriétés alimentent le modèle, dont les adaptations nécessaires sont présentées. Les résultats portent à la fois sur l’impact sur le confort hygrothermique et sur l’effet des variations hydriques sur la durabilité mécanique de la paroi. / Global climate problems push us to design energy-saving constructive systems. The use of walls made of eco-materials (wooden frame with a filling of brick of raw earth and assembled by mineral mortar) appears as an interesting alternative solution being in linewith the objectives in terms of sustainable development. In order to use a numerical simulation approach to this type of constructive system, a thermo-hydro-mechanical modeling tool was developed. On the one hand, it aims to predict the wall's ability to regulate the ambient hygrothermal conditions during day / night alternations according to the different ventilation assumptions and, on the other hand, to identify the various scenarios described in terms of temperature which can induce the appearance of cracks in the wall, both during construction and operating conditions. The originality of the work carried out on the properties of the raw earth make us able to develop a multidisciplinary experimental campaign to characterize the thermal, hydric and mechanical properties under different humidity conditions. These properties feed the numerical model with the necessary adaptations presented. The results present both the impact on hygrothermal comfort and to the effect of humidity changes on the mechanical durability of the wall.

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Textile-reinforced concrete is a promising, innovative, and sustainable alternative to conventional reinforced concrete. Due to their high specific mechanical and excellent chemical properties, textile reinforcements, usually based on carbon fibers, have great potential for resource-efficient, lean, and long-term stable construction methods. Furthermore, they enable a cost-effective strengthening of existing building structures. However, the resistance to short-term dynamic loads, such as earthquakes, rockfalls, or car accidents, is low and can lead to devastating damage in extreme cases. In this thesis, impact-resistant textile reinforcements are developed and tested. The focus is on the concrete structure's impact-facing and impact-rear sides. A multi-scale approach is being pursued to evaluate suitable materials and test methods. This approach is used to research material properties and findings at the yarn, textile, composite, and structural scale. To achieve an improved understanding and to gain deep insight information of textile behavior under impact conditions and impact-induced wave propagation, textile-based strain sensors are developed and used in a network configuration. The acquisition of sensor data and optical analyses of high-speed images present extensive evaluations of impact propagation and strain distribution within the strengthening layer.:1 Introduction 2 State of the art 2.1 Key considerations for strain rate-dependent phenomena 2.1.1 Strain rate dependence 2.1.2 Definition of the strain rate scale 2.1.3 Types of impact 2.1.4 Wave propagation 2.2 High performance fiber materials for textile reinforced concrete 2.2.1 Introduction 2.2.2 Evaluation of suitable fiber materials 2.2.3 Carbon fiber 2.2.4 Steel fibers 2.3 Strain sensing sensor systems 2.3.1 Structural health monitoring 2.3.2 Sensor principles 2.3.3 Preferred sensor principle for the application in TRC 2.4 Textile reinforcement and yarn processing 2.4.1 Weaving 2.4.2 Multiaxial warp-knitting 2.4.3 Tailored-fiber placement 2.4.4 Braiding 2.5 Cement-based Composites 2.5.1 Overview 2.5.2 Steel reinforced concrete 2.5.3 Fiber reinforced concrete 2.5.4 Textile reinforced concrete 2.5.5 Hybrid reinforced concrete 2.6 Derived research gaps 3 Materials under investigation 3.1 Fiber and yarn materials 3.1.1 Materials used for reinforcement 3.1.2 Materials used for textile-based strain sensors 3.1.3 Textile reinforcement 3.2 Impregnation and matrices materials 3.2.1 Polymeric dispersion 3.2.2 Epoxy resin 3.2.3 Cementitious matrices 4 Development of a sensor network for impact scenarios 4.1 Requirements 4.2 Sensor design and network 4.3 Preferred solution 4.4 Measurement technology 5 Development of impact-resistant textile reinforcements for concrete structures 5.1 Definition of the research objective and boundary conditions 5.2 Textile reinforcement on the impact-facing side 5.2.1 Requirements 5.2.2 Conceptual design inspired by nature 5.2.3 Structural design and binding development of the textile reinforcement 5.2.4 Manufacturing process 5.3 Textile reinforcement on the impact-rear side 5.3.1 Requirements 5.3.2 Development process 5.3.3 Manufacturing process 6 Electromechanical characterization on the yarn scale 6.1 Experimental program 6.2 Stage I Fiber scale 6.2.1 Electrical resistance and electromechanical behavior under quasi-static tension 6.3 Stage II Composite scale without textile 6.3.1 Combined tension-compression tests 6.4 Stage III Composite scale with textile 6.4.1 Manufacturing of CFRP specimen with in-situ sensors 6.4.2 Testing procedure and strain measurement methods 6.4.3 Results 6.5 Summary 7 Material behavior on the composite scale 7.1 Quasi-static and impact bending behavior of TRC 7.1.1 Research objective 7.1.2 Textile reinforcement 7.1.3 Specimen manufacturing 7.1.4 Test setup 7.1.5 Results 7.1.6 Conclusion 7.2 Quasi-static tensile behavior of TRC with modified CF-NCF 7.2.1 Research objective 7.2.2 Specimen manufacturing and testing setup 7.2.3 Results 7.2.4 Conclusion 8 Material behavior on the structural scale 8.1 Design of the drop tower facility 8.2 Cementitious composite strengthening layers for the impact-facing side 8.2.1 Functionalized CW3DT reinforcement 8.2.2 Specimen manufacturing and testing parameters 8.2.3 Results 8.2.4 Conclusion 8.3 Cementitious composite strengthening layers for the impact-rear side 8.3.1 Specimen manufacturing and testing parameters 8.3.2 Results 8.3.3 Summarized discussion of the findings 9 Summary and outlook 9.1 Summary of the research work 9.2 Conclusions 9.3 Outlook Bibliography List of Figures List of Tables A Weaving pattern of the CW3DT / Textilverstärkter Beton ist eine vielversprechende, innovative und nachhaltige Alternative zum herkömmlichen Stahlbeton. Aufgrund ihrer hohen spezifischen mechanischen und ausgezeichneten chemischen Eigenschaften besitzen textile Bewehrungen, meist auf Carbonfaserbasis, ein großes Potenzial für ressourceneffiziente, schlanke und langzeitstabile Bauweisen. Bestehende Baustrukturen können dadurch nachträglich verstärkt werden. Allerdings ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber kurzzeitdynamischer Beanspruchung, wie Erdbeben, Steinschlag oder Autounfälle, gering und kann im Extremfall zu verheerenden Schäden führen. In der vorliegenden Arbeit werden impaktresistente textile Verstärkungsschichten entwickelt und erprobt. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der impaktzugewandten als auch auf der impaktabgewandten Strukturseite. Um geeignete Materialien und Prüfmethoden zu evaluieren, wird ein Mehrskalenansatz verfolgt. Dieser Ansatz dient zur Erforschung von Materialeigenschaften und Erkenntnissen auf der Garn\nobreakdash-, Textil-, Verbund- und Strukturebene. Zur Erreichung eines verbesserten Verständnisses des textilen Verhaltens unter Impaktbedingungen sowie der impaktinduzierten Wellenausbreitung, werden textilbasierte Dehnungssensoren entwickelt und in einem Netzwerk eingesetzt. Durch die Erfassung von Sensordaten und optischen Analysen von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen werden umfangreiche Auswertungen zur Impaktausbreitung und Dehnungsverteilung innerhalb der textilen Betonverstärkungsschicht durchgeführt und präsentiert.:1 Introduction 2 State of the art 2.1 Key considerations for strain rate-dependent phenomena 2.1.1 Strain rate dependence 2.1.2 Definition of the strain rate scale 2.1.3 Types of impact 2.1.4 Wave propagation 2.2 High performance fiber materials for textile reinforced concrete 2.2.1 Introduction 2.2.2 Evaluation of suitable fiber materials 2.2.3 Carbon fiber 2.2.4 Steel fibers 2.3 Strain sensing sensor systems 2.3.1 Structural health monitoring 2.3.2 Sensor principles 2.3.3 Preferred sensor principle for the application in TRC 2.4 Textile reinforcement and yarn processing 2.4.1 Weaving 2.4.2 Multiaxial warp-knitting 2.4.3 Tailored-fiber placement 2.4.4 Braiding 2.5 Cement-based Composites 2.5.1 Overview 2.5.2 Steel reinforced concrete 2.5.3 Fiber reinforced concrete 2.5.4 Textile reinforced concrete 2.5.5 Hybrid reinforced concrete 2.6 Derived research gaps 3 Materials under investigation 3.1 Fiber and yarn materials 3.1.1 Materials used for reinforcement 3.1.2 Materials used for textile-based strain sensors 3.1.3 Textile reinforcement 3.2 Impregnation and matrices materials 3.2.1 Polymeric dispersion 3.2.2 Epoxy resin 3.2.3 Cementitious matrices 4 Development of a sensor network for impact scenarios 4.1 Requirements 4.2 Sensor design and network 4.3 Preferred solution 4.4 Measurement technology 5 Development of impact-resistant textile reinforcements for concrete structures 5.1 Definition of the research objective and boundary conditions 5.2 Textile reinforcement on the impact-facing side 5.2.1 Requirements 5.2.2 Conceptual design inspired by nature 5.2.3 Structural design and binding development of the textile reinforcement 5.2.4 Manufacturing process 5.3 Textile reinforcement on the impact-rear side 5.3.1 Requirements 5.3.2 Development process 5.3.3 Manufacturing process 6 Electromechanical characterization on the yarn scale 6.1 Experimental program 6.2 Stage I Fiber scale 6.2.1 Electrical resistance and electromechanical behavior under quasi-static tension 6.3 Stage II Composite scale without textile 6.3.1 Combined tension-compression tests 6.4 Stage III Composite scale with textile 6.4.1 Manufacturing of CFRP specimen with in-situ sensors 6.4.2 Testing procedure and strain measurement methods 6.4.3 Results 6.5 Summary 7 Material behavior on the composite scale 7.1 Quasi-static and impact bending behavior of TRC 7.1.1 Research objective 7.1.2 Textile reinforcement 7.1.3 Specimen manufacturing 7.1.4 Test setup 7.1.5 Results 7.1.6 Conclusion 7.2 Quasi-static tensile behavior of TRC with modified CF-NCF 7.2.1 Research objective 7.2.2 Specimen manufacturing and testing setup 7.2.3 Results 7.2.4 Conclusion 8 Material behavior on the structural scale 8.1 Design of the drop tower facility 8.2 Cementitious composite strengthening layers for the impact-facing side 8.2.1 Functionalized CW3DT reinforcement 8.2.2 Specimen manufacturing and testing parameters 8.2.3 Results 8.2.4 Conclusion 8.3 Cementitious composite strengthening layers for the impact-rear side 8.3.1 Specimen manufacturing and testing parameters 8.3.2 Results 8.3.3 Summarized discussion of the findings 9 Summary and outlook 9.1 Summary of the research work 9.2 Conclusions 9.3 Outlook Bibliography List of Figures List of Tables A Weaving pattern of the CW3DT

Ein zentraler Baustein zur Reduktion von CO2-Emissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie. Forschungsbedarf besteht dabei bei der ressourceneffizienten Herstellung der Turmstrukturen. Bei Nabenhöhen von über 100 Metern sind Hybridtürme aus vorgespannten Stahlbetonsegmenten die geeignetste Konstruktion. Hierfür ist jedoch eine genaue Kenntnis des Ermüdungsverhaltens von Beton erforderlich. In der Literatur existieren überwiegend Untersuchungen an kleinformatigen zylindrischen Probekörpern, deren Ergebnisse nur bedingt auf die großmaßstäblichen Bauteile übertragen werden können. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden daher zum einen Großversuche mit zyklisch biegebeanspruchten, vorgespannten Betonbalken sowie Begleitversuche an zylindrischen Probekörpern und zum anderen numerische Simulationen der Balkenversuche durchgeführt. Das numerische Materialmodell wurde aufbauend auf einem additiven Dehnungsmodell im Finite-Elemente-Programm ANSYS Mechanical in einem iterativen Berechnungsablauf implementiert. Die Betondehnungen setzen sich hierbei aus vier Anteilen zusammen, einem elastischen, einem plastischen, einem viskosen und einem Temperaturdehnungsanteil. Somit konnte der kombinierte Einfluss der Anteile auf das Ermüdungsverhalten von Beton dargestellt werden. In den Großversuchen konnte bei den Balkenprobekörpern ein Ermüdungsversagen der Betondruckzone erzeugt werden, das sich an dieser Stelle durch Risse parallel zur Drucknormalspannung sowie teilweises Abplatzen der Betondruckzone, die der größten Spannungsschwingbreite ausgesetzt war, einstellte. Es zeigte sich, dass dies erst nach deutlich mehr Lastwechseln eintrat als bei den axial beanspruchten Betonzylindern in den zyklischen Begleitversuchen mit derselben Spannungsschwingbreite. Dies ist auf die Spannungsumlagerung zurückzuführen, die im Querschnitt aufgrund der ermüdungsbedingten Materialdegradation und Steifigkeitsverringerung der stark beanspruchten Randbereiche stattfand. In den Begleitversuchen wurden die Materialparameter für das numerische Modell ermittelt, mit dem im Anschluss die Balkenversuche nachgerechnet wurden. Es konnten die in den Versuchen beobachteten Effekte der Steifigkeitsdegradation und Spannungsumlagerung und die daraus resultierende Lebensdauerverlängerung nachgebildet werden. Das Modell kann somit für weitergehende Lebensdaueruntersuchungen von ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen verwendet werden.:ABSCHLUSSBERICHT 1 Allgemeine Angaben 2 Zusammenfassung / Summary 3 Wissenschaftlicher Arbeits- und Ergebnisbericht 4 Veröffentlichte Projektergebnisse

Main concerns in the building industry includes the development of alternative building materials that reduces the amount of energy spent during manufacturing process and easier to work with. Wood-crete is a composite material developed in this study, made up of wood waste (sawdust), paper, tradical lime and water. Wood-crete is developed to provide an alternative material in construction solving problems associated with the delivery of low-cost housing across all income earners, reducing the amount of energy spent during manufacturing process of construction materials and the ease with which these construction materials are developed and solve issues related to waste management. This thesis presents the processing technologies, factors which affect the performance and properties of wood-crete. Wood-crete properties were found to be closely related to the composition of the constituent elements though compressive strength and modulus of elasticity were low when compared to other building materials like concrete and steel. In a bid to improve the strength of the developed wood-crete, the properties were investigated based on the modification of sawdust by hot water boiling and alkaline treatments which help to modify cellulose fibre surface to reduce the hydrophilic nature of sawdust thereby improving the sawdust-matrix bonding. It was found that the surface modification, processing of cellulosic fibril and the extraction of lignin and hemi-cellulosic compounds with alkali had an effect on the compressive strength of wood-crete, with treating sawdust with 4% NaOH at 140mins of boiling time achieving the highest compressive strength and boiling sawdust from 100mins to 140mins had a gradual increase in compressive strength but reduced at higher boiling time. Furthermore, treating sawdust with NaOH more than 4% weakened the individual wood particles thus leading to poor strength of wood-crete. Additionally, the properties of wood-crete were investigated based on the type of wood sawdust – hardwood (beech and oak) and softwood (pine and cedar). Apart from individual wood density having a significant effect on the density of wood-crete, other factors such as lignin, cellulose, hemicellulose contents including fibre length of individual wood species affect the strength properties of wood-crete. The compressive strength of wood-crete was closely related to the wood species, with highest compressive strength of 3.93MPa recorded for hardwood wood-crete compared to 1.37MPa and 0.26MPa of wood-crete from softwood and mixed wood respectively. Results from thermal conductivity tests on wood-crete also show that wood-crete blocks can be produced with good insulating properties for building construction. Addition of different types of paper fibres to reduce the density of wood-crete and improve the insulating properties of composite developed also had a dominant influence on both strength and thermal conductivity, reflecting its effect on the structure of composite and contribution of self strength of paper fibres. The addition of various percentages of waste paper (de-fibred) had a significant influence on the thermal conductivity of wood-crete with 75% addition of waste paper achieving a thermal conductivity value of 0.046W/mK performed with the TCi thermal conductivity analyser. Thermal conductivity results for wood-crete made from hardwood and softwood sawdust was closely related to the chemical composition of various wood species, with softwood wood-crete having about 20% lower thermal conductivity compared to hardwood wood-crete. The developed wood-crete was able to withstand impact load and considered, like hempcrete, most suitable for wall panelling or other non- and semi-structural applications with good thermal insulating properties. Findings of this study provides an alternative new material for the construction industry and an important background for achieving better strength of wood-crete, choosing what type of sawdust to be used for development of wood-crete and for directing a better use of this potential material with very small embodied energy and carbon negative.