Objetivos: O objetivo desse estudo foi avaliar comparativamente o potencial osteogênico in vitro de células obtidas do ramo mandibular (RM, área doadora) e do seio maxilar enxertado com uma mistura de RM e osso bovino inorgânico (OBI), previamente à instalação de implantes de titânio (SM, sítio do seio maxilar enxertado). Material e Métodos: As células foram obtidas de três pacientes submetidos a procedimentos de aumento do soalho do seio maxilar com a proporção de 1:1 de RM e OBI (GenOx Inorg®). No momento da realização dos enxertos no seio maxilar e após 08 meses, antes da inserção dos implantes de titânio, fragmentos ósseos foram colhidos do RM e do SM, respectivamente, e submetidos à digestão enzimática com tripsina e colagenase para obtenção de células primárias. As células foram subcultivadas e crescidas sob condições osteogênicas por até 21 dias, tendo sido avaliados os seguintes parâmetros: proliferação/viabilidade celular, expressão gênica de marcadores osteoblásticos, atividade de fosfatase alcalina (ALP) e conteúdo de cálcio, por extração do vermelho de Alizarina. Culturas primárias derivadas do RM foram expostas ao GenOx Inorg® por 7 dias, quando se avaliou a atividade de ALP. Os resultados foram comparados por ANOVA two-way, seguido do teste de Tukey, ou pelo teste de Mann-Whitney. Resultados: Culturas do SM exibiram uma redução significante do potencial osteogênico se comparado ao de culturas do RM, com um aumento progressivo na proliferação celular associado a uma redução da expressão dos marcadores osteoblásticos, da atividade de ALP e do conteúdo de cálcio. A exposição do GenOx Inorg® às células primárias derivadas do RM inibiram a atividade de ALP. Conclusão: Esses resultados sugerem que o uso do GenOx Inorg® em associação a fragmentos do RM para aumento do soalho do seio maxilar inibe a diferenciação de células osteoblásticas no sítio de inserção de implantes de titânio após 8 meses de enxertia. / Objectives: This study aimed to comparatively evaluate the in vitro osteogenic potential of cells obtained from the mandibular ramus (MR, autogenous bone donor site) and from the maxillary sinus bone grafted with a mixture of anorganic bovine bone (ABB) and MR prior to titanium implant placement (MS, grafted implant site). Material and methods: Cells were obtained from three patients subjected to maxillary sinus floor augmentation with a 1:1 mixture of ABB (GenOx Inorg®) and MR. At the time of the sinus lift procedure and after 8 months, prior to implant placement, bone fragments were taken from MR and MS, respectively, and subjected to trypsin-collagenase digestion for primary cell culturing. Subcultured cells were grown under osteogenic condition for up 21 days and assayed for proliferation/viability, osteoblast marker mRNA levels, alkaline phosphatase (ALP) activity and calcium content/Alizarin red staining. ALP activity was also determined in primary explant cultures exposed to GenOx Inorg® (1:1 with MR) for 7 days. Data were compared using the two-way ANOVA followed by the Tukey test; otherwise, the Mann-Whitney test was used. Results: MS cultures exhibited a significantly lower osteogenic potential compared with MR cultures, with a progressive increase in cell proliferation together with a downregulation of osteoblast markers, reduced ALP activity and calcium content. Exposure of MR-derived primary cultures to GenOx Inorg® inhibited ALP activity. Conclusion: These results suggest that the use of GenOx Inorg® in combination with MR fragments for maxillary sinus floor augmentation inhibits the osteoblast cell differentiation at the implant site in the longterm.

Introdução: Este estudo tem o objetivo principal comparar os efeitos da crioterapia com enxerto ósseo e a crioterapia sem enxerto ósseo associada à cirurgia de enucleação e curetagem de lesões ósseas benignas da mandíbula, quanto à porcentagem de osso absorvido 6 meses após o procedimento cirúrgico. Os objetivos secundários são comparar os índices mandibulares panorâmicos nos dois momentos de avaliação e entre procedimentos utilizados; e, comparar os dois procedimentos quanto às proporções de complicações pós-operatórias. Métodos: Este estudo prospectivo foi realizado entre período de outubro de 2002 a dezembro de 2003, no Departamento de Odontologia do Hospital Amaral Carvalho, em pacientes adultos provenientes da região do Estado de São Paulo. Para tanto, 20 pacientes com lesões ósseas mandibulares benignas, com padrão de crescimento agressivos e expansivos, e, dimensões com intervalo de 25mm a 100mm em seu maior diâmetro, foram distribuídas aleatoriamente em dois grupos, de 10 pacientes cada. Selecionamos para este estudo o ameloblastoma, o queratocisto odontogênico e o mixoma odontogênico devido às características clinicas e radiográficas serem semelhantes, e, o prognóstico das lesões serem bons mediante aos tratamentos propostos. Todos foram submetidos a tratamentos conservadores, através da enucleação e curetagem associada à crioterapia com nitrogênio líquido, na forma de spray, com 3 ciclos de um minuto de congelamento e intervalo de 5 minutos entre cada ciclo. O Grupo B - estudo recebeu enxerto ósseo autógeno imediato sobre as paredes ósseas remanescentes e o Grupo A - controle não recebeu. As áreas doadoras foram o mento e o ramo mandibular, ou a crista ilíaca, conforme as dimensões da lesão. O osso foi homogeneizado em particulador ósseo, para remover a variável de reabsorção. A avaliação radiográfica foi realizada em todos os pacientes através da radiografia panorâmica, no intervalo pré-operatório e pósoperatório de 6 meses. As medidas foram aferidas através do paquímetro eletrônico digital da LYMAN®. Segundo o método de Wical e Swoope (1974), foram identificados os indicadores de massa óssea mandibular para avaliar a Porcentagem de Osso Absorvido (%OA), e, segundo Benson et al., 1991, o Índice Panorâmico Mandibular (PMI). Resultados: A distribuição do tipo de lesão por grupo de tratamento foi equivalente, e a taxa entre os grupos foi de 65% ameloblastoma, 20% queratocisto odontogênico e 15% o mixoma odontogênico. O local da lesão com maior incidência foi de corpo e ramo mandibular com 85% entre grupos. A distribuição do gênero foi de 70% feminino no Grupo A e 70% masculino no Grupo B, no total de 50% para cada gênero entre grupos. A idade média entre os grupos foi de 28,25 anos, sendo a mediana de 29,50 anos Grupo B e 19 anos Grupo A. O valor médio da área da lesão avaliado foi de 1984,19mm2 Grupo A e 1035,59mm2 Grupo B. A porcentagem média de osso absorvido por grupo de tratamento 6 meses após a cirurgia foi de 52,94% no Grupo A e 21,70% Grupo B. Portanto, a altura óssea alveolar residual foi de 79,30% do nível préoperatório no grupo enxertado e 47,06% do nível pré-operatório no grupo não enxertado. As mudanças do Índice Mandibular Panorâmico ao longo dos momentos de avaliação foram similares nos dois grupos, não ocorrendo interação momento*grupo (p = 0,7684). O Grupo A mostrou complicações pós-operatórias com taxa de 30% para fratura patológica, 40% seqüestro ósseo e 30% infecção, em contrapartida não ocorreram no Grupo B. Entretanto, no Grupo A ocorreu 60% parestesia e 80% deiscência, enquanto o Grupo B mostrou em 80% e 40% dos casos. A taxa de recidiva e edema foi de 10% e 40% em ambos os grupos. Conclusões: O grupo tratado através da crioterapia com enxerto ósseo particulado tende a ter menos fratura patológica, seqüestro ósseo, infecção e deiscência, e maior altura óssea alveolar residual do que o grupo tratado pela crioterapia sem enxerto / Introduction: This study has the main objective to compare the effects of the cryotherapy with bone grafting and the cryotherapy without bone grafting associated to the enucleation surgery and curettage of benign bone mandibular lesions, with relationship to the bone percentage absorbed 6 months after the surgical procedure. The secondary objectives are to compare the panoramic mandibular index at the two moments of evaluation and between used procedures; and, to compare the two procedures concerning the proportions of postoperative complications. Methods: This prospective study was accomplished between October, 2002 and December, 2003, in the Department of Dentistry of the Hospital Amaral Carvalho, in adult patients in the area of the State of São Paulo. Twenty patients with benign mandibular bone lesions with aggressive and expansible growth pattern, and, dimensions with interval between 25mm and 100mm in its largest diameter, randomly were distributed in two groups, of 10 patients each. We selected for this study the ameloblastoma, the odontogenic keratocyst and the myxoma due to the clinical and radiographics characteristics are similar, and, the prognostic of lesions are good to the proposed treatments. All lesions after receiving enucleation and curettage were treated by liquid nitrogen cryotherapy in the form of a spray, with 3 freeze cycles of 1-minute freeze followed by a 5-minute thaw between each cycle. The Group B - study received immediate cancellous bone grafting on the residual bone walls and the Group A - control didn\'t receive. The graft donor sites were symphysis mandibulae, branch mandibulae and the iliac crest, according to the dimensions of the lesion. The bone was homogenized in bone crusher to remove the reabsorption variable. The radiographic evaluation was accomplished in all the patients through the panoramic radiograph, in the preoperative and postoperative interval of 6 months. The measures were confronted through the electronic digital caliper LYMAN®. According to the method of Wical and Swoope (1974), were identified the indicators of mandibular bone mass to evaluate the Percentage of Bone Height Remaining, and, according to Benson et al., 1991, the Panoramic Index Mandibular (PMI). Results: The distribution of the lesion type for treatment group was equivalent, and the rate between the groups was of 65% in ameloblastoma, 20% odontogenic keratocyst and 15% the odontogenic myxoma. The site of the lesion with larger incidence was of body and branch mandibular with 85% between groups. The distribution of the gender was of 70% feminine in the Group A and 70% masculine in the Group B, in the total of 50% for each gender between groups. The average age between the groups was of 28,25 years old, being the medium of 29,50 years old Group B and 19 years old in the Group A. The medium value of the area of the lesion was of 1984,19 mm2 Group A and 1035,59 mm2 Group B. The average percentage of bone absorbed by treatment group six months after the surgery was of 52,94% in the Group A and 21,70% in the Group B. Therefore, the residual alveolar bone height was of 79,30% on the preoperative level in the grafted group and 47,06% on the preoperative level in the no grafted group . The changes of the Panoramic Mandibular Index along the moments of evaluation were similar in the two groups, not showing interaction moment*group (p = 0, 7684). The Group A presented postoperative complications with rate of 30% for pathologic fracture, 40% bone sequestra and 30% infection, whereas it did not happen in the Group B. However, Group A showed 60% paresis 80% wound dehiscence while in the Group B it was observed in 80% and 40% of cases. An evaluation of the recurrences and swelling was of 10% and 40% in both groups. Conclusions: The treated group through the cryotherapy with cancellous bone grafting showed to have less pathologic fracture, bone sequestra, infection and wound dehiscence and result in greater residual alveolar bone height than the group treated by the cryotherapy without bone grafting.

Application of smart curing concept called internal curing (IC) is the most promising strategy for mitigating autogenous shrinkage and related early-age cracking in cement-based materials with low water-to-cement ratio. There are still many theoretical and practical questions that need to be answered before IC could become a standard method. Many of these questions concern the most appealing of water-regulating additives for IC called Superabsorbent Polymers (SAP). The clear linkage between SAP material properties, the moment of water release and the effect on autogenous shrinkage is still missing, which blocks formulating recommendations for use of particular potential IC agents in concrete construction. In this treatise various aspects that are decisive for effectiveness of IC in mitigating autogenous shrinkage were examined. The choice of materials was purposefully limited to two compositions of Ultra-High Performance Concrete (UHPC), one fine-grained and one coarse-grained mixture, and one particular, in-depth characterized SAP. The objectives of examination which shaped the final experimental programme were: assessment of IC agent absorption capacity, specification of periods of water migration from fresh concrete mixture into SAP and from SAP back into hardening concrete, determination of effect of SAP addition on cement hydration, evaluation of IC influence on and determination of start of effective autogenous shrinkage and, finally, assessment of autogenous shrinkage with selfsame IC agent but for different matrices. Ideally, description of the mechanisms behind the action of IC at different stages of concrete life and reasoning of differences observed for the UHPCs under investigation had to be provided. First, the main components of the system – UHPC and SAP material – were characterized as to their suitability for IC application. Special attention was paid to the material properties which affect water transport. Usage of different testing methods was necessary here and included: testing with ESEM, FT-IR, tea-bag test, sol fraction content examination and X-ray computed tomography (for SAP) as well as air content measurement and various methods for characterization of the porosity and other features of the microstructure. The observed delay in the start of pozzolanic reactions in case of fine-grained UHPC was rather surprising, but, under consideration of porosity, shed new light on permeability of young UHPC. The work at hand revealed numerous methods that can be used for studying the absorption capacity of polymers, but hardly representative for the behaviour of those polymers within concrete matrix. Because of its general availability and the relatively robust testing procedure, it was decided to focus on possibilities and limitations of using tea-bag test for evaluation of absorption capacity of SAP. New interpretation of tea-bag test results was deduced which enabled assessment of maximum absorption capacity of SAP from measurement of consistency of concrete before and after modification with IC. Influence of IC on hydration process was revealed by using two non-destructive methods, in particular ultrasonic measurement and concrete temperature record. It could be shown that the ionic polymer exhibits complex effects including retardation and acceleration of individual chemical processes. Additionally, X-ray computed tomography (CT) and instrumented ring tests were performed in order to understand scientific significance of the characteristic event appearing during shrinkage measurements, taken as time-zero (= starting point for evaluation of autogenous shrinkage data). Linkage of time-zero with certain phenomenon, e.g., changes of the SAP particles volume or specific value of yield stress, but not with final set, was suggested for the future investigations. By using two setups based on corrugated tube protocol it was possible to register and compare autogenous shrinkage of both UHPCs without and with modification by IC. The effectiveness of IC was shown to be dependent on the matrix in which IC was implemented. This was related to the observed changes in pore percolation that resulted from different absorption behaviour of SAP in the two UHPCs under investigation. Furthermore, the effect of fibres on effectiveness of IC was discussed. Description and discussion of mechanisms behind IC was supported by measurement of capillary pressure, total shrinkage tests with simultaneous mass loss measurement, free autogenous shrinkage tests and the CT measurement. Valuable source of information was furthermore the in-depth literature review. The most appealing finding of the work and the biggest paradox revealed was high efficiency of IC in mitigating autogenous shrinkage and simultaneously appearance of stage where very clear reverse in mode of polymer volume change was observed. This suggests partial reabsorption of water initially released. This puts interpretation of operative shrinkage mechanisms and ones standing behind IC effect in a new perspective. / Die innere Nachbehandlung (Internal Curing – IC) ist die derzeit aussichtsreichste Strategie, um das in zementgebundenen Baustoffen mit niedrigen Wasser/Zement-Werten ausgeprägt auftretende autogene Schwinden wirksam zu verringern und die damit einhergehende Rissbildung in jungem Beton zu vermeiden. Vor einer breiten baupraktischen Anwendung des IC sind noch viele offene Fragen zu beantworten. Die meisten dieser Fragen betreffen die derzeit interessanteste Klasse von wasserregulierenden Stoffen für das IC – die superabsorbierenden Polymere (SAP). Von entscheidender Bedeutung ist hier der noch weitgehend unerforschte Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften der SAP, dem Zeitpunkt der Wasserabgabe und der Auswirkung auf das autogene Schwinden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Einflussfaktoren auf die Wirksamkeit von SAP zur Verringerung des autogenen Schwindens untersucht. Für die Experimente wurde ein feinkörniger und ein grobkörniger ultra-hochfester Beton (UHPC) sowie ein schon detailliert charakterisiertes SAP genutzt. Das experimentelle Programm wurde auf folgende Untersuchungsziele ausgerichtet: Absorptionsvermögen der SAP, Zeitfenster der Wassermigration aus dem Frischbeton in das SAP sowie vom SAP in den erhärtenden Beton, autogenes Schwindmaß sowie effektiver Beginn des autogenen Schwindens. Ziel der Arbeiten ist die Beschreibung der Mechanismen, die IC zugrundliegen – und dies zu verschiedenen Betonaltern und unter Berücksichtigung der an den untersuchten UHPC beobachteten Unterschiede. Bei der Charakterisierung der Hauptkomponenten des betrachteten Systems – UHPC und SAP – wurde auf die Materialeigenschaften fokussiert, die den Wassertransport beeinflussen. Dazu wurden u. a. folgende Untersuchungsmethoden angewendet: ESEM, FT-IR, Teebeuteltest, Sol-Fraction Test, Röntgentomographie (für SAP) sowie verschiedene Verfahren zur Charakterisierung der Poren im Beton. Im feinkörnigen UHPC wurde überraschenderweise ein verzögerter Beginn der puzzolanischen Reaktion festgestellt, der bei Berücksichtigung der vorliegenden Porosität zu einer Neubewertung der Permeabilität von UHPC in jungem Alter führte. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Beschreibung des Wasserabsorptionsvermögens von SAP benannt, deren Aussagekraft bei Anwendung dieser Polymere im Beton aber sehr eingeschränkt ist. Aufgrund seiner einfachen Verfügbarkeit und Robustheit wurde daher der Teebeutetest zur Bestimmung der Wasserabsorption des SAP genutzt. Die Wasserabsorption der SAP im Beton wurde durch Gegenüberstellung von Konsistenzmessungen am Beton vor und nach Zugabe von SAP und Ergebnissen der Teebeuteltest abgeschätzt. Der Einfluss des IC auf die Hydratation wurde zerstörungsfrei mit Ultraschall- und Betontemperaturmessungen erfasst. Auf dieser Grundlage konnten Hypothesen zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen ionischem Polymer und der Beschleunigung oder Verzögerung einzelner chemischer Prozesse formuliert werden. Mit Hilfe von instrumentierten Ringversuchen und X-ray Computertomographie wurden die Auswirkungen des IC mit SAP auf das autogene Schwinden, den Aufbau von Zwangsspannungen bei behindertem Schwinden und Time-Zero diskutiert. Dabei konnte ein Zusammenhang zwischen Time-Zero und verschiedenen Phänomenen, wie z. B. Volumenänderung des SAP oder der Fließgrenze des erhärtenden Betons, nicht aber zum Ende des Erstarrens aufgezeigt werden. Das autogene Schwinden beider untersuchter UHPC (jeweils mit und ohne IC) wurde mit Hilfe von Corrugated Tube-Versuchen gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass wie Wirksamkeit des IC von der Betonzusammensetzung sowie der in den UHPC infolge Wechselwirkungen mit den SAP verschieden ausgebildeten Porenstruktur der Matrix abhängt. Weiterhin konnte ein Einfluss von Faserzugaben auf die Wirksamkeit des IC gezeigt werden. Die Beschreibung und Diskussion der Mechanismen des IC wurde durch Messungen des Kapillardrucks, des Gesamtschwindens, des freien autogenen Schwindens, des Masseverlustes und Computertomographie unterstützt. Eine wichtige Erkenntnisquelle war zudem die umfangreich gesichtete und diskutierte Literatur. Das interessanteste und zugleich paradoxe Ergebnis der Untersuchungen ist die Tatsache, dass die bei Einsatz von SAP beobachtete Verringerung des autogenen Schwindens eindeutig mit einer zeitgleichen Umkehr der Volumenänderung der SAP einhergeht: die bis dahin dominierende Wasserabgabe geht in eine erneute Wasseraufnahme über. Dies stellt die Interpretation der Triebkräfte des Schwindens und die dem IC zugrundliegenden Mechanismen in einen neuen Zusammenhang.

Application of smart curing concept called internal curing (IC) is the most promising strategy for mitigating autogenous shrinkage and related early-age cracking in cement-based materials with low water-to-cement ratio. There are still many theoretical and practical questions that need to be answered before IC could become a standard method. Many of these questions concern the most appealing of water-regulating additives for IC called Superabsorbent Polymers (SAP). The clear linkage between SAP material properties, the moment of water release and the effect on autogenous shrinkage is still missing, which blocks formulating recommendations for use of particular potential IC agents in concrete construction. In this treatise various aspects that are decisive for effectiveness of IC in mitigating autogenous shrinkage were examined. The choice of materials was purposefully limited to two compositions of Ultra-High Performance Concrete (UHPC), one fine-grained and one coarse-grained mixture, and one particular, in-depth characterized SAP. The objectives of examination which shaped the final experimental programme were: assessment of IC agent absorption capacity, specification of periods of water migration from fresh concrete mixture into SAP and from SAP back into hardening concrete, determination of effect of SAP addition on cement hydration, evaluation of IC influence on and determination of start of effective autogenous shrinkage and, finally, assessment of autogenous shrinkage with selfsame IC agent but for different matrices. Ideally, description of the mechanisms behind the action of IC at different stages of concrete life and reasoning of differences observed for the UHPCs under investigation had to be provided. First, the main components of the system – UHPC and SAP material – were characterized as to their suitability for IC application. Special attention was paid to the material properties which affect water transport. Usage of different testing methods was necessary here and included: testing with ESEM, FT-IR, tea-bag test, sol fraction content examination and X-ray computed tomography (for SAP) as well as air content measurement and various methods for characterization of the porosity and other features of the microstructure. The observed delay in the start of pozzolanic reactions in case of fine-grained UHPC was rather surprising, but, under consideration of porosity, shed new light on permeability of young UHPC. The work at hand revealed numerous methods that can be used for studying the absorption capacity of polymers, but hardly representative for the behaviour of those polymers within concrete matrix. Because of its general availability and the relatively robust testing procedure, it was decided to focus on possibilities and limitations of using tea-bag test for evaluation of absorption capacity of SAP. New interpretation of tea-bag test results was deduced which enabled assessment of maximum absorption capacity of SAP from measurement of consistency of concrete before and after modification with IC. Influence of IC on hydration process was revealed by using two non-destructive methods, in particular ultrasonic measurement and concrete temperature record. It could be shown that the ionic polymer exhibits complex effects including retardation and acceleration of individual chemical processes. Additionally, X-ray computed tomography (CT) and instrumented ring tests were performed in order to understand scientific significance of the characteristic event appearing during shrinkage measurements, taken as time-zero (= starting point for evaluation of autogenous shrinkage data). Linkage of time-zero with certain phenomenon, e.g., changes of the SAP particles volume or specific value of yield stress, but not with final set, was suggested for the future investigations. By using two setups based on corrugated tube protocol it was possible to register and compare autogenous shrinkage of both UHPCs without and with modification by IC. The effectiveness of IC was shown to be dependent on the matrix in which IC was implemented. This was related to the observed changes in pore percolation that resulted from different absorption behaviour of SAP in the two UHPCs under investigation. Furthermore, the effect of fibres on effectiveness of IC was discussed. Description and discussion of mechanisms behind IC was supported by measurement of capillary pressure, total shrinkage tests with simultaneous mass loss measurement, free autogenous shrinkage tests and the CT measurement. Valuable source of information was furthermore the in-depth literature review. The most appealing finding of the work and the biggest paradox revealed was high efficiency of IC in mitigating autogenous shrinkage and simultaneously appearance of stage where very clear reverse in mode of polymer volume change was observed. This suggests partial reabsorption of water initially released. This puts interpretation of operative shrinkage mechanisms and ones standing behind IC effect in a new perspective. / Die innere Nachbehandlung (Internal Curing – IC) ist die derzeit aussichtsreichste Strategie, um das in zementgebundenen Baustoffen mit niedrigen Wasser/Zement-Werten ausgeprägt auftretende autogene Schwinden wirksam zu verringern und die damit einhergehende Rissbildung in jungem Beton zu vermeiden. Vor einer breiten baupraktischen Anwendung des IC sind noch viele offene Fragen zu beantworten. Die meisten dieser Fragen betreffen die derzeit interessanteste Klasse von wasserregulierenden Stoffen für das IC – die superabsorbierenden Polymere (SAP). Von entscheidender Bedeutung ist hier der noch weitgehend unerforschte Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften der SAP, dem Zeitpunkt der Wasserabgabe und der Auswirkung auf das autogene Schwinden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Einflussfaktoren auf die Wirksamkeit von SAP zur Verringerung des autogenen Schwindens untersucht. Für die Experimente wurde ein feinkörniger und ein grobkörniger ultra-hochfester Beton (UHPC) sowie ein schon detailliert charakterisiertes SAP genutzt. Das experimentelle Programm wurde auf folgende Untersuchungsziele ausgerichtet: Absorptionsvermögen der SAP, Zeitfenster der Wassermigration aus dem Frischbeton in das SAP sowie vom SAP in den erhärtenden Beton, autogenes Schwindmaß sowie effektiver Beginn des autogenen Schwindens. Ziel der Arbeiten ist die Beschreibung der Mechanismen, die IC zugrundliegen – und dies zu verschiedenen Betonaltern und unter Berücksichtigung der an den untersuchten UHPC beobachteten Unterschiede. Bei der Charakterisierung der Hauptkomponenten des betrachteten Systems – UHPC und SAP – wurde auf die Materialeigenschaften fokussiert, die den Wassertransport beeinflussen. Dazu wurden u. a. folgende Untersuchungsmethoden angewendet: ESEM, FT-IR, Teebeuteltest, Sol-Fraction Test, Röntgentomographie (für SAP) sowie verschiedene Verfahren zur Charakterisierung der Poren im Beton. Im feinkörnigen UHPC wurde überraschenderweise ein verzögerter Beginn der puzzolanischen Reaktion festgestellt, der bei Berücksichtigung der vorliegenden Porosität zu einer Neubewertung der Permeabilität von UHPC in jungem Alter führte. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Beschreibung des Wasserabsorptionsvermögens von SAP benannt, deren Aussagekraft bei Anwendung dieser Polymere im Beton aber sehr eingeschränkt ist. Aufgrund seiner einfachen Verfügbarkeit und Robustheit wurde daher der Teebeutetest zur Bestimmung der Wasserabsorption des SAP genutzt. Die Wasserabsorption der SAP im Beton wurde durch Gegenüberstellung von Konsistenzmessungen am Beton vor und nach Zugabe von SAP und Ergebnissen der Teebeuteltest abgeschätzt. Der Einfluss des IC auf die Hydratation wurde zerstörungsfrei mit Ultraschall- und Betontemperaturmessungen erfasst. Auf dieser Grundlage konnten Hypothesen zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen ionischem Polymer und der Beschleunigung oder Verzögerung einzelner chemischer Prozesse formuliert werden. Mit Hilfe von instrumentierten Ringversuchen und X-ray Computertomographie wurden die Auswirkungen des IC mit SAP auf das autogene Schwinden, den Aufbau von Zwangsspannungen bei behindertem Schwinden und Time-Zero diskutiert. Dabei konnte ein Zusammenhang zwischen Time-Zero und verschiedenen Phänomenen, wie z. B. Volumenänderung des SAP oder der Fließgrenze des erhärtenden Betons, nicht aber zum Ende des Erstarrens aufgezeigt werden. Das autogene Schwinden beider untersuchter UHPC (jeweils mit und ohne IC) wurde mit Hilfe von Corrugated Tube-Versuchen gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass wie Wirksamkeit des IC von der Betonzusammensetzung sowie der in den UHPC infolge Wechselwirkungen mit den SAP verschieden ausgebildeten Porenstruktur der Matrix abhängt. Weiterhin konnte ein Einfluss von Faserzugaben auf die Wirksamkeit des IC gezeigt werden. Die Beschreibung und Diskussion der Mechanismen des IC wurde durch Messungen des Kapillardrucks, des Gesamtschwindens, des freien autogenen Schwindens, des Masseverlustes und Computertomographie unterstützt. Eine wichtige Erkenntnisquelle war zudem die umfangreich gesichtete und diskutierte Literatur. Das interessanteste und zugleich paradoxe Ergebnis der Untersuchungen ist die Tatsache, dass die bei Einsatz von SAP beobachtete Verringerung des autogenen Schwindens eindeutig mit einer zeitgleichen Umkehr der Volumenänderung der SAP einhergeht: die bis dahin dominierende Wasserabgabe geht in eine erneute Wasseraufnahme über. Dies stellt die Interpretation der Triebkräfte des Schwindens und die dem IC zugrundliegenden Mechanismen in einen neuen Zusammenhang.

Volume changes are one of the priority characteristics of concrete that plays an important role place mainly in the durability of structures as such. These low volume changes are required especially for structures as: industrial concrete floors, massive structures and waterproof structures. One of the possibilities in reducing these changes is the use of mineral admixtures with suitable grain curve of aggregate. Another possibility is the use of shrinkage reducing admixtures. There can occur problem with efficiency (long term age) with other components of the mixture. Therefore, the effort of this work is to use the avaible processes for maximum reduction of shrinkage and hydration temperatures.

No description available.

The autogenous shrinkage due to self-desiccation of high- and ultra-high performance concretes with very low water-cement ratio in case of restraint leads to considerable stresses starting from very early age. The resultant risk of cracking presently cannot be adequately investigated. Parameters that are particularly difficult to capture experimentally are the concrete temperature and the viscoelasticity. The primary objective of this work was to assess as precise as possible the autogenous shrinkage cracking propensity of representative concretes at strong restraint and constant room temperature. Test methods needed to be chosen and enhanced in a way that preferably allowed for the efficient and precise investigation of all relevant factors in the future. Ideally, a method suitable for a complete empirical modeling was provided. First the methodological requirements and the advantages and disadvantages of existing test methods were discussed. Based on this, optimized test methods were proposed. Their suitability was verified using the example of ultra-high strength concrete. The choice of concrete compositions considered the essential measures for reducing shrinkage (internal curing, shrinkage-reducing admixtures, reduction of the fraction of Portland cement in the binder). The autogenous shrinkage was measured with the shrinkage cone method. This new test method was validated by investigations of the repeatability and reproducibility and proved efficient and precise. It allows for measurements under non-isothermal conditions; no established test method exists for that purpose to date. The autogenous shrinkage of the ultra-high strength concretes at the age of 24 h, investigated under quasi-isothermal conditions (20 °C), was between 0,25 mm/m and 0,70 mm/m. It was particularly low when a shrinkage-reducing admixture was added and when superabsorbent polymers were used. The stresses due to restraint were determined with the restrained ring test. A large part of the stresses to be expected according to Hooke’s Law were eliminated by creep and relaxation. The relaxation capacity being very pronounced at very early age was the main reason that no visible cracking occurred, not even with the concretes with high autogenous shrinkage. The development of the autogenous shrinkage cracking propensity was described as ratio of restraint stress and splitting tensile strength. By means of modified ring tests, used to determine the maximum tensile stress, it could be shown that the ratio of stress to strength is an appropriate failure criterion. However, the cracking propensity can be calculated correctly only if the strongly age-dependent ratio of uniaxial to splitting tensile strength is accounted for. Besides, it needs to be considered that at very early age a plastic stress redistribution may occur in restrained ring tests. The reference concrete showed a high cracking propensity of up to 0.68. The fact that shrinkage-reducing measures led to significantly lower values reveals their relevance for the safe application of ultra-high strength concrete. However, the investigations carried out here at 20 °C do not allow for a final assessment of the cracking propensity under typical on-site conditions. To empirically model the autogenous shrinkage cracking propensity as a function of temperature and stress level in the future, an analytical stress solution for non-isothermal restrained ring tests and a new approach for investigating the residual stress and relaxation capacity by means of non-passive restrained ring tests was suggested. / Das durch Selbstaustrocknung verursachte autogene Schwinden von besonders leistungsfähigen Betonen mit sehr niedrigem Wasserzementwert führt bei Dehnungsbehinderung bereits in sehr frühem Alter zu erheblichen Zwangsspannungen. Die Gefahr der Rissbildung, die sich daraus ergibt, lässt sich bislang nur unzureichend untersuchen. Experimentell besonders schwer zu erfassende Faktoren sind die Betontemperatur und die Viskoelastizität. Das vorrangige Ziel der Arbeit war die möglichst genaue Ermittlung der autogenen Schwindrissneigung repräsentativer Betone bei starker Dehnungsbehinderung und konstanter Raumtemperatur. Dabei waren die Prüfverfahren möglichst so zu wählen und weiterzuentwickeln, dass sich zukünftig alle relevanten Faktoren effizient und genau untersuchen lassen. Im Idealfall sollte eine Methode entstehen, die eine vollständige empirische Modellierung erlaubt. Zunächst wurden die methodischen Anforderungen und die Vor- und Nachteile existierender Prüfverfahren diskutiert. Darauf aufbauend wurden optimierte Verfahren vorgeschlagen. Ihre Eignung wurde an ultrahochfestem Beton überprüft. Bei der Auswahl der Betone wurden die wesentlichen Maßnahmen zur Schwindreduzierung berücksichtigt (innere Nachbehandlung, schwindreduzierende Zusatzmittel, Verringerung des Portlandzementanteils am Bindemittel). Das autogene Schwinden wurde mit dem Schwindkegelverfahren gemessen. Das neue Verfahren wurde durch Untersuchungen zur Wiederhol- und Vergleichsgenauigkeit validiert und erwies sich als effizient und genau. Es ermöglicht Messungen unter nicht-isothermen Bedingungen; hierfür existiert bisher kein etabliertes Verfahren. Das autogene Schwinden der untersuchten ultrahochfesten Betone unter quasi-isothermen Bedingungen (20 °C) betrug im Alter von 24 h zwischen 0,25 mm/m und 0,70 mm/m. Besonders gering war es bei Zugabe eines schwindreduzierenden Zusatzmittels bzw. Verwendung superabsorbierender Polymere. Mit dem Ring-Test wurden die bei Dehnungsbehinderung entstehenden Spannungen ermittelt. Ein großer Teil der gemäß Hooke’schem Gesetz zu erwartenden Spannungen wurde durch Kriechen und Relaxation abgebaut. Die im sehr frühen Alter stark ausgeprägte Relaxationsfähigkeit war der wesentliche Grund dafür, dass es selbst bei Betonen mit hohem autogenen Schwinden zu keiner erkennbaren Rissbildung kam. Die Entwicklung der autogenen Schwindrissneigung wurde als Verhältnis von Zwangsspannung und Spaltzugfestigkeit beschrieben. Durch modifizierte Ring-Tests, mit deren Hilfe die maximale Zugspannung ermittelt wurde, konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von Spannung und Festigkeit als Versagenskriterium geeignet ist. Die Rissneigung lässt sich aber nur dann korrekt berechnen, wenn das stark altersabhängige Verhältnis von einaxialer Zugfestigkeit und Spaltzugfestigkeit berücksichtigt wird. Außerdem ist zu beachten, dass es im sehr frühen Alter zu einer plastischen Spannungsumlagerung in Ring-Tests kommen kann. Der Referenzbeton wies eine hohe Rissneigung von bis zu 0,68 auf. Dass die schwindreduzierenden Maßnahmen zu deutlich geringeren Werten führten, zeigt deren Bedeutung für den sicheren Einsatz von ultrahochfestem Beton. Die hier bei 20 °C durchgeführten Untersuchungen erlauben allerdings keine abschließende Bewertung der Rissneigung unter baustellentypischen Bedingungen. Um die autogene Schwindrissneigung zukünftig als Funktion der Temperatur und des Lastniveaus empirisch modellieren zu können, wurden eine analytische Spannungslösung für nicht-isotherme Ring-Tests und ein neuer Ansatz zur Untersuchung der Resttrag- und Relaxationsfähigkeit mit Hilfe nicht-passiver Ring-Tests vorgeschlagen.

A l’heure actuelle où la préservation de notre environnement est primordiale, les constructions en béton font intervenir de plus en plus des ciments comprenant des ajouts minéraux, tels que le laitier, les cendres volantes… En effet, la production des ciments composés permet de réduire le dégagement des gaz à effets de serre et de réutiliser des déchets industriels. Les bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau (CEM III) sont également largement utilisés suite à leur bonne résistance aux réactions alcali-silices, à la diffusion des chlorures et aux attaques sulfatiques… Cependant, certains ouvrages construits avec ce type matériau ont présenté au jeune âge des problèmes de fissuration liés à la restriction de leurs déformations différées, telles que le retrait endogène, thermique et de dessiccation. Suite à cette observation, des essais préliminaires ont été réalisés au laboratoire du service BATir de l’Université Libre de Bruxelles. Ils ont mis en avant plusieurs caractéristiques du comportement de ces matériaux :<p><p>1. Lors du suivi du retrait restreint à l’aide de l’essai à l’anneau en condition de dessiccation, le béton formulé à base de ciment au laitier de haut-fourneau a fissuré bien avant le béton formulé à base de ciment Portland.<p>2. Le retrait total en condition libre du béton formulé à base de ciment au laitier de haut-fourneau est nettement supérieur à celui du béton formulé à base de ciment Portland. Cette différence de comportement est principalement due à l’accroissement rapide et plus élevé du retrait endogène des bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau.<p><p>Au vu de ces résultats expérimentaux, il a semblé intéressant de déterminer quel était l’impact de la déformation endogène des bétons formulés à base de ciments au laitier de haut-fourneau (CEM III) sur leur sensibilité à la fissuration. Afin de répondre à cette question, les déformations différées (retrait endogène, fluage propre en compression et en traction) au jeune âge de trois compositions de béton avec différentes teneurs en laitier (0, 42 et 71%) ont été étudiées expérimentalement en conditions libre et restreinte. Cependant, le suivi du retrait endogène libre et restreint a nécessité le développement de plusieurs dispositifs expérimentaux limitant au maximum les artefacts de mesure, tels que la TSTM (Temperature Stress Testing Machine). De plus, l’interprétation de ces résultats expérimentaux a également nécessité une caractérisation du comportement de ces matériaux à l’échelle macro- et microscopique. <p><p>Finalement, cette étude a montré que malgré une déformation endogène plus élevée, les bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau fissurent après le béton formulé à base de ciment Portland. Ce comportement est dû à :<p>-l’impact du laitier sur la réaction d’hydratation du matériau cimentaire ;<p>-la présence d’une expansion de la matrice cimentaire des bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau au jeune âge qui retarde l’apparition des contraintes de traction au sein du matériau ;<p>-la plus grande capacité de ces matériaux cimentaires à relaxer les contraintes de traction/<p>Today, the use of concretes with mineral additions (fly ash, slag) for civil engineering structures is spreading worldwide. Indeed, the production of blended cements is more respectful of the environment than the production of Portland cement, because it allows reducing greenhouse gas emissions and using industrial wastes. Slag cement concretes are also largely used for their good resistance to alkali-silica reactions, sulphate attacks and chloride diffusion. However, some of constructions built with slag cement concretes have exhibited cracking at early age due to their restrained deformations, such as thermal, autogenous and drying shrinkage. Following these observations, a preliminary experimental study was realized in the laboratory of BATir Department at ULB. It revealed several characteristics of the behaviour of slag cement concretes:<p>1. The study of restrained deformations under drying conditions by means of ring tests showed that the slag cement concretes seem more prone to crack than the Portland cement concretes;<p>2. The total free shrinkage for slag cement concrete is clearly larger than for Portland cement concrete. This difference of behaviour is mainly due to the fast and large increase in the autogenous deformation of the slag cement concrete.<p><p>Following these experimental results, the effect of the autogenous deformation on the cracking sensibility of slag cement concretes seemed interesting to investigate. Their deformations (autogenous deformation, compressive and tensile basic creep) have been studied at early age for three concretes characterized by different slag contents (0, 42 and 71%) under free and restrained conditions. For monitoring free and restrained autogenous deformations, several test rigs aimed at limiting artefacts were designed, like the TSTM (Temperature Stress Testing Machine). Moreover, the behaviour of these concretes was also characterized by a study at a macro- and microstructure scale.<p><p>Finally, this study shows that the slag cement concretes under sealed and fully restrained conditions crack later than the Portland cement concrete, despite the fact that they are characterized by the largest autogenous deformation. This behaviour is due to:<p>- the slag effect on the hydration reaction of cementitious material;<p>- the cement matrix expansion of the slag cement concretes at early age which delays the occurrence of tensile stresses inside the material;<p>- the largest capacity of this concrete to relax tensile stresses.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The autogenous shrinkage due to self-desiccation of high- and ultra-high performance concretes with very low water-cement ratio in case of restraint leads to considerable stresses starting from very early age. The resultant risk of cracking presently cannot be adequately investigated. Parameters that are particularly difficult to capture experimentally are the concrete temperature and the viscoelasticity. The primary objective of this work was to assess as precise as possible the autogenous shrinkage cracking propensity of representative concretes at strong restraint and constant room temperature. Test methods needed to be chosen and enhanced in a way that preferably allowed for the efficient and precise investigation of all relevant factors in the future. Ideally, a method suitable for a complete empirical modeling was provided. First the methodological requirements and the advantages and disadvantages of existing test methods were discussed. Based on this, optimized test methods were proposed. Their suitability was verified using the example of ultra-high strength concrete. The choice of concrete compositions considered the essential measures for reducing shrinkage (internal curing, shrinkage-reducing admixtures, reduction of the fraction of Portland cement in the binder). The autogenous shrinkage was measured with the shrinkage cone method. This new test method was validated by investigations of the repeatability and reproducibility and proved efficient and precise. It allows for measurements under non-isothermal conditions; no established test method exists for that purpose to date. The autogenous shrinkage of the ultra-high strength concretes at the age of 24 h, investigated under quasi-isothermal conditions (20 °C), was between 0,25 mm/m and 0,70 mm/m. It was particularly low when a shrinkage-reducing admixture was added and when superabsorbent polymers were used. The stresses due to restraint were determined with the restrained ring test. A large part of the stresses to be expected according to Hooke’s Law were eliminated by creep and relaxation. The relaxation capacity being very pronounced at very early age was the main reason that no visible cracking occurred, not even with the concretes with high autogenous shrinkage. The development of the autogenous shrinkage cracking propensity was described as ratio of restraint stress and splitting tensile strength. By means of modified ring tests, used to determine the maximum tensile stress, it could be shown that the ratio of stress to strength is an appropriate failure criterion. However, the cracking propensity can be calculated correctly only if the strongly age-dependent ratio of uniaxial to splitting tensile strength is accounted for. Besides, it needs to be considered that at very early age a plastic stress redistribution may occur in restrained ring tests. The reference concrete showed a high cracking propensity of up to 0.68. The fact that shrinkage-reducing measures led to significantly lower values reveals their relevance for the safe application of ultra-high strength concrete. However, the investigations carried out here at 20 °C do not allow for a final assessment of the cracking propensity under typical on-site conditions. To empirically model the autogenous shrinkage cracking propensity as a function of temperature and stress level in the future, an analytical stress solution for non-isothermal restrained ring tests and a new approach for investigating the residual stress and relaxation capacity by means of non-passive restrained ring tests was suggested.:1 Introduction 2 Autogenous shrinkage 5 2.1 Shrinkage and hydration 5 2.2 Definitions and research approaches 10 2.3 Metrological issues 14 2.3.1 Multitude of test methods 14 2.3.2 Time-zero 16 2.3.3 Other metrological issues 18 2.4 Corrugated tube method 19 2.5 Influencing parameters 21 2.5.1 Concrete composition 21 2.5.2 Temperature 23 2.5.3 Specific countermeasures 25 2.6 Summary and conclusions with respect to the own work 25 3 Concretes used in the own investigations 27 3.1 Preliminary remarks 27 3.2 Concrete compositions 27 3.3 Constituents 28 3.3.1 Cement 28 3.3.2 Ground-granulated blast furnace slag 28 3.3.3 Silica fume 28 3.3.4 Admixtures 29 3.3.5 Aggregates 29 3.4 Mixing 29 3.5 Basic properties 30 3.5.1 Compressive strength 30 3.5.2 Splitting tensile strength 31 3.5.3 Modulus of elasticity 33 3.5.4 Analysis of mechanical properties 35 3.5.5 Coefficient of thermal expansion 38 3.5.6 Isothermal calorimetry 39 3.6 Summary 39 4 Shrinkage cone method for measuring autogenous shrinkage 41 4.1 Introduction 41 4.2 Setup and measurement procedure 41 4.3 Temperature control 44 4.4 Precision under quasi-isothermal conditions 47 4.4.1 Repeatability 47 4.4.2 Reproducibility 49 4.4.3 Shrinkage cone method vs. corrugated tube method 49 4.5 Autogenous shrinkage of the investigated concretes at 20 °C 54 4.6 Tests under non-isothermal conditions 55 4.7 Summary 56 5 Stress and cracks due to restrained autogenous shrinkage 58 5.1 Introduction 58 5.2 Degree of restraint 58 5.3 Formation of cracks 60 5.4 Very early age and importance of stress relaxation 63 5.5 Creep and cracking - further methodological aspects 65 5.6 Autogenous shrinkage cracking propensity 69 5.7 Role of temperature history 70 5.8 Further state of knowledge 72 5.8.1 Preliminary remarks on test methods 72 5.8.2 Quantitative investigations under restraint conditions 73 5.8.3 A full-scale model for assessing the cracking risk at very early age 77 5.9 Summary 78 6 Investigation of the autogenous shrinkage cracking propensity 80 6.1 Introduction 80 6.2 Suitability of temperature-stress testing machines 80 6.2.1 Development, setup and use 80 6.2.2 Results of round robin tests 83 6.3 Restrained ring test - methodological foundations 86 6.3.1 Setup and use 86 6.3.2 Evaluation of restrained ring tests 90 6.3.3 Use of temperature changes for the investigation of creep and relaxation 96 6.4 Own investigations with the restrained ring test 97 6.4.1 Setup 97 6.4.2 Compensation of disturbing temperature effects 99 6.4.3 Repeatability 100 6.4.4 Measured steel ring strains 101 6.4.5 Simple stress analysis 102 6.4.6 Autogenous shrinkage cracking propensity - further analysis 106 6.4.7 Thermal stress component 116 6.4.8 Period of maximum cracking propensity 118 6.4.9 Restraint stress versus autogenous shrinkage 119 6.4.10 Cracking propensity versus autogenous shrinkage 120 6.4.11 Further considerations on creep 121 6.5 Summary 126 7 Summary, conclusions and outlook 128 7.1 Summary and conclusions 128 7.2 Outlook 130 8 Literature 131 9 Annex 159 / Das durch Selbstaustrocknung verursachte autogene Schwinden von besonders leistungsfähigen Betonen mit sehr niedrigem Wasserzementwert führt bei Dehnungsbehinderung bereits in sehr frühem Alter zu erheblichen Zwangsspannungen. Die Gefahr der Rissbildung, die sich daraus ergibt, lässt sich bislang nur unzureichend untersuchen. Experimentell besonders schwer zu erfassende Faktoren sind die Betontemperatur und die Viskoelastizität. Das vorrangige Ziel der Arbeit war die möglichst genaue Ermittlung der autogenen Schwindrissneigung repräsentativer Betone bei starker Dehnungsbehinderung und konstanter Raumtemperatur. Dabei waren die Prüfverfahren möglichst so zu wählen und weiterzuentwickeln, dass sich zukünftig alle relevanten Faktoren effizient und genau untersuchen lassen. Im Idealfall sollte eine Methode entstehen, die eine vollständige empirische Modellierung erlaubt. Zunächst wurden die methodischen Anforderungen und die Vor- und Nachteile existierender Prüfverfahren diskutiert. Darauf aufbauend wurden optimierte Verfahren vorgeschlagen. Ihre Eignung wurde an ultrahochfestem Beton überprüft. Bei der Auswahl der Betone wurden die wesentlichen Maßnahmen zur Schwindreduzierung berücksichtigt (innere Nachbehandlung, schwindreduzierende Zusatzmittel, Verringerung des Portlandzementanteils am Bindemittel). Das autogene Schwinden wurde mit dem Schwindkegelverfahren gemessen. Das neue Verfahren wurde durch Untersuchungen zur Wiederhol- und Vergleichsgenauigkeit validiert und erwies sich als effizient und genau. Es ermöglicht Messungen unter nicht-isothermen Bedingungen; hierfür existiert bisher kein etabliertes Verfahren. Das autogene Schwinden der untersuchten ultrahochfesten Betone unter quasi-isothermen Bedingungen (20 °C) betrug im Alter von 24 h zwischen 0,25 mm/m und 0,70 mm/m. Besonders gering war es bei Zugabe eines schwindreduzierenden Zusatzmittels bzw. Verwendung superabsorbierender Polymere. Mit dem Ring-Test wurden die bei Dehnungsbehinderung entstehenden Spannungen ermittelt. Ein großer Teil der gemäß Hooke’schem Gesetz zu erwartenden Spannungen wurde durch Kriechen und Relaxation abgebaut. Die im sehr frühen Alter stark ausgeprägte Relaxationsfähigkeit war der wesentliche Grund dafür, dass es selbst bei Betonen mit hohem autogenen Schwinden zu keiner erkennbaren Rissbildung kam. Die Entwicklung der autogenen Schwindrissneigung wurde als Verhältnis von Zwangsspannung und Spaltzugfestigkeit beschrieben. Durch modifizierte Ring-Tests, mit deren Hilfe die maximale Zugspannung ermittelt wurde, konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von Spannung und Festigkeit als Versagenskriterium geeignet ist. Die Rissneigung lässt sich aber nur dann korrekt berechnen, wenn das stark altersabhängige Verhältnis von einaxialer Zugfestigkeit und Spaltzugfestigkeit berücksichtigt wird. Außerdem ist zu beachten, dass es im sehr frühen Alter zu einer plastischen Spannungsumlagerung in Ring-Tests kommen kann. Der Referenzbeton wies eine hohe Rissneigung von bis zu 0,68 auf. Dass die schwindreduzierenden Maßnahmen zu deutlich geringeren Werten führten, zeigt deren Bedeutung für den sicheren Einsatz von ultrahochfestem Beton. Die hier bei 20 °C durchgeführten Untersuchungen erlauben allerdings keine abschließende Bewertung der Rissneigung unter baustellentypischen Bedingungen. Um die autogene Schwindrissneigung zukünftig als Funktion der Temperatur und des Lastniveaus empirisch modellieren zu können, wurden eine analytische Spannungslösung für nicht-isotherme Ring-Tests und ein neuer Ansatz zur Untersuchung der Resttrag- und Relaxationsfähigkeit mit Hilfe nicht-passiver Ring-Tests vorgeschlagen.:1 Introduction 2 Autogenous shrinkage 5 2.1 Shrinkage and hydration 5 2.2 Definitions and research approaches 10 2.3 Metrological issues 14 2.3.1 Multitude of test methods 14 2.3.2 Time-zero 16 2.3.3 Other metrological issues 18 2.4 Corrugated tube method 19 2.5 Influencing parameters 21 2.5.1 Concrete composition 21 2.5.2 Temperature 23 2.5.3 Specific countermeasures 25 2.6 Summary and conclusions with respect to the own work 25 3 Concretes used in the own investigations 27 3.1 Preliminary remarks 27 3.2 Concrete compositions 27 3.3 Constituents 28 3.3.1 Cement 28 3.3.2 Ground-granulated blast furnace slag 28 3.3.3 Silica fume 28 3.3.4 Admixtures 29 3.3.5 Aggregates 29 3.4 Mixing 29 3.5 Basic properties 30 3.5.1 Compressive strength 30 3.5.2 Splitting tensile strength 31 3.5.3 Modulus of elasticity 33 3.5.4 Analysis of mechanical properties 35 3.5.5 Coefficient of thermal expansion 38 3.5.6 Isothermal calorimetry 39 3.6 Summary 39 4 Shrinkage cone method for measuring autogenous shrinkage 41 4.1 Introduction 41 4.2 Setup and measurement procedure 41 4.3 Temperature control 44 4.4 Precision under quasi-isothermal conditions 47 4.4.1 Repeatability 47 4.4.2 Reproducibility 49 4.4.3 Shrinkage cone method vs. corrugated tube method 49 4.5 Autogenous shrinkage of the investigated concretes at 20 °C 54 4.6 Tests under non-isothermal conditions 55 4.7 Summary 56 5 Stress and cracks due to restrained autogenous shrinkage 58 5.1 Introduction 58 5.2 Degree of restraint 58 5.3 Formation of cracks 60 5.4 Very early age and importance of stress relaxation 63 5.5 Creep and cracking - further methodological aspects 65 5.6 Autogenous shrinkage cracking propensity 69 5.7 Role of temperature history 70 5.8 Further state of knowledge 72 5.8.1 Preliminary remarks on test methods 72 5.8.2 Quantitative investigations under restraint conditions 73 5.8.3 A full-scale model for assessing the cracking risk at very early age 77 5.9 Summary 78 6 Investigation of the autogenous shrinkage cracking propensity 80 6.1 Introduction 80 6.2 Suitability of temperature-stress testing machines 80 6.2.1 Development, setup and use 80 6.2.2 Results of round robin tests 83 6.3 Restrained ring test - methodological foundations 86 6.3.1 Setup and use 86 6.3.2 Evaluation of restrained ring tests 90 6.3.3 Use of temperature changes for the investigation of creep and relaxation 96 6.4 Own investigations with the restrained ring test 97 6.4.1 Setup 97 6.4.2 Compensation of disturbing temperature effects 99 6.4.3 Repeatability 100 6.4.4 Measured steel ring strains 101 6.4.5 Simple stress analysis 102 6.4.6 Autogenous shrinkage cracking propensity - further analysis 106 6.4.7 Thermal stress component 116 6.4.8 Period of maximum cracking propensity 118 6.4.9 Restraint stress versus autogenous shrinkage 119 6.4.10 Cracking propensity versus autogenous shrinkage 120 6.4.11 Further considerations on creep 121 6.5 Summary 126 7 Summary, conclusions and outlook 128 7.1 Summary and conclusions 128 7.2 Outlook 130 8 Literature 131 9 Annex 159

- Ziele der Arbeit - Ziel vorliegender Arbeit ist, zu analysieren und zu beurteilen, in welchem Umfang autogene Moorregeneration nach anthropogenen Störungen auftritt, welche Voraussetzungen sie erfordert und welche Prozesse von Bedeutung sind. Forstliche und naturschutzfachliche Relevanz der Erkenntnisse sind zu prüfen. - Versuchsanlage und Methoden - Die Versuchsanlage umfasst verschiedene räumliche Skalenebenen und Zeitabschnitte. Im Untersuchungsraum sächsisches Erzgebirge befinden sich fünf Untersuchungsgebiete. Geschichtliche Aspekte werden auf Basis von Recherchen, der aktuelle Moorzustand anhand von Geländeerhebungen zu Vegetation und Standort analysiert. Langzeitbeobachtungen dienen dem Nachweis von Sukzessionsprozessen und den sie beeinflussenden Umweltfaktoren. Regenerationsprozesse werden anhand von Regenerationsmerkmalen, die eigens für diese Zwecke erarbeitet wurden, lokalisiert und im Kontext mit dem aktuellen Moorzustand und den Erfordernissen von Naturschutz und Forstwirtschaft interpretiert. - Ergebnisse und Schlussfolgerungen - - Das Aufnahmematerial lässt die Differenzierung von 28 Vegetationstypen zu, die anhand von Artengruppen und Zeigerwerten charakterisiert und als Kartiereinheiten zur Bewertung der Moore verwendet werden. Die Moorfläche im Untersuchungsraum wird auf 8.500 ha geschätzt. Jedes untersuchte Moor weist eine spezifische Kombination abiotischer sowie biotischer Merkmale auf und ist deshalb individuell zu bewerten. Entwässerungen und Torfstiche führen zu starker Degeneration, Dominanz von Wald, Seltenheit moortypischer Pflanzenarten, Offengesellschaften, nässegeprägter hydromorphologischer Strukturen sowie ökosystemrelevanter Schlüsselarten. Hinzu kommt eine Schädigung der Baum- und Moosschicht durch SO2-Immissionen bis in die 1990er Jahre und eine nachfolgende Regeneration. - Wiedervernässungen durch Graben- und Torfstichverlandung sind anhand von Zeitreihen und aktuellen Regenerationsmerkmalen nachweisbar. Autogene Moorregeneration kommt selbst in stark degenerierten Mooren vor. Regenerationsbereiche sind häufig, erreichen aber nur einen geringen Anteil an der Moorfläche (Untersuchungsraum: 1 %, Untersuchungsgebiete: 12 %). Sie haben meist mesotrophen Charakter. Eine erhöhte Regenerationsdisposition tritt u. a. bei konvergenten Wasserströmen und geringen Neigungen auf. Lokale Prozesse wie die Bildung von Fließhindernissen beeinflussen das Unwirksamwerden von Gräben. Die Etablierung torfbildender Vegetation nimmt eine Schlüsselstellung ein. Verschiedene Stufen eines diskontinuierlichen Regenerationsfortschritts sind zu unterscheiden und in bisher bekannte Prozessabläufe einzuordnen. Häufigkeit und Flächenverhältnis initialer und fortgeschrittener Regeration legen nahe, dass Regenerationsprozesse auf größerer Fläche ablaufen, jedoch nicht erkannt werden. Regeneration führt zu Standortsdrift und Ausbreitung moortypischer Arten. Das Regenerationspotenzial ist abiotisch vorgegeben. Irreversible Veränderungen der hydromorphologischen Struktur durch Entwässerung oder Torfabbau setzen der Regeneration Grenzen. Anthropogene Stoffeinträge und Mangel an Schlüsselarten bewirken weitere Einschränkungen. - Soweit eine rentable Holzproduktion Ziel ist, stellen autogen regenerierende Moore schwer bis nicht bewirtschaftbare Standorte dar, die aufgrund von Standortsdrift und teils Gehölzfeindlichkeit ein hohes Produktionsrisiko bergen. Naturschutzfachlich sind Regenerationsprozesse eine Chance und ein bedeutendes Schutzgut, da sie zu höherwertigeren Moorlebensräumen führen. Bei fortgeschrittener Regeneration erübrigen sich kostenintensive Eingriffe. Ein statischer Schutz wird dem Prozesscharakter nicht gerecht. Initialstadien und Bereiche, die noch nicht regenerieren, aber ein hohes Potenzial aufweisen, lassen sich effizient fördern. Die starke Degeneration der Moore im Untersuchungsraum begründet bei geringem Anteil aktueller Regenerationsbereiche einen hohen Handlungsbedarf, einschließlich eines abschirmenden Schutzes sowie effizienter Kontrollmechanismen. - Geeignete Datengrundlagen zur Lokalisierung von Flächen mit einem hohen Regenerationspotenzial fehlen weitgehend. Eine Behebung dieses Defizits ist möglich. / - Objectives - The objective of this work is to analyse and to assess to which extent autogenous peatland regeneration occurs after anthropogenic disturbances, what preconditions it requires and what processes are important. Relevance of the findings for forestry and nature conservation is to be examined. - Experimental set-up and methods - The experimental set-up comprises various spatial scale levels and time periods. Five study sites are located in the study area Saxon Erzgebirge Mountains. Historical aspects are analysed based on investigations, the actual condition of the peatland is determined by ground surveys focusing on the vegetation and the site. Long-term observations serve to prove succession processes and the environmental factors influencing them. Regeneration processes are localized by means of regeneration characteristics, which were elaborated just for this purpose, localized, and interpreted in the context of the actual peatland condition and of the requirements of nature conservation and forestry. - Results and conclusions - - The material under survey allows distinguishing between 28 vegetation types which are characterised by means of species groups and indicator values and which are used as mapping units for evaluating the peatlands. The peatland area in the study area comprises an estimated 8500 ha. Each investigated peatland has a specific combination of abiotic and biotic characteristics and therefore needs to be evaluated individually. Drainage and peat cuttings lead to strong degeneration, dominance of forest, rarity of plants species typical of peatland, open-land associations, wetness-coined hydromorphological structures as well as ecosystem-relevant key species. In addition, the tree and moss layer had been damaged by SO2-pollution up to the 1990ies and a succeeding regeneration. - Recurring wetting due to filling-up of ditches and peat cuttings by sedimentation are verifiable by time sequences and actual regeneration characteristics. Autogenous peatland regeneration occurs even in heavily degenerated peatlands. Regeneration areas are frequent, accounting, however, only for a small share at the peatland area (study area: 1 %, study sites: 12 %). Often they are of mesotrophic nature. An increased disposition to regeneration is found, among others, in case of convergent water flows and slight inclinations. Local processes like the formation of obstacles for the flowing may cause ditches to become ineffective. Establishing of peat-forming vegetation is a crucial phenomenon. Various stages of a discontinuous regeneration progress can be differentiated and allocated to the processes that are known so far. Frequency and the area ratio of initial and progressed regeneration suggest that regeneration processes take place on a larger area, but that they are not recognised. Regeneration leads to site drifting and the distribution of peatland species. The regeneration potential is given by abiotic conditions. Irreversible changes of the hydro-morphological structure due to drainage or peat cutting are limiting factors for the regeneration. Anthropogenic input of matter and lack of key species bring about other restrictions. - If a profitable timber production is aimed at, autogenously regenerated peatlands are sites difficult to manage or that cannot be managed at all, involving a high production risk due to site drifting and partly inadequacy for woody plants. For nature conservation, regeneration processes are a chance and an important asset worth of protection, as they lead to high-grade peatland habitats. In the case of advanced regeneration cost-intensive operations are not necessary. A protection of static nature is inadequate for the process character. Initial stages and zones not yet under regeneration, implying, however, a high potential, can be promoted efficiently. Heavy degeneration of the peatlands in the study area, given a low proportion of actual regeneration zones, justifies a strong call for action, including a shielding protection as well as efficient control mechanisms. - An appropriate data basis for localisation of areas, having a high regeneration potential, is largely missing. Remedying this deficit is possible.