Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Erprobung von innovativen Anwendungsformen kalthärtender Knochenersatzmaterialien aus Calcium-, und Magnesiumphosphaten, die nach dem Abbindevorgang vorzugsweise aus dem Mineral Struvit (MgNH4PO4·6H2O) bestehen. Diese neuartigen Knochenzemente versprechen im Vergleich zu den herkömmlichen Knochenersatzmaterialien eine deutlich schnellere knöcherne Regeneration und Abbaubarkeit. Damit wird das Ziel verfolgt schneller Implantate setzen zu können und dem Patienten somit eine lange Wartezeit und dementsprechenden Leidensdruck ersparen zu können. Ebenso müssen konventionelle Produkte erst im OP angerührt und hiernach in einem schmalen Zeitfenser verarbeitet werden. Die präfabrizierten Zement-Pasten sind dagegen direkt applikationsbereit und härten erst nach Kontakt mit dem feuchten Milieu aus. In vorangegangenen Projekten wurden sowohl präfabrizierte Pasten als auch Granulate auf Basis Struvit-bildender Calcium-Magnesiumphosphate erfolgreich entwickelt. Vorteil dieser Granulate ist ihre sphärische Form. Im Hinblick auf die klinische Anwendbarkeit sollten in der vorliegenden Studie beide Anwendungsformen vorgreifend auf eine tierexperimentelle Studie hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften in vitro getestet werden. / The aim of the present work was the production and testing of innovative application forms of cold-curing bone replacement materials from calcium and magnesium phosphates, which after the binding process preferably consist of the mineral struvit (MgNH4PO4-6H2O). Compared to conventional bone replacement materials, these novel bone cements promise significantly faster bony regeneration and degradability. The aim is to be able to put implants faster and thus to save the patient a long waiting time and corresponding suffering pressure. Similarly, conventional products must first be stirred in the operating room and then processed in a narrow time-fenser. The prefabricated cement pastes, on the other hand, are directly ready for application and harden only after contact with the damp environment. In previous projects, both prefabricated pastes and granules based on struvit-forming calcium-magnesium phosphates were successfully developed. The advantage of these granules is their spherical shape. With regard to clinical applicability, both forms of application should be tested in vitro in the present study in anticipation of an animal-experimental study with regard to their material properties.

It has become imperative globally that we build a more sustainable society. Part of the drive towards attaining this includes finding an environmentally friendly solution to materials we use including materials from automobile vehicles. This research is focused on finding a sustainable solution to end-of-life tyres through material recycling into useful products; in this case absorption mats for oil decontamination from tyre rubber granulate.The research consisted of two parts. Firstly, theoretical reviews which involved an extensive literature review of oil decontamination practice and methods of doing it. Review of tyre rubber granulate properties and consultations with experts/agencies involved in oil decontamination operations in Sweden where mostly physical methods such as use of absorbents on land and booms on water. The second component of the research is an experimental part which involved laboratory test of the absorption properties of tyre rubber granulate at University College of Borås (HB) in which granules of sizes 0.50, 1.00 and 2.00 mm were tested on different oil samples; gasoline, diesel and motor oils. Environmental properties tests were also conducted at the Swedish Technical Research Institute (SP) where metal and organic contents of the granules and its leachate were tested.Results from the study showed that tyre rubber granules have the ability to absorb different types of oil. It was found that factors such as exposure time, granulate size, temperature and type of oil have effect on the absorption capacity of granulate. Highest absorption (2.518 g/g) was experienced with the least viscous oil; gasoline. Absorption was found to increase with an increase in temperature and decrease in granulate size with the smallest granulate size (0.50 mm) having the highest absorption at 30oC. It was equally observed that the presence of water does not have significant effect on oil absorption by granulate. The results also showed that tyre rubber granules are quick absorbents; absorption rate was highest within 5 minutes.Environmental properties test on granulate indicated the presence of organics (PAHs, phthalates, phenols) and metals (Pb, Zn, Cr, Cd) in granulate and its leachate. PAHs content of the granules and its leachate exceeded the Swedish guideline. Metal content of the granules and its leachate were below the guideline value with the exception for zinc (Zn) which content in granules exceeded guideline value. It should be noted however that the test conditions are too extreme to be experienced under normal condition of use of granulate for oil decontamination.It is concluded that tyre rubber granulate can be developed into absorption mats for oil decontamination due to its good oils absorption properties and benefits to the society in solving two key environmental problems; oil spill and tyre waste problems. Equally the use of tyre granules for this application will not pose human health and/or environmental risk if used adequately. / Uppsatsnivå: D

Infolge gravitativer Massenbewegungen sind aktuell weiträumige Flächen der ehemaligen Lausitzer Tagebaugebiete gesperrt. Um den zugrundeliegenden Verflüssigungsprozess der sandigen Innenkippenböden zu analysieren und auf granularer Ebene zu beschreiben, wurde in einem ersten Schritt das eindimensional-vertikale Verhalten einer wassergesättigten, locker gelagerten Granulatsäule untersucht. Unter Einbeziehung von Lageenergie, Kugelpackungen und Grenzflächen ließen sich daraus konzeptionelle Modelle und Hypothesen zur Abbildung der Verflüssigung und Reverfestigung von Fließsanden entwickeln. Die Ergebnisse der Untersuchungen legen nahe, dass die durch ein dynamisches Energieinitial ausgelöste Verflüssigung zur Horizontalverschiebung der Granulatkörner und damit zur Reduzierung der effektiven Spannungen sowie zur Porenwasserdruckerhöhung führt. Zudem lassen die Betrachtungen vermuten, dass der Absinkvorgang der Granulatkörner im Zuge der Reverfestigung an die Relativbewegung zwischen dem verdrängten Porenwasser und dem Schwebkornfilter der Granulatkorntextur gekoppelt ist. Die hierbei auftretende Filterströmung lässt sich durch das DARCY-Gesetz beschreiben. Da die wassergesättigte Grundwasserzone mancherorts von einer wasserungesättigten Überdeckungszone mit geringerer Durchlässigkeit überlagert werden kann, wurde in einem zweiten Schritt ein konzeptionelles Überdeckungsmodell erstellt, das die Wechselwirkungen zwischen den zwei Zonen nach einem Verflüssigungsereignis mit Fokus auf geohydraulische Zustandsparameter untersucht und gestützt auf drei idealisierte Basisprozesse charakterisiert. Im Zuge der Reverfestigung des verflüssigten Granulats kann sich unterhalb der ungesättigten Überdeckungszone eine Wasserlamelle bilden. Der sich daran anschließende instationäre Aufsättigungsvorgang der Überdeckungszone wurde mittels der numerischen Software HYDRUS-1D für verschiedene Szenarien analysiert und darauf aufbauend ein vereinfachtes Approximationsverfahren entwickelt, das die Aufsättigungsfront als vordringende, stabile, makroskopische Grenzfläche erfasst. Das temporäre Auftreten des verflüssigten Granulats sowie der Wasserlamelle tragen zur Verringerung der Kippenstabilität bei. Aufbauend auf dem Modellverständnis des eindimensional-vertikalen Verhaltens des Kippenkörpers wurden in einem weiteren Schritt verschiedene Untersuchungen zum rheologischen Verhalten der Lausitzer Innenkippensande durchgeführt. Mit Hilfe von Rotationsscherversuchen mittels eines Präzisionsrheometers konnte unter der Verwendung von Flügelrotoren eine funktionale Abhängigkeit zwischen dem Feststoffanteil und der Fließgrenze hergestellt werden. Darüber hinaus haben die Rotationsscherversuche gezeigt, dass der Feststoffanteil der Lausitzer Innenkippensande eine maßgebliche Rolle für deren rheologisches Fließverhalten spielt. Je größer der volumetrische Feststoffanteil des Fließsands im Ausgangszustand ist, desto größer sind auch die mit einer Fließbewegung einhergehenden Reibungskräfte zwischen den Granulatkörnern sowie die dadurch verursachten resultierenden Scherspannungen in der immersiven granularen Flüssigkeit. Weiterhin lassen die Ergebnisse der Rotationsversuche darauf schließen, dass die Art der dynamischen Anregung (impulsartig oder zyklisch) einen entscheidenden Einfluss auf das Verflüssigungs- und Reverfestigungsverhalten von wassergesättigten Fließsanden hat. Das dynamische Fließverhalten der Lausitzer Innenkippensande lässt sich mit den konventionellen rheologischen Modellen jedoch nicht vollständig beschreiben, da der Einfluss der komplexen Korninteraktionen bei dichten immersiven Granulaten den hydrodynamischen Einfluss der interpartikularen Flüssigkeit bei weitem übersteigt. Es ist dagegen möglich, das viskoplastische Fließverhalten der gleichförmigen, gerundeten, wassergesättigten Fließsande der Lausitzer Innenkippen mit den konzeptionellen Modellansätzen immersiver granularer Medien auf Basis von phänomenologischen rheologischen Gesetzmäßigkeiten abzubilden. Hierzu wurden weiterführende Fließversuche auf einer geneigten rauen Ebene durchgeführt. Es konnte dabei bestätigt werden, dass das rheologische Fließverhalten von Granulaten durch eine einzige dimensionslose Kennzahl, die Inertialzahl I, bestimmt wird. Somit lassen sich unterschiedliche gravitative Massenbewegungen der Lausitzer Tagebaurestlöcher innerhalb eines universellen rheologischen Modellkonzepts beschreiben. Hierzu zählen beispielsweise das dynamische Verhalten von trockenen Schüttungen, die zu erwartenden Abflachungen der subhydrischen Tagebauböschungen sowie die Fließsandströmung nach einer Verflüssigung. Summa summarum tragen die gebildeten konzeptionellen Modelle und darauf aufbauenden Hypothesen sowie die durchgeführten rheometrischen Rotationsscherversuche und rheologischen Fließversuche zu einem tieferen Verständnis des Verhaltens der Lausitzer Fließsande im Zusammenhang mit Verflüssigungsereignissen bei, was zur Vermeidung von Schadwirkungen sowie zur Entwicklung von effizienteren Sanierungsverfahren beitragen kann.:1 Einführung 1 1.1 Ansatzpunkt der Arbeit 1 1.2 Zielsetzung der Arbeit 3 1.3 Methoden der Arbeit 4 1.3.1 Literaturrecherche 4 1.3.2 Modellierung 4 1.3.3 Computersimulation 6 1.3.4 Laborversuche 6 1.4 Gliederung der Arbeit 7 2 Grundlagen 9 2.1 Rheologie 9 2.1.1 Grundlagen der Rheologie 9 2.1.1.1 Einordnung 9 2.1.1.2 Elastizität 10 2.1.1.3 Plastizität 10 2.1.1.4 Viskosität 11 2.1.2 Rheologische Modelle 14 2.1.2.1 Rheologische Grundmodelle 14 2.1.2.2 Zusammengesetzte Modellkörper 15 2.1.2.3 Nichtlineare rheologische Modellansätze 17 2.1.3 Rheometrie 17 2.2 Granulare Medien 18 2.2.1 Definition 18 2.2.2 Entstehung 19 2.2.3 Granulometrie 19 2.2.4 Physikalische Beschreibung 20 2.2.5 Interpartikulare Kräfte 20 2.3 Granulare Feststoffe 21 2.3.1 Granulare Packungen 21 2.3.2 Nichtimmersive granulare Feststoffe 22 2.3.2.1 Kräftenetzwerk 22 2.3.2.2 Spannungsansatz der Kontinuumsmechanik 24 2.3.2.3 Plastisches Verhalten 24 2.3.3 Immersive granulare Feststoffe 27 2.3.3.1 DARCY-Filterströmung 27 2.3.3.2 Grenzen des DARCY-Gesetzes 29 2.3.3.3 Spannungen nach TERZAGHI 30 2.3.4 Teilimmersive granulare Feststoffe 30 2.3.4.1 Einteilung des unterirdischen Wassers 30 2.3.4.2 Mobilitätsbereiche 32 2.3.4.3 Hydraulische Zustandsgleichung 34 2.3.4.4 Durchlässigkeit 37 2.3.4.5 Kapillarität 39 2.3.4.6 Spannungen nach BISHOP 41 2.4 Granulare Flüssigkeiten 42 2.4.1 Untersuchungs- und Messmethoden 43 2.4.2 Nichtimmersive granulare Flüssigkeiten 44 2.4.2.1 Dimensionsanalyse 44 2.4.2.2 Rheologische Stoffgesetze 47 2.4.2.3 Rheologie komplexer Granulate 48 2.4.2.4 Strömung auf einer geneigten Ebene 49 2.4.2.5 Grenzen der phänomenologischen Rheologie 52 2.4.2.6 Tiefengemittelte Fließgleichungen 53 2.4.2.7 Segregation in granularen Strömungen 55 2.4.3 Immersive granulare Flüssigkeiten 57 2.4.3.1 Granulare Rutschungen 57 2.4.3.2 Granulare Medien und Suspensionen 58 2.4.3.3 Druckgesteuerte Rheologie 59 2.4.3.4 Volumengesteuerte Rheologie 62 2.4.3.5 Aktuelle wissenschaftliche Studien 64 3 Verflüssigung und Reverfestigung 66 3.1 Verhalten ohne ungesättigte Überdeckung 66 3.1.1 Grundlagen 66 3.1.2 Lageenergie 67 3.1.2.1 Lageenergieintegral 68 3.1.2.2 Reverfestigungsmodell 68 3.1.3 Kugelpackungen 70 3.1.3.1 Schichtmodell 70 3.1.3.2 Validierung des Schichtmodells 72 3.1.4 Grenzflächen 73 3.1.4.1 Säulenmodell 74 3.1.4.2 Filtermodell 75 3.1.4.3 Zonenmodell 76 3.1.4.4 Intensive und extensive Modellvariablen 77 3.1.5 Hypothesen 78 3.1.5.1 Höhenkonstanz 79 3.1.5.2 Dichte 79 3.1.5.3 Volumenstromdichte 79 3.1.5.4 Durchlässigkeitsbeiwert 80 3.1.5.5 Porenwasserüberdruck 80 3.1.5.6 Reverfestigungsdauer 81 3.1.5.7 Wasserbilanz 81 3.2 Verhalten mit ungesättigter Überdeckung 82 3.2.1 Grundlagen 82 3.2.2 Konzeptionelles Überdeckungsmodell 83 3.2.2.1 Modellstruktur 83 3.2.2.2 Geohydraulische Zustandsgrößen 84 3.2.2.3 Bodenmechanische Zustandsgrößen 85 3.2.2.4 Prozesse und Zustände 85 3.2.3 Verflüssigung und Reverfestigung der Grundwasserzone (Prozess I) 86 3.2.4 Aufsättigung der Überdeckungszone (Prozess II) 87 3.2.4.1 Berechnungsmethodik und Pre-Processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.2 Post-processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.3 Berücksichtigung von Niederschlag 92 3.2.4.4 Numerisches Approximationsverfahren 94 3.2.5 Absinkvorgang der Überdeckungszone (Prozess III) 97 4 Granulare Rheologie 99 4.1 Versuchsgranulate 99 4.1.1 Mikroglaskugeln 99 4.1.2 Fließsand 99 4.1.3 Durchlässigkeit 102 4.2 Rotationsversuche 105 4.2.1 Grundlagen 105 4.2.1.1 Messung der Fließgrenze 105 4.2.1.2 Messung der Viskosität 109 4.2.2 Rotationsrheometer zur eigenen Versuchsdurchführung 110 4.2.3 Eigene Versuche zur Fließgrenze 111 4.2.4 Eigene Versuche zur Fließkurve 117 4.2.5 Eigene Versuche zur Reverfestigung 120 4.3 Fließversuche 122 4.3.1 Grundlagen 123 4.3.2 Aufbau der eigenen Fließversuche 129 4.3.3 Auswertung der eigenen Fließversuche 132 4.3.3.1 Kalibrierung 132 4.3.3.2 Front Tracking 133 4.3.3.3 Particle Tracking 134 4.3.3.4 Höhenmessung 135 4.3.3.5 Genauigkeit 135 4.3.3.6 Auswertung 136 4.3.4 Strömungskonfiguration Luft-Luft 136 4.3.5 Strömungskonfiguration Wasser-Wasser 140 4.3.6 Strömungskonfiguration Wasser-Luft 144 5 Zusammenfassung und Ausblick 148 LITERATURVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIX TABELLENVERZEICHNIS XXV SYMBOLVERZEICHNIS XXVI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS XXXVI / Large areas of former Lusatian opencast pits have recently become inaccessible due to gravitational mass movements. To understand the underlying liquefaction process of the overburden dump sand and to describe it on a granular scale, the one-dimensional vertical behaviour of a saturated, loosely packed column was studied. Considering elevation energy, sphere packing and interfaces, several conceptual models and hypotheses for describing the liquefaction and resolidification of quicksand were developed. The analyses suggest that liquefaction leads to horizontal grain movement and thus to effective stress reduction and increases in pore water pressure. Furthermore, it is hypothesized that grain settlement during the resolidification phase is linked to the relative movement between displaced pore water and the suspended grain filter of the granulate structure. The filter flow can be described by DARCY’s law. Since the water-saturated groundwater zone can be overlaid by a water-unsaturated cover zone with lower permeability, a conceptual cover model was designed, which examines the interactions between the two zones with focus on geohydraulic state parameters and characterises them based on three main processes. Due to the resolidification of the liquefied quicksand, a water lamella can form below the unsaturated cover zone. Based on HYDRUS-1D simulations, a numerical approach was developed for the subsequent transient saturation of the cover, which treats the saturation front as an advancing stable macroscopic interface. The temporary appearance of the liquefied quicksand and the water lamella reduces stability of the inner overburden dump. Based on the understanding of the one-dimensional vertical granular behaviour, various investigations on the rheological behaviour of the Lausatian inner overburden dump sands were carried out. With the help of rotational shear tests by means of a precision rheometer, a functional dependence between solid content and yield stress could be established using vane rotors. Furthermore, it could be shown that the solid content plays a decisive role for the rheological flow behaviour of the Lausatian quicksand. The greater the solid content in its initial state, the greater are the frictional forces between the grains associated with flow movement as well as the resulting shear stresses in the immersive granular liquid. Moreover, the results suggest that the type of dynamic excitation (pulsed or cyclic) has a significant influence on the liquefaction and resolidification behaviour of water-saturated quicksands. However, the dynamic flow behaviour of the Lusatian inner overburden dump sands cannot completely be described by conventional rheological models, since the influence of the complex grain interactions in dense immersive granular media exceeds the hydrodynamic influence of the interparticulate fluid. In contrast, it is possible to model the viscoplastic flow behaviour of the uniform, rounded, water-saturated Lusatian inner overburden dump sands with the conceptual model approaches of immersive granular media based on phenomenological rheological laws. For this purpose, further flow tests were carried out on an inclined rough plane. It was confirmed that the rheological flow behaviour of granular media is determined by a single dimensionless number, the inertial number I. Thus, the different gravitational mass movements of the former Lusatian opencast pits can be described within an universal rheological model concept. This includes, for example, the dynamic behaviour of dry deposits, the expected flattening of the subhydric mine slopes and the flow of the water-saturated quicksand after liquefaction. In all, the conceptual models and hypotheses as well as the rheometric rotational shear tests and rheological flow tests contribute to a deeper understanding of the behaviour of Lusatian quicksand in connection with liquefaction events, which helps to avoid harmful effects and to develop more efficient remediation methods.:1 Einführung 1 1.1 Ansatzpunkt der Arbeit 1 1.2 Zielsetzung der Arbeit 3 1.3 Methoden der Arbeit 4 1.3.1 Literaturrecherche 4 1.3.2 Modellierung 4 1.3.3 Computersimulation 6 1.3.4 Laborversuche 6 1.4 Gliederung der Arbeit 7 2 Grundlagen 9 2.1 Rheologie 9 2.1.1 Grundlagen der Rheologie 9 2.1.1.1 Einordnung 9 2.1.1.2 Elastizität 10 2.1.1.3 Plastizität 10 2.1.1.4 Viskosität 11 2.1.2 Rheologische Modelle 14 2.1.2.1 Rheologische Grundmodelle 14 2.1.2.2 Zusammengesetzte Modellkörper 15 2.1.2.3 Nichtlineare rheologische Modellansätze 17 2.1.3 Rheometrie 17 2.2 Granulare Medien 18 2.2.1 Definition 18 2.2.2 Entstehung 19 2.2.3 Granulometrie 19 2.2.4 Physikalische Beschreibung 20 2.2.5 Interpartikulare Kräfte 20 2.3 Granulare Feststoffe 21 2.3.1 Granulare Packungen 21 2.3.2 Nichtimmersive granulare Feststoffe 22 2.3.2.1 Kräftenetzwerk 22 2.3.2.2 Spannungsansatz der Kontinuumsmechanik 24 2.3.2.3 Plastisches Verhalten 24 2.3.3 Immersive granulare Feststoffe 27 2.3.3.1 DARCY-Filterströmung 27 2.3.3.2 Grenzen des DARCY-Gesetzes 29 2.3.3.3 Spannungen nach TERZAGHI 30 2.3.4 Teilimmersive granulare Feststoffe 30 2.3.4.1 Einteilung des unterirdischen Wassers 30 2.3.4.2 Mobilitätsbereiche 32 2.3.4.3 Hydraulische Zustandsgleichung 34 2.3.4.4 Durchlässigkeit 37 2.3.4.5 Kapillarität 39 2.3.4.6 Spannungen nach BISHOP 41 2.4 Granulare Flüssigkeiten 42 2.4.1 Untersuchungs- und Messmethoden 43 2.4.2 Nichtimmersive granulare Flüssigkeiten 44 2.4.2.1 Dimensionsanalyse 44 2.4.2.2 Rheologische Stoffgesetze 47 2.4.2.3 Rheologie komplexer Granulate 48 2.4.2.4 Strömung auf einer geneigten Ebene 49 2.4.2.5 Grenzen der phänomenologischen Rheologie 52 2.4.2.6 Tiefengemittelte Fließgleichungen 53 2.4.2.7 Segregation in granularen Strömungen 55 2.4.3 Immersive granulare Flüssigkeiten 57 2.4.3.1 Granulare Rutschungen 57 2.4.3.2 Granulare Medien und Suspensionen 58 2.4.3.3 Druckgesteuerte Rheologie 59 2.4.3.4 Volumengesteuerte Rheologie 62 2.4.3.5 Aktuelle wissenschaftliche Studien 64 3 Verflüssigung und Reverfestigung 66 3.1 Verhalten ohne ungesättigte Überdeckung 66 3.1.1 Grundlagen 66 3.1.2 Lageenergie 67 3.1.2.1 Lageenergieintegral 68 3.1.2.2 Reverfestigungsmodell 68 3.1.3 Kugelpackungen 70 3.1.3.1 Schichtmodell 70 3.1.3.2 Validierung des Schichtmodells 72 3.1.4 Grenzflächen 73 3.1.4.1 Säulenmodell 74 3.1.4.2 Filtermodell 75 3.1.4.3 Zonenmodell 76 3.1.4.4 Intensive und extensive Modellvariablen 77 3.1.5 Hypothesen 78 3.1.5.1 Höhenkonstanz 79 3.1.5.2 Dichte 79 3.1.5.3 Volumenstromdichte 79 3.1.5.4 Durchlässigkeitsbeiwert 80 3.1.5.5 Porenwasserüberdruck 80 3.1.5.6 Reverfestigungsdauer 81 3.1.5.7 Wasserbilanz 81 3.2 Verhalten mit ungesättigter Überdeckung 82 3.2.1 Grundlagen 82 3.2.2 Konzeptionelles Überdeckungsmodell 83 3.2.2.1 Modellstruktur 83 3.2.2.2 Geohydraulische Zustandsgrößen 84 3.2.2.3 Bodenmechanische Zustandsgrößen 85 3.2.2.4 Prozesse und Zustände 85 3.2.3 Verflüssigung und Reverfestigung der Grundwasserzone (Prozess I) 86 3.2.4 Aufsättigung der Überdeckungszone (Prozess II) 87 3.2.4.1 Berechnungsmethodik und Pre-Processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.2 Post-processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.3 Berücksichtigung von Niederschlag 92 3.2.4.4 Numerisches Approximationsverfahren 94 3.2.5 Absinkvorgang der Überdeckungszone (Prozess III) 97 4 Granulare Rheologie 99 4.1 Versuchsgranulate 99 4.1.1 Mikroglaskugeln 99 4.1.2 Fließsand 99 4.1.3 Durchlässigkeit 102 4.2 Rotationsversuche 105 4.2.1 Grundlagen 105 4.2.1.1 Messung der Fließgrenze 105 4.2.1.2 Messung der Viskosität 109 4.2.2 Rotationsrheometer zur eigenen Versuchsdurchführung 110 4.2.3 Eigene Versuche zur Fließgrenze 111 4.2.4 Eigene Versuche zur Fließkurve 117 4.2.5 Eigene Versuche zur Reverfestigung 120 4.3 Fließversuche 122 4.3.1 Grundlagen 123 4.3.2 Aufbau der eigenen Fließversuche 129 4.3.3 Auswertung der eigenen Fließversuche 132 4.3.3.1 Kalibrierung 132 4.3.3.2 Front Tracking 133 4.3.3.3 Particle Tracking 134 4.3.3.4 Höhenmessung 135 4.3.3.5 Genauigkeit 135 4.3.3.6 Auswertung 136 4.3.4 Strömungskonfiguration Luft-Luft 136 4.3.5 Strömungskonfiguration Wasser-Wasser 140 4.3.6 Strömungskonfiguration Wasser-Luft 144 5 Zusammenfassung und Ausblick 148 LITERATURVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIX TABELLENVERZEICHNIS XXV SYMBOLVERZEICHNIS XXVI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS XXXVI

På senare tid har mikroplaster i hav och sjöar uppmärksammats som ett potentiellt stortmiljöproblem. Idag finns mikroplaster spridda över hela världens vatten från polerna till ekvatorn.År 2016 uppmärksammades konstgräsplaner som den nästa största källan till spridning avmikroplaster till sjöar och vattendrag i Sverige [1]. Fotboll är Sveriges nationalsport och är densporten som står för flest aktivitetstimmar i Sverige. Konstgräs har gjort det möjligt för fler barnoch ungdomar att få fler speltimmar och idag spelar 90 % av alla fotbollsspelare på konstgräs [2].De olika spridningsvägarna för mikroplaster från konstgräsplaner undersöktes med fokus påspridningsvägen via dagvatten. Det finns fler olika reningsmetoder för dagvatten innehållandemikroplaster, en av dessa är granulatfällan, en filterpåse som placeras i en dagvattenbrunn för attfånga upp granulat och konstgräsfibrer som sprids från konstgräsplanen till dagvattenbrunnen.Syftet med denna studie var att optimera reningsmetoden granulatfälla utifrån möjligavattenflöden och dess effektivitet i att fånga upp mikroplaster. Detta undersöktes genomframtagandet av en vattenflödesmodell vid konstgräsplaner med variationer i konstruktion ochgenom fältstudier av granulatfällans effektivitet vid två konstgräsplaner i Storstockholm.Det regn som undersöktes i vattenflödesmodellen var extremregn för ett 10 års regn under 10minuter. Detta för att hitta det maximala flöde granulatfällorna kommer behöva klara av. Vilkavattenflöden som nådde dagvattenbrunnarna var beroende på antalet dagvattenbrunnarplacerade runt konstgräsplanen, i vilket område i Sverige som konstgräsplanen var placerad, detvill säga hur mycket regn som kom, och konstgräsplanens infiltrationsförmåga.Vattenflödesmodellen fungerar som en mall för möjliga vattenflöden vid en specifik plats i Sverigeoch en viss konstruktion av konstgräsplan.De konstgräsplaner som var med i fältstudierna var Skytteholms IP i Solna och Spånga IP iStockholm. Vid varje konstgräsplan placerades 6 granulatfällor med två filterpåsar på varje fälla,den inre med större maskor och den yttre med mindre maskor. Kombinationerna var 200 μm med100 μm, 200 μm med 50 μm och 100 μm med 50 μm. Totalt fångades 10,3 kg mikroplast vidSkytteholms IP och 1,5 kg vid Spånga IP under de 49 dygn granulatfällorna var utplacerade. Avden totala mängden mikroplast viktmässigt i varje granulatfälla fanns minst 99 % i den inrefilterpåsen och maximalt 1 % i den yttre filterpåsen, det vill säga i storleksfraktionen mellan denyttre och den inre filterpåsen.Slutsatserna från denna studie är att vattenflödet till dagvattenbrunnarna placerade runtkonstgräsplaner kan variera mycket på grund av hur konstgräsplanen är konstruerad. Det berorframförallt på konstgräsplanens infiltrationsförmåga och antal dagvattenbrunnar runtkonstgräsplanen. Utifrån de teoretiska vattenflödena och fältstudierna rekommenderas att enfilterpåse med maskstorlek 200 μm används i granulatfällan. Detta utifrån att den inre filterpåsenfångade minst 99 % av de mikroplaster som nådde granulatfällorna, som var större än 50 μm, ochökad risk för igensättning och tillväxt av biofilm på filterpåsarna med mindre maskor. Vidarestudier bör genomföras på granulatfällans vattenflöde över tid, mikroplaster mindre än 50 μm,IIandra spridningsvägar för mikroplaster från konstgräsplaner, förbättrade konstruktioner avkonstgräsplaner och förbättrat underhållningsarbete för att minska spridningen av mikroplasterfrån konstgräsplaner. / In the recent years microplastics in the marine environment has been recognized as a potentiallyimportant environmental issue. Today there are microplastics spread in the waterbodies all overthe world, from the equator to the poles in south and north. In 2016 artificial turf was labeled thesecond largest source of microplastics to the marine environment in Sweden [1]. Football is thenational sport of Sweden and accounts for the majority of the activity hours among the youth inSweden. The artificial turf has made it possible for more children to play football and for them toget more hours on the field. Today about 90 % of the football players play on artificial turf [2].The microplastics pathways to the nature and the marine environment were studied andtreatment methods were developed. One of these methods is the so called granule trap, a filterbag which is placed in a stormwater drainage well to catch the rubber granulates and the artificialturf fibers which can be spread from the artificial field to the drainage system. The aim of thisstudy was to optimize the granule trap for possible waterflows to the stormwater drainage welland its efficiency to catch microplastics. This was researched through field studies of the efficiencyof the granule trap at two artificial turfs in Stockholm and the development of a waterflow modelof an artificial turf with varying construction.The rainfall which was used in the waterflow model was the 10-year storm with a duration of 10minutes. This to find the maximum waterflow the granuletraps must manage. The waterflows tothe stormwater drainage well were dependent on the number of wells placed around the artificialturf, in which area of Sweden the football field was placed, in other words the amount of rain thatfell, and the infiltration capacity of the artificial turf. The waterflow model works as a templatefor possible waterflows at an artificial turf with a certain construction and at a certain location inSweden.The artificial turfs which were examined in the field studies were Skytteholms IP in Solna andSpånga IP in Stockholm. At each football field 6 granuletraps were placed, each loaded with twofilter bags, the inner with larger sized mesh and the outer with smaller sized mesh. The mesh sizecombinations were 200 μm with 100 μm, 200 μm with 50 μm and 100 μm with 50 μm. atSkytteholms IP a total amount of 10.3 kg microplastics were caught and at Spånga IP a total of 1.5kg microplastics were caught during the 49 days the granuletraps were placed at the footballfields. Out of the total amount of microplastics in each granuletrap at least 99 % by mass was inthe inner filter bag and maximum 1 % by mass was in the outer filter bag, in the size fractionbetween the outer and the inner filter bag..In conclusion this study shows that the waterflow to the stormwater drainage wells placed aroundthe artificial turfs vary a lot depending on the construction of the artificial turf. Foremost itdepends on the infiltration capacity of the artificial turf and the number of stormwater drainagewells around the field. With regards to the waterflows from the waterflow model and the resultsfrom the field studies the recommended mesh size for the filter bags is 200 μm. This since at least99 % by mass of the microplastics, which were larger than 50 μm, that reached the granule trapsIVwere trapped in the inner filter bag and the elevated risk of clogging and biofilm growth on thefilter bags with smaller mesh size. Further studies should be conducted on the waterflow throughthe granuletraps over time, microplastics smaller than 50 μm, other pathways for themicroplastics away from the artificial turf, improved constructions of artificial turfs and improvedmaintenance on the artificial turfs to reduce the risk of spreading of microplastics from artificialturfs.

Mikroplaster och dess miljöeffekter är ett forskningsområde under utveckling. Provtagning och analysmetoder försvåras av att mikroplaster kan komma från olika råvaror, vilket innebär att dess innehåll, partikelstorlek samt densitet kan variera. Det är däremot tydligt att mikroplaster är ett problem i marina miljöer då intag och ackumulering av mikro- och makroplaster har registrerats i ryggradslösa djur, fiskar, däggdjur och fåglar. Mikroplaster kan påverka bland annat matsmältningen och reproduktionen för vattenlevande djur. Mikroplaster har även registrerats i föda som är relevant för människor, men vilka effekter mikroplaster har på människor är ännu oklart. I en rapport från år 2017 uppskattade Svenska Miljöinstitutet (IVL) konstgräsplaner till att vara den näst största kvantifierade källan till spridning av mikroplaster till miljön med 1638 – 2456 ton per år, efter slitage från däck och vägar. Fotboll är en av Sveriges populäraste sporter och antalet konstgräsplaner i landet uppgick år 2016 till 1336 stycken. Till följd av att konstgräsplaner anses som en viktig källa till spridning av mikroplaster är det viktigt att utröna orsakerna till hur och varför mikroplaster sprids från konstgräsplaner och även vilka åtgärder som kan sättas in för att minska spridningen. Syftet med denna studie är att identifiera orsakerna till spridning av mikroplaster samt att presentera åtgärder som kan minska den totala spridningen av mikroplaster från konstgräsplaner. Metodiken utgick från tidigare studier av mikroplaster i vattenmiljö och vattenprover inhämtades från två konstgräsplaners dräneringsbrunnar och från en konstgräsplans lysimetrar, vilka har samlat upp vatten som har infiltrerat genom planen. Utöver detta har även fältstudier med observationer utförts vid två konstgräsplaner och samtal med driftsansvariga har bidragit med ytterligare relevant information om hur mikroplaster kan spridas. Resultaten visar att mikroplaster sprids från konstgräsplaner och att de identifierade orsakerna till spridningen, utan inbördes storleksordning, främst är: Aktivitet på planen Borstning av planen Snöröjning Regn (vilket innebär infiltration genom planen samt ytavrinning) Dessa orsaker, samt möjliga spridningsvägar för mikroplaster från en konstgräsplan till omgivningen, har visualiserats i en konceptuell modell, figur 11. Modellen har två systemgränser; det inre systemet utgörs av själva konstgräsplanen, medan det yttre systemet utgörs av närområdet runt omkring planen och kan likställas med idrottsanläggningen. Det är endast mikroplaster som sprids från det yttre systemet ut till omgivningen som bedöms kunna ha ekologiska konsekvenser. Okulära mikroskopstudier av vattenprover från dräneringsbrunnar visade på förekomst av mikroplaster. Kvantifiering av mängden fast material som kan nå dräneringsbrunnar, där mikroplaster utgör en okänd andel, uppgick till maximalt 340 – 370 kg per år och konstgräsplan med måtten 105m×65m. Mängden mikroplaster som maximalt kan infiltreras genom en konstgräsplan ner till dess dränering kvantifierades till 0,003 kg per år och konstgräsplan med måtten 105m×65m. Detta indikerar att det kan krävas mer öppna transportvägar, exempelvis öppna brunnar, för att mikroplaster ska kunna nå dräneringsbrunnar i en större viktmässig omfattning. Kvantifieringen av övriga orsaker till spridning av mikroplaster från konstgräsplaner till omgivningen är osäker, men försiktiga uppskattningar visar på att de är viktmässigt omfattande. För att mäta och säkerställa antalet partiklar som sprids från konstgräsplaner skulle mer omfattande provtagningar och analyser behöva genomföras. Konkreta åtgärder som kan tillämpas för att minska den totala spridningen av mikroplaster från konstgräsplaner är att borsta av kläder och skor innan planen eller anläggningen lämnas, informera personer som uppehåller sig vid planerna om problematiken, täcka för brunnar vid driftsaktiviteter, strategisk hantering av snöröjning, återföra granulat från anläggningen till själva planen, installera filter i brunnar samt att tömma brunnar på vatten och material. För att sätta problemet med mikroplaster från konstgräsplaner i sitt sammanhang så är det viktigt att förstå problemet i sin helhet. Vidare studier föreslås fokusera på att kvantifiera ovan nämnda orsaker till spridning av mikroplaster från konstgräsplaner, samt att kartlägga och kvantifiera spridningen utifrån de olika spridningsvägarna. / Microplastics and its environmental impacts is a research area under development. Sampling and analysis methods are complicated by the fact that microplastics may come from different raw materials, which means that its content, particle size and density may vary. It is clear that microplastics is a problem in marine environments as intake and accumulation of micro- and macroplastics have been recorded in invertebrates, fish, mammals and birds. The microplastics may affect, among other things, the digestion and reproduction of aquatic animals. The microplastics have also been recorded in foods that are relevant to humans, but what effects microplastics have on humans is still unclear. In a report from 2017, the Swedish Environmental Research Institute (IVL) estimated artificial turf fields to be the second largest quantified source for spreading the microplastics to the environment with 1638 - 2456 tons per year, after wear of tire and roads. Football is one of Sweden's most popular sports and the number of artificial turf fields in the country in 2016 reached 1336. Due to the fact that artificial turf fields is considered an important reason for the spreading of microplastics, it becomes important to investigate the reasons why and how microplastics are spread from artificial turf fields and also what measures can be taken to reduce the spread. The purpose of this study is to identify the reasons why microplastics are spread, as well as to present measures that can reduce the overall spread of microplastics from artificial turf fields. The methodology is based on previous studies of microplastics in aquatic environments and water samples were collected from drainage wells that belonged to two artificial turf fields and from a “water-infiltration-sampler” from a third field. In addition, field studies with observations have been carried out at two other artificial turf fields, and conversations with maintenance personal have provided additional relevant information on how microplastics can be spread. The results show that microplastics are spread from artificial turf fields and the identified reasons for this spreading, without specific order of magnitude, are mainly: Activity on the field Brushing of the fields Snow plowing of the fields Rain (which means infiltration through the field as well as surface runoff) These causes, as well as possible pathways for the spreading of microplastics from an artificial turf field to the surroundings, have been visualized in a conceptual model, Figure 11. The model has two system boundaries; the inner system consists of the field itself, while the outer system is the direct area around the field and can be equated with the sports facility. It is only microplastics that are spread from the outer system to the environment which is considered to cause ecological consequences. Ocular microscopy studies of water samples from drainage wells showed presence of microplastics. Quantification of the amount of solids that can reach the drainage wells, where microplastics constitute an unknown proportion, amounted to a maximum of 340 – 370 kg per year and artificial turf field measuring 105m×65m. The maximum amount of microplastics that can infiltrate through an artificial turf field down to its drainage system was quantified to 0,003 kg per year and artificial turf of 105m×65m. This indicates that more open transport routes, such as open wells, could be needed to allow microplastics to reach drainage wells to a greater extent. The quantification of other causes for the spreading of microplastics from artificial turf fields to the environment area is uncertain, but careful estimations show that they are weighty comprehensive. To measure and secure the number of particles that are spread from artificial turf fields, more extensive sampling and analysis would have to be carried out.

Mikroplaster är ännu ett relativt outforskat område, dess risker för miljö och för människans hälsa är fortfarande till en del okänt. Det finns även relativt lite studier kring spridning av mikroplaster på land, därtill är nedbrytningstiden för plast väldigt lång i naturliga miljöer. Konstgräsplaner är en av de största källorna för spridning av mikroplaster i Sverige, och sker främst i form av granulat som sprids från konstgräsplanerna. I Huddinge kommun, som arbetet har undersökt, finns sju stycken 11-mannaplaner vilka har EPDM-granulat.   Syftet med rapporten är att undersöka konstgräsplaner i Huddinge kommun och identifiera samt kartlägga spridning av granulat från dessa. Vad som har undersökts är typ av plast som används, vilken mängd som potentiellt sprids och hur plasten sprider sig.   Metoden som har använts är en materialflödesanalys, där inflöde samt utflöde har identifierats samt kvantifierats. Modellens inre systemgräns utgörs av fotbollsplanen och den yttre gränsen består av planens direkt närliggande omgivning, vilket innefattar marken intill planen, omklädningsrum och klubbhus. Systemgränsen har tillämpats på samtliga sju planer. Som underlag för materialflödesanalysen har litteraturstudie och intervjuer genomförts. Tre fältstudier har genomförts, vilka var inventering av område, mätning av granulat i undanröjd snö samt spridning från aktivitet på plan. Utifrån dessa kunde en riskmatris sammanställas, vilken presenterar de potentiella riskerna för de enskilda planerna i olika avseenden.   Utifrån riskmatrisen har det konstaterats Källbrinks IP har högst potentiell risk för spridning, och Stuvsta IP har lägst potentiell risk för spridning. Totalt för Huddinge kommun beräknas det årliga inflödet vara 3–4 ton granulat och utflödet vara 5,6–7,2 ton. De utflöden som var möjliga att kvantifiera var aktivitet på plan, snöröjning och spridning till omgivande miljö där snöröjning var det största enskilda utflöde med 2–3 ton årligen som sprids och ej kan återanvändas. Resultaten pekade på att det finns en skillnad i potentiell risk för spridning av granulat mellan de enskilda planerna. Rekommenderade åtgärder är främst att se över uppsamlingsplats för röjd snö och utvärdera risken för spridning till vatten ytterligare. / Microplastics are a relatively unexplored subject, its environmental and health risks are still partly unknown. There are relatively few studies regarding microplastics on land, and also the degradation of plastics in nature takes place during a long time.   Artificial turfs are one of the biggest sources of microplastics in Sweden, mainly in the form of granulates which spreads from artificial turfs. In Huddinge municipal, which is the location of the study, there are seven football fields which use EPDM granulate.   The purpose of the study is to examine the artificial turfs in Huddinge municipal, to identify and map how granulate is spread from these. The study includes type of plastic which is used, the amount which has potential to spread and how the plastic is spread.   The method used in the study is a material flow analysis, which identifies and quantifies the inflow and outflow. The inner system boundary of the model consists of the field, and the outer system boundary consists of the fields surroundings, which contains the ground next to the field, the dressing room and the club house. The system boundaries have been applied to all seven football fields. The material flow analysis is based on a literature study and interviews. Three field studies have been performed; inventory of the area, measurements of granulate in cleared snow and granulate spread from field activities. On this basis could a risk matrix be conducted, which presents the potential risks for the different fields in different aspects.   Based on the risk matrix it has been found that Källbrinks IP has the highest potential risk of granulate being spread, and Stuvsta IP has the lowest potential risk. In total for Huddinge municipal the yearly inflow is calculated to 3-4 tonnes granulate and the outflow is 5,6-7,2 tonnes. Outflows that were possible to quantify was field activity, snow clearance and granulate spread to surrounding areas. Snow clearance was the biggest single outflow with 2-3 tonnes granulate which is spread and cannot be reused.   The results indicate that there is a difference between the individual fields based on the potential risk of granulate being spread. Recommended measures are mainly to review collection sites for cleared snow and further evaluate the risk of spread to water.

Alkali-activated materials (AAM) are construction materials with great potential, especially for their environmental friendliness, but also due to their mechanical properties. Therefore, it is appropriate to pay further attention to these binders. This diploma thesis deals with monitoring the effectiveness of plasticizers in connection with the surface chemistry of the alkali-activated slag system. Sodium hydroxide and sodium water glass were used as alkaline activators for the preparation of alkali-activated blast furnace slag-based systems. To study the effectiveness of the lignosulfonate plasticizer, yield stress, heat flow, adsorption and zeta potential were monitored depending on the amount and time that the plasticizer was added to the system. The results show that the type of activator used in the mixtures plays an important role. NaOH-activated samples revealed the best efficiency of lignosulfonate plasticizers. A key factor in studying the behavior of the studied mixtures was the measurement of the zeta potential, which provided insight into the surface charge of blast furnace slag particles related to the ability of lignosulfonate to adsorb on grains of alkali-activated slag.

Alkali activated materials could be suitable alternative to construction materials based on ordinary Portland cement (OPC). Therefore, it is advisable to pursue these binders further on. Aim of this thesis is to clarify the effect of lignosulfonate-based plasticizer and polycarboxylate-based superplasticizer on the behaviour and nature of alkali activated materials. For the purposes of studying the efficiency of plasticizing additives, the change of workability of alkali activated blast furnace slag in dependence on time, effect of additives on mechanical properties as well as, with usage of isothermal calorimetry, their impact on kinetics of solidification and hardening had been observed. The stability of the plasticizing admixtures in a high alkaline environment such as water glass and sodium hydroxide had been studied using infrared spectrometry. As a last step, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) had been used while clarifying the chemical changes in the structure of plasticizing additives after adsorption to blast furnace slag.

No description available.

This thesis deals with improving thermal properties of contemporary ceramic fittings for external walls using built-in thermal insulation. In the practical part, PUR foam and PUR granulate waste mixes were designed. Based on insulation, mechanical and physical properties and estimated price, the best mix was chosen. Using the chosen mix as integrated isolation, the resulting ceramic block was simulated.