In dieser interdisziplinär geprägten Arbeit wird zunächst eine Übersicht über kugelbasierte Modelle und die algorithmischen Ansätze zur Generierung zufälliger Kugelpackungen gegeben. Ein Algorithmus aus der Gruppe der Kollektiven-Umordnungs-Algorithmen -- der Force-Biased-Algorithmus -- wird ausführlich erläutert und untersucht. Dabei werden die für den Force-Biased-Algorithmus als essenziell geltenden Verschiebungsfunktionen bezüglich ihres Einflusses auf den erreichbaren Volumenanteil der Packungen untersucht. Nicht nur aus der Literatur bekannte, sondern auch neu entwickelte Verschiebungsfunktionen werden hierbei betrachtet. Daran anschließend werden Empfehlungen zur Auswahl geeigneter Verschiebungsfunktionen gegeben. Einige mit dem Force-Biased-Algorithmus generierte Kugelpackungen, zum Beispiel hochdichte monodisperse Packungen, lassen den Schluss zu, dass insbesondere strukturelle Umbildungsvorgänge an solchen Packungen sehr gut zu untersuchen sind. Aus diesem Grund besitzt das Modell der mit dem Force-Biased-Algorithmus dicht gepackten harten Kugeln große Bedeutung in der Materialwissenschaft, insbesondere in der Strukturforschung. In einem weiteren Kapitel werden wichtige Kenngrößen kugelbasierter Modelle erläutert, wie z. B. spezifische Oberfläche, Volumenanteil und die Kontaktverteilungsfunktionen. Für einige besonders anwendungsrelevante Kenngrößen (z. B. die spezifische Oberfläche) werden Näherungsformeln entwickelt, an Modellsystemen untersucht und mit bekannten Näherungen aus der Literatur verglichen. Zur Generierung und Analyse der Kugelpackungen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Simulationssoftware „SpherePack“ entwickelt, deren Aufbau unter dem Aspekt des Softwareengineerings betrachtet wird. Die Anforderungen an dieses Simulationssystem sowie dessen Architektur werden hier beschrieben, einschließlich der Erläuterung einzelner Berechnungsmodule. An ausgewählten praxisnahen Beispielen aus der Materialwissenschaft kann die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten eines Simulationssystems zur Generierung und Analyse von zufälligen dicht gepackten Kugelsystemen gezeigt werden. Vor allem die hohe Aussagekraft der Untersuchungen in Bezug auf Materialeigenschaften unterstreicht die Bedeutung des Modells zufällig dicht gepackter harter Kugeln in der Materialforschung und verwandten Forschungsgebieten.

An in-depth knowledge of the structure formation process and the resulting dependency of the morphology on the reaction mechanism is a key requirement in order to design application-oriented materials. For twin polymerization, the basic idea of the reaction process is established, and important structural properties of the final nanoporous hybrid materials are known. However, the effects of changing the reaction mechanism parameters on the final morphology is still an open issue. In this work, the dependence of the morphology on the reaction mechanism is investigated based on a previously introduced lattice-based Monte Carlo method, the reactive bond fluctuation model. We analyze the effects of the model parameters, such as movability, attraction, or reaction probabilities on structural properties, like the specific surface area, the radial distribution function, the local porosity distribution, or the total fraction of percolating elements. From these examinations, we can identify key factors to adapt structural properties to fulfill desired requirements for possible applications. Hereby, we point out which implications theses parameter changes have on the underlying chemical structure.

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In this paper we present a comparison of aerogels which are dried under different conditions. Of those, most important are the solvent, temperature, and pressure. Criteria of comparison rely mostly on results from analysis of nitrogen adsorption experiments, as well as transmission electron microscopy imaging. Platinum loaded indium oxide aerogels were picked as a model system for this study as they can be used as highly effective heterogeneous catalysts in methanol steam reforming. The compared drying methods include supercritical drying from CO2, supercritical CO2 - ethanol mixture, freeze drying from tert-butanol and ambient conditions drying from acetone and 1-Methoxyheptafluoropropane. High porosities and large specific surface areas can be achieved via supercritical, freeze- and ambient conditions drying, while retaining the original gel morphology in this system for most methods except freeze drying and ambient conditions drying from acetone.

A new type of organometallic polymer networks with a covalent structure of cross-linked substituted polyacetylenes containing Cu2+ or Pd2+ ions (5 to 17 wt%) has been developed. The metal ions were complexed in the networks predominantly with two N-salicylideneaniline ligands covalently bound to two different network monomeric units. Due to the chosen method of complexation, the metal ions have actively participated (as knots of the network) in the formation of cross-linked architecture of the products. For the preparation of organometallic networks two independent methods were used: (i) the direct polymerization of organometallic monomers and (ii) the two-stage method using postpolymerization introduction of metal ions into polyacetylene polymers containing covalently bound N-salicylideneaniline proligands. The starting low-molecular-weight blocks used for the network synthesis were new substances prepared within the framework of the diploma thesis, namely monomers of the mono- and diethynylated N-salicylideneanilines type and diethynylated organometallic monomers in which two molecules of a monoethynylated N-salicylideneaniline complexed one Mt2+ ion. The ethynylated monomers were polymerized to organometallic networks or precursors of these networks via chain-growth coordination polymerization,...

A study was conducted to evaluate the properties and processes influencing the rate and magnitude of volume decrease and strength gain for oil sand fine tailings resulting from a change in bitumen extraction process (caustic versus non-caustic) and the effect of adding a coagulant to caustic fine tailings. Laboratory flume deposition tests were carried out with the objective to hydraulically deposit oil sand tailings and compare the effects of extraction processes on the nature of beach deposits in terms of geometry, particle size distribution, and density. A good correlation exists between flume deposition tests results using oil sand tailings and the various other tailings materials. These comparisons show the reliability and effectiveness of flume deposition tests in terms of establishing general relationships and can serve as a guide to predict beach slopes. Fine tailings were collected from the various flume tests and a comprehensive description of physical and chemical characteristics of the different fine tailings was carried out. The characteristics of the fine tailings is presented in terms of index properties, mineralogy, specific surface area, water chemistry, liquid limits, particle size distribution and structure. The influence of these fundamental properties on the compressibility, hydraulic conductivity and shear strength properties of the fine tailings was assessed. Fourteen two meter and one meter high standpipe tests were instrumented to monitor the rate and magnitude of self-weight consolidation of the different fine tailings materials. Consolidation tests using slurry consolidometers were carried out to determine consolidation properties, namely compressibility and hydraulic conductivity, as well as the effect of adding a coagulant (calcium sulphate [CaSO4]) to caustic fine tailings. The thixotropic strength of the fine tailings was examined by measuring shear strength over time using a vane shear apparatus. A difference in water chemistry during bitumen extraction was concluded to be the cause of substantial differences in particle size distributions and degree of dispersion of the comparable caustic and non-caustic fine tailings. The degree of dispersion was consistent with predictions for dispersed clays established by the sodium adsorption ratio (SAR) values for these materials. The biggest advantage of non-caustic fine tailings and treating caustic fine tailings with coagulant is an increased initial settlement rate and slightly increased hydraulic conductivity at higher void ratios. Thereafter, compressibility and hydraulic conductivity are governed by effective stress. The chemical characteristics of fine tailings (water chemistry, degree of dispersion) do not have a significant impact on their compressibility behaviour and have only a small influence at high void ratio (low effective stress). Fine tailings from a caustic based extraction process had relatively higher shear strengths than comparable non-caustic fine tailings at equivalent void ratios. However, shear strength differences were small and the overall impact on consolidation behaviour, which also depends on compressibility and hydraulic conductivity, is not expected to be significant.

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In dieser interdisziplinär geprägten Arbeit wird zunächst eine Übersicht über kugelbasierte Modelle und die algorithmischen Ansätze zur Generierung zufälliger Kugelpackungen gegeben. Ein Algorithmus aus der Gruppe der Kollektiven-Umordnungs-Algorithmen -- der Force-Biased-Algorithmus -- wird ausführlich erläutert und untersucht. Dabei werden die für den Force-Biased-Algorithmus als essenziell geltenden Verschiebungsfunktionen bezüglich ihres Einflusses auf den erreichbaren Volumenanteil der Packungen untersucht. Nicht nur aus der Literatur bekannte, sondern auch neu entwickelte Verschiebungsfunktionen werden hierbei betrachtet. Daran anschließend werden Empfehlungen zur Auswahl geeigneter Verschiebungsfunktionen gegeben. Einige mit dem Force-Biased-Algorithmus generierte Kugelpackungen, zum Beispiel hochdichte monodisperse Packungen, lassen den Schluss zu, dass insbesondere strukturelle Umbildungsvorgänge an solchen Packungen sehr gut zu untersuchen sind. Aus diesem Grund besitzt das Modell der mit dem Force-Biased-Algorithmus dicht gepackten harten Kugeln große Bedeutung in der Materialwissenschaft, insbesondere in der Strukturforschung. In einem weiteren Kapitel werden wichtige Kenngrößen kugelbasierter Modelle erläutert, wie z. B. spezifische Oberfläche, Volumenanteil und die Kontaktverteilungsfunktionen. Für einige besonders anwendungsrelevante Kenngrößen (z. B. die spezifische Oberfläche) werden Näherungsformeln entwickelt, an Modellsystemen untersucht und mit bekannten Näherungen aus der Literatur verglichen. Zur Generierung und Analyse der Kugelpackungen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Simulationssoftware „SpherePack“ entwickelt, deren Aufbau unter dem Aspekt des Softwareengineerings betrachtet wird. Die Anforderungen an dieses Simulationssystem sowie dessen Architektur werden hier beschrieben, einschließlich der Erläuterung einzelner Berechnungsmodule. An ausgewählten praxisnahen Beispielen aus der Materialwissenschaft kann die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten eines Simulationssystems zur Generierung und Analyse von zufälligen dicht gepackten Kugelsystemen gezeigt werden. Vor allem die hohe Aussagekraft der Untersuchungen in Bezug auf Materialeigenschaften unterstreicht die Bedeutung des Modells zufällig dicht gepackter harter Kugeln in der Materialforschung und verwandten Forschungsgebieten.

Literature does not provide a satisfactory answer to maximum and minimum particle size or the particle size of the mortar phase especially for optimal porosity of concrete. To overcome the shortcomings of the design methods were thought to design a new method for design of concrete mix. This idea is based on a complex analysis of powder materials (determination of granular properties, shape factor of fillers, porosity, packing of powder materials, surface area, etc.) and subsequently to assess the influence to pore system of concrete and physical and mechanical properties in hardened state of concrete. In this work are presented and analyzed two types of fillers – fly ash and limestone dust.

The modern, contemporarily used cement composite types make use of various additives. This diploma thesis is focused on designs of mortars that have been enriched with micro and nano additives, which lead to higher mechanical strength through optimized grading of mortar mixes. This thesis also evaluates the influence of material properties on resulting properties of mortars in fresh and hardened state.