Aufklärung dauerhaftigkeitsrelevanter Transportphänomene in Beton durch Optimierung der ortsaufgelösten mikrochemischen Analyse mit Laserablations-ICP-MS

• Antragsteller: Dr. Harald Hilbig
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380933988

In fast allen Einsatzbereichen von Betonbauteilen bestimmt der Transport von Stoffen, wie z.B. CO2, Chloriden oder Säuren, über das Porengefüge ins Betoninnere und die dortigen chemischen und physikalischen Vorgänge die Lebensdauer des Bauteils. Transportvorgänge im Porengefüge von Betonbauteilen in Kontakt mit Wasser steuern auch die Freisetzung von umweltrelevanten Stoffen wie Schwermetallen. In allen Fällen spielt die Übergangszone (Interfacial Transition Zone ITZ) zwischen den Gesteinskörnern und der Bindemittelmatrix eine zentrale Rolle. Um den Einfluss der Gesteinskörnungen und der ITZ auf Transportvorgänge und damit auf die Dauerhaftigkeit des Betons im Einsatz zu verstehen, sind genaue Kenntnisse der Verteilung von Stoffen in der ITZ, der Zementsteinmatrix und auch den Gesteinskörnern erforderlich.Die Laserablation gekoppelt mit Massenspektroskopie LA-ICP-MS, ist eine Messmethode mit großem Potential in Bezug auf ortsaufgelöste Flächen- und Tiefenprofilanalysen von Elementverteilungen in und auf Bauwerkstoffen. Allerdings wurde die Verwertbarkeit der Ergebnisse bisheriger Anwendungen an Betonen immer wieder dadurch limitiert, dass eine ausreichend genaue Quantifizierung nicht erreicht wurde. Die Ursache liegt in dem, sowohl im Mikro- als auch im Makromaßstab, komplex zusammengesetzten Probenmaterial. Im ersten Förderabschnitt des Forschungsvorhabens stand daher die Optimierung der LA-ICP-MS für Anwendungen an Beton im Fokus. Aufgrund der Komplexität der Betonzusammensetzung mit unterschiedlich harten Bestandteilen aus verschiedenen, z.T. polymineralischen Gesteinskörnungen und Zementstein war es nötig, neue Auswertestrategien zu entwickeln, um eine quantitative Erfassung der wesentlichen Elemente vor allem im Übergangsbereich zwischen Zementstein und Gesteinskörnung zu erreichen. Die Fortsetzung der Arbeit konzentriert sich nun nach erfolgreicher Methodenoptimierung auf die Untersuchung der Übergangszone und deren Einfluss auf Transportphänomene. Dabei sollen Presslinge aus Gemischen aus gemahlenem Zementstein und Gesteinsscheiben oder Gesteinskörnungen, d.h. idealisierten "Betonen" ohne Übergangszonen, und Proben, bei denen durch reguläres Abbinden des Zements im Kontakt mit Gesteinsscheiben, -würfeln bzw. -körnungen Übergangszonen entstanden sind, untersucht werden. Die vorgesehenen Probenzusammensetzungen sollen ein breites Spektrum an möglichen Elementzusammensetzungen der Zementsteinmatrix abdecken und Aussagen zum Einfluss von ausgesuchten Zusatzstoffen auf die Übergangszone ermöglichen. Durch Saugversuche soll die Rolle der Übergangszone für den Transport näher betrachtet werden.Durch die optimierte LA-ICP-MS mit der verbesserten quantitativen Bestimmung von Elementverteilungen in der Bindemittelmatrix und ITZ kann der Einfluss des Gefüges auf die Festigkeit des Betons und den Transport von Schadstoffen und damit die Dauerhaftigkeit des Betons viel besser quantifiziert und damit verstanden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Detlef Heinz