Lasermessung des Trocknungsschwinden von Zementstein und zementgebundenen Materialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden das Trocknungsschwinden von Zementstein sowie einige weitere ausgewählte hygrische Eigenschaften experimentell untersucht und bezüglich der vorherrschenden Vorgänge und Mechanismen auf der Nano- und Mikroebene wie Oberflächenenergie, Spaltdruck und Kapillarwirkung analysiert. Das Schwindverhalten wurde mit einem neu entwickelten, lasergestützten Messprinzip bestimmt, welches die zügige, präzise Messung des reinen Materialverhaltens mehrerer filigraner Proben mit einer Auflösung von etwa 20 nm erlaubt. Weitere – vorwiegend neuartige – Methoden wurden zur Ermittlung des Sorptionverhaltens, der Volumen- und Dichteänderung, des statischen Elastizitätsmoduls sowie der Dichte und Schmelzenthalpie der Porenlösung angewandt. Durch Analyse und Kombination der einzelnen Messdaten wurden neue Erkenntnisse gewonnen, welche in der Vergangenheit formulierte Theorien in Teilen bestätigen, in anderen Teilen allerdings widerlegen. Ein enger Zusammenhang zwischen dem Wassergehalt der Struktur und den untersuchten Eigenschaften, mit einer äußerst geringen Hysterese zwischen Trocknung und Befeuchtung, sowie der Einfluss der Kapillarkondensation wurden nachgewiesen. So ließen sich im Bereich von 0 % r. F. bis 100 % r. F., getrennt nach De- und Adsorption, verschiedene Teilabschnitte mit jeweils anderen dominierenden Mechanismen finden. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Schwind- und Quellverformungen im unteren Feuchtebereich zur Änderung der Oberflächenenergie zwar proportional verhalten, eine Energieabnahme während der Adsorption aber nicht wie bisher angenommen zu einer Expansion, sondern zu einer Kontraktion der CSH-Partikel führt, während gleichzeitig der Porenraum wächst (und umgekehrt während der Desorption). Daher ist der Einfluss der Oberflächenenergie der dispersiven Spaltdruckkomponente, welche die unteren Feuchtebereiche beherrscht, zuzuordnen, wogegen im Bereich der Kondensation die repulsiven Spaltdruckanteile und die Kapillarspannungen die Vorgänge im Zementstein dominieren. Hier herrscht entsprechend ein ausgeprägt linearer Zusammenhang zwischen der hygrischen Verformung und dem Wassergehalt. Dichte und Schmelzenthalpie der Porenlösung weichen dabei von den makroskopischen Eigenschaften deutlich ab und bestätigen die Strukturierung des Wassers infolge von Oberflächenwechselwirkungen. Durch Variation des Wasserzementwertes konnte darüber hinaus ein signifikanter Einfluss der Mischungszusammensetzung auf die hygrischen Eigenschaften der untersuchten Proben nachgewiesen werden. Das neue Modell des Zementgels als Feststoff-Porenwassersystem basiert auf diesen Forschungsergebnissen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Duckheim, C. (2008): Hygrische Eigenschaften des Zementsteins. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, Göttingen: Cuvillier-Verlag
- Duckheim, C.; Setzer, M. J. (2006): Ein lasergestütztes Messverfahren zur Ermittlung des Trocknungsschwindens von Zementstein. In: Tagungsbericht der 16. Internationalen Baustofftagung "ibausil", Bd. 1. Weimar: FIB Bauhausuniversität, S. 241-248
- Duckheim, C.; Setzer, M. J. (2007): Hygric Properties of Hardened Cement Paste. In: Proceedings of 5th International Essen Workshop TRANSCON 07 on Transport in Concrete: Nano- to Macrostructure. Freiburg: Aedificatio Publishers, S. 217-226
- Duckheim, C.; Setzer, M. J. (voraussichtlich 2008): Drying Shrinkage Mechanisms of Hardened Cement Paste. In: Proceedings of 8th International Conference on Creep, Shrinkage and Durability of Concrete and Concrete Structures CONCREEP8, Japan
- Setzer, M. J.; Duckheim, C.; Liebrecht, A.; Kruschwitz, J. (2006): The Solid- Liquid Gel-System of Hardened Cement Paste. In: Proceedings of the 2nd International RILEM Symposium on Advances in Concrete through Science and Engineering. Quebec, RILEM Publications
