Quantification and Modelling of the Saturation Behaviour of Hardened Cement Paste During Frost Attack By Means of Innovative NMR Imaging
Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, die Wasseraufnahme von Zementstein bei einer gleichzeitigen Frost-Tauwechselbeanspruchung mit ausreichender Genauigkeit in räumlicher und zeitlicher Auflösung zu bestimmen. Dazu wurden für ein NMR-Tischgerät eigens Gradientspulen für die räumliche Auflösung und ein temperierbarer Probenkopf entwickelt. Aufgrund der schnellen Signalzerfälle mussten Festkörper-Messmethoden mit geeigneten Parametern eingesetzt werden. Trotz sehr umfänglicher Vorarbeiten waren hierzu im Rahmen des Projekts weitreichende Modifikationen am geplanten Versuchsaufbau erforderlich. Weiterhin mussten umfangreiche Arbeiten zur artefaktfreien Präparation der Proben, zur Kühlung der Proben etc. durchgeführt werden. Diese Arbeiten haben mehr Zeit in Anspruch genommen als im ursprünglichen Antrag geplant, konnten jedoch alle erfolgreich abgeschlossen werden. Die Ergebnisse zeigen sowohl bei kapillarem Saugen als auch bei Frostsaugen, wie sich das Wasser während des Eindringvorgangs räumlich verteilt und wie sich die Verteilung bei beiden Arten der Wasseraufnahme unterscheidet. Ein zentrales Ergebnis des hier beschriebenen Forschungsprojekts ist darin zu sehen, dass der frostinduzierte Wassertransportvorgang erstmals quantifiziert werden konnte und hiermit Rückschlüsse auf die physikalischen Mechanismen gezogen werden können. Eine zentrale Frage für zukünftige Arbeiten ist es, mittels der hier entwickelten Cryo-NMR-Techniken, den Gehalt gefrorenen und ungefrorenen Wassers getrennt zu erfassen sowie den Einfluss des Gefrierverhaltens auf die Rissbildung im Zementstein zu quantifizieren. Mit einem mathematischen Modell konnten die experimentellen Befunde wiedergegeben werden. Dabei wird in einem diffusiven Ansatz der Einfluss des Frostsaugens durch einen zusätzlichen Faktor berücksichtigt und die sättigungsbedingte Schädigung durch eine „Randverschiebung“ beschrieben. Die Charakterisierung des Porenraumes fand anhand von Messungen zu NMR-Zerfallszeitverteilungen statt. Bei der Bestimmung der Zerfallszeitverteilung aus den Messdaten handelt es sich um ein schwer lösbares inverses Problem. Im Rahmen des Projektes wurden für dieses Problem Fortschritte erzielt, indem erstmals eine Regularisierung über Serien von Summenhäufigkeiten durchgeführt wurde. Die Ergebnisse zeigen schon bei kapillarem Saugen einen Anstieg bei langen Zerfallszeiten, also einen Anstieg von Wasseranteilen, die im Mittel weiter von der Oberfläche entfernt sind. Dieser Anstieg ist bei Frostsaugen deutlich verstärkt. Die methodischen Neuerungen bei der Bestimmung von Zerfallszeitverteilungen sollen auch an anderweitig gemessen Daten angewandt werden und im Erfolgsfall gesondert publiziert werden, wozu schon ein erstes Treffen stattgefunden hat. Grundsätzlich sind auch die ortsaufgelösten Daten mit variabler Zerfallszeitkodierung aufgenommen worden, allerdings verhindert das niedrigere Signal-Rausch-Verhältnis hier möglicherweise eine Bestimmung von Zerfallszeitverteilungen. Das ist noch zu prüfen. Für nachfolgende Forschungsarbeiten wären Messungen an größeren Proben und an Mörtel von Interesse, auch die erst gegen Ende des Projektes belastbaren Untersuchungen von Zerfallszeitverteilungen wären weiter zu vertiefen. Auf der experimentellen Seite sollte das bewusst gewählte Konzept der einseitigen Kühlung aufgrund des zu großen Temperaturgradienten durch das einer allseitigen Flüssigtemperierung mit perfluoriertem Medium ersetzt werden. Um deutlich größere Proben untersuchen zu können, müsste allerdings ein anderes NMR-Gerät beschafft werden.
Publications
- Frost-attack on concrete – New findings on the mechanisms and prognosis of the degradation process; Tagungsbericht 19. Internationale Baustofftagung ibausil, Band 1, Weimar, F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, H.-M. Ludwig (Hrsg.), 2015, S. 253-264
Müller, H. S., Djuric, Z., Haist, M., Sester, J., Hardy, E. H.
- One-dimensional scanning of water transport in hardened cement paste during freeze-thaw attack by NMR imaging; Proceedings of the 4th Int. Conference Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting IV (ICCRRR2015), Leipzig, Dehn, F., Beushausen, H.-D., Alexander, M.G., Moyo, P. (Eds.), 2015, S. 17-24 (CD)
Djuric, Z., Haist, M., Müller, H.S., Sester, J., Hardy E.H.
- “1D Scanning of water transport in hardened cement paste by SPI”, P048, ICMRM 2015, München, Book of Abstracts
J. Sester, Z. Djuric, E. Hardy, M. Haist, H. S. Müller
- Quantification of water transport induced by cyclic freeze-thaw actions using NMR techniques. In: Proceedings of the 3rd International Conferences on Microstructure Related Durability of Cementitious Composites, Sun, W., van Breugel, K., Miao, C. W. (Hrsg.), Nanjing, China, 2016
Djuric, Z.; Haist, M.; Hardy, E. H.; Sester, J.; Radel, B.; Spinnler, V.; Müller, H. S.
