Kleinwinkel-Röntgenstreuungs-System (SAXS)
Final Report Abstract
Zur Herstellung von Beton oder Mörtel wird Zement mit Wasser vermengt und bildet in einer chemischen Reaktion sog. Calcium-Silikat-Hydrat-Gel (CSH-Gel), das dem Werkstoff seine Festigkeit verleiht. Auf der Mikrostrukturebene besteht dieses Gel aus nanoskaligen CSH-Partikeln, die über Oberflächenkräfte miteinander interagieren und mehr oder minder dicht gepackte Agglomerate bilden. Zur Erkundung dieser strukturbildenden Prozesse bedarf es Methoden, die eine entsprechende räumliche Auflösung ermöglichen, und gleichzeitig die Veränderungen in der Struktur des Werkstoffs zu erfassen vermögen. Mittels des beschafften Kleinwinkel-Röntgenstreuungs-Systems (SAXS) wurden hierzu Messungen an erhärtendem Zementleim zur Beschreibung der Strukturbildungsprozesse während der chemischen Hydratation durchgeführt. Weiterhin wurde mit diesem Gerät an bereits erhärtetem Zementstein untersucht, wie sich eine mechanische Belastung auf dessen Mikrostruktur auswirkt. Der Schwerpunkt der Arbeiten zur Zementhydratation lag auf Untersuchungen zur Hydratation von Portlandzement im frühen Alter. Insbesondere wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die mittels der SAXS-Methode beobachteten Strukturveränderungen im Skalenbereich zwischen ca. 3 nm und ca. 5 nm mit Ergebnissen aus kalorimetrischen bzw. rheologischen Untersuchungen vergleichbar sind. Hierbei zeigte sich, dass die beobachteten Veränderungen in der Rheologie frischer Portlandzementsuspensionen im Zeitraum zwischen 0 h bis ca. 2 h scheinbar unabhängig von der Bildung neuer nanoskaliger Hydratationsprodukte sind. Ein signifikanter Anstieg der mittels der SAXS-Methode ermittelten Porod-Konstante ab einem Zeitpunkt von ca. 2 h belegt jedoch, dass das Erstarren des Zementgels eindeutig auf die massenhafte Bildung nanoskaliger CSH-Phasen zurückzuführen ist. Auch konnte mittels der SAXS-Methode der Eintritt von Keimbildungsprozessen und damit das Einsetzen der Strukturbildung eindeutig nachgewiesen und zeitlich den Ergebnissen der kalorimetrischen Messungen zugeordnet werden. Weiteren Aufschluss lieferten Messungen, bei denen gezielt nanoskalige amorphe Silikapartikel als Keimbildner zugegeben wurden. Mittels Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur auf die Veränderung der Porod-Konstante konnte aus den SAXS-Daten die diesen Prozessen zugrundeliegende Aktivierungsenergie EA abgeleitet und in Bezug zu Ergebnissen aus rheologischen und kalorimetrischen Messungen gesetzt werden. Hierbei zeigte sich, dass die in den rheologischen Messungen ermittelte Aktivierungsenergie deutlich größer ist als die im SAXS-Versuch und im Kalorimeterversuch ermittelte Aktivierungsenergie. Der Schwerpunkt der Untersuchungen an erhärtetem Zementstein lag zunächst auf SAXS-Messungen zum Einfluss unterschiedlicher Trocknungsmethoden auf die Porenstruktur und innere Oberfläche. Die SAXS-Ergebnisse wurden dabei mit Ergebnissen anderer Untersuchungsmethoden verglichen. Hierbei zeigte sich, dass für Strukturen mit einer Größe zwischen ca. 3 nm und 70 nm die als schonend bekannte Trocknung mittels Lösungsmittelaustausch durch Isopropanol eine größere Veränderung der Mikrostruktur bewirkt, als eine Ofentrocknung bei 105 °C. Mittels einer selbst entwickelten Belastungseinrichtung konnte weiterhin die innere Oberfläche von Zementsteinproben unter konstanter Dauerlast in guter Zeitauflösung durch SAXS-Messungen bestimmt werden. Getrocknete Proben zeigten ein ähnliches Verhalten wie unbelastete Referenzproben, während bei ungetrockneten Proben im Vergleich zu Referenzproben eine Zunahme der inneren Oberfläche während der Belastungsphase ermittelt wurde. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auch, dass sich der Effekt der mechanischen Kriechbelastung sich auf die unterschiedlichen Strukturen im Zementstein unterschiedlich stark auswirkt. Insbesondere ist für Strukturen mit einer Größe zwischen 10 nm und 50 nm eine signifikante Zunahme der Streuwirkung mit zunehmender Zeit bei gleichzeitiger mechanischer Belastung zu beobachten. Für eine schlüssige Interpretation dieser interessanten Erkenntnisse, insbesondere im Hinblick auf die angestrebte Modellbildung, reichen die bisher gewonnenen ersten Daten jedoch bei Weitem nicht aus.
