Mikromechanische Modellierung des Trocknungsschwindens von Zementstein auf Basis der Porengrößenverteilung und der Kapillarkräfte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas A. Bier; Professor Dr. Hans-Jörg Mögel
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262927646

Trocknung, Schwinden und Quellen von Beton als Folge von Veränderungen der relativen Luftfeuchte beeinflussen seine Haltbarkeit und Belastungsfähigkeit. Auch bei niedriger Luftfeuchte ist Wasser in flüssigem Zustand in Mikroporen enthalten und als Zwischenschichtwasser in den C-S-H-Phasen eingelagert. Einige Sorten von Zementsteinen zeigen bereits bei sehr niedrigen relativen Feuchten eine ausgeprägte Hysterese sowohl für die Isothermen der Wasserdampfsorption als auch für die Volu-menänderung der Feststoffmatrix. Durch Vergleich des Verhaltens unterschiedlich behandelter und hergestellter Zementsteine aus Portland- und Tonerdezement konnten wir bestätigen, dass Hystereseeffekte im niedrigen Feuchtebereich an das Vorhandensein von Mikroporen gebunden sind. Es wurde von uns ein theoretisches Modell entwickelt, das erstmals die Hysterese der Wasserdampfsorption und ihren Zusammenhang mit der Hysterese des Quellens und Schwindens in diesem Bereich auf der Grundlage der Wassersorption in Mikroporen und von Zwischenschichtwasser erklären kann. Es ist in der Lage, sowohl wichtige topologische Muster derartiger Isothermen in Zusammenhang mit dem Mikroporenanteil wiederzugeben als auch den Unter-schied zwischen den Typen von Isothermen der Wasserdampf- und Stickstoff¬sorption für niedrige Partialdampfdrücke zu begründen. Eine Beschreibung experimenteller Sorptionsisothermen sowie des damit verbundenen Quellens und Schwindens von Zementstein im gesamten Feuchtebereich erfordert die gemeinsame Berücksichtigung von Mikro- und Mesoporen sowie eine verbesserte Modellierung der chemischen Besonderheiten der Porenwände in den verschiedenen Zementsteinen im Rahmen von Computersimulationen. Deshalb sollen im Fortset-zungsprojekt die von uns bereits entwickelten theoreti-schen Grundlagen des Sorptions- und Quel-lungs/Schwindungsmodells verbessert und verfeinert werden und die Beschreibung der zugehörigen Hystereseeffekte auf der Grundlage der Porengrößenverteilung vervollständigt werden. Es werden zusätzliche Zementsteine aus Hochofenzement mit unterschiedlichen Wasser-Zement-Werten und unterschiedlicher Aushärtungsbedingungen hergestellt und ihre Sorptionseigenschaften für Wasser und Stickstoff sowie das zugehörige Quel-lungs/Schwindungsverhalten als Funktion der relativen Feuchte gemessen. Die jeweilige Porengrößenverteilung wird durch Quecksilberhochdruckporosimetrie und Röntgenkleinwinkelstreuung bestimmt. Es werden Computersimulationen für die Wasserdampf¬sorption an einem verbesserten Zementmodell mit Schichtstruktur durchgeführt. Insbesondere soll die Auswirkung von Kalzium-Ionen auf die Kapillarkräfte im Zementstein untersucht werden. Hierbei sind die Kräfte (Wandspannungen) des Kondensates auf Wände von Mikroporen und die Adhäsionsenergie für die Wände der geschlossenen Poren zu bestimmen. Die Simulationsergebnisse liefern einen zusätzlichen Konsistenztest für das Modell der Wasser-dampfsorption und daraus resultierenden Volumenänderung in Zementsteinen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen