Micromechanical modeling of drying shrinkage of cement based on pore size distribution and on capillary forces
Final Report Abstract
In diesem Fortsetzungsprojekt sollte das Schwinden und Quellen von Zementstein infolge der Änderung der relativen Luftfeuchte auf der Basis der durch Wasseradsorption und -desorption im Porensystem auftretenden Kräfte mikromechanisch modelliert und experimentell verifiziert werden. Von besonderer Bedeutung sind die sowohl in den Sorptionsisothermen als auch den Quellungs- und Schwindungsisothermen für verschiedene Sorten von Zementstein auftretenden Hystereseeffekte, die vor allem im Niedrigfeuchtebereich einer physikalischen Erklärung bedürfen. Dazu wurden Zementsteine verschiedener Zusammensetzung unter unterschiedlichen Temperatur- und Lagerungs-Bedingungen hergestellt (Portlandzement, Tonerdezement, Hochofenzement). Die Zementsteine wurden durch Porengrößenverteilung im Meso- und Makroporenbereich sowie durch den Elastizitätsmodul experimentell charakterisiert und die zugehörigen Wasserdampfsorptionsisothermen und Quellungs-/Schwindungsisothermen bestimmt. Insgesamt ergaben sich folgende wichtigen Ergebnisse: Die aus N2-Sorption und Quecksilberdruckporosimetrie bestimmte Porengrößenverteilung hängt stark von der Probentrocknung ab. Je schonender das Verfahren (in unserem Fall Aceton-Austausch mit 30°C Trocknung), desto deutlicher können kleine Mesoporen erkannt und nachgewiesen werden. - Hinweise auf Mikroporen ergeben sich nur aus der in der Wasserdampfsorption auftretenden Niederdruckhysterese. Diese Hysterese trat nur bei Zementsteinen auf, die nicht im Autoklav gehärtet wurden und sie ist vom Tonerdezement über Portlandzement zum Hochofenzement zunehmend deutlicher ausgeprägt. Da im Niederdruckbereich sehr enge Poren der C-S-H-Matrix Wasser innerhalb bzw. zwischen den Schichten („interlayer“ bzw. „intralayer“) abgeben und aufnehmen, kann man daraus schließen, in welcher Weise die Struktur der Hydratphasen das Adsorptionsverhalten beeinflusst. - Das Auftreten der Niederdruckhysterese kann mit Resultaten aus den im Projekt entwickelten theoretischen Modellrechnungen erklärt werden. - Eine Hysterese der Volumenänderung bei Wasseraufnahme und Wasserabgabe kann auch in Schwindbzw. Quellmessungen nach Exsikkator-Lagerung nachgewiesen werden. Allerdings wurde dieser Effekt erst klar sichtbar und quantifizierbar, nachdem eine sehr empfindliche optische Schwindmessung entwickelt worden war. Für die Ermittlung der Quellungs-/Schwindungsisothermen wurde eine neuartige optische Messapparatur entwickelt und eingesetzt, die es gestattet, unter konstanter Temperatur Längenänderungen während der Gleichgewichtseinstellung bei veränderter relativer Luftfeuchte an kleinen Proben zuverlässig und relativ schnell zu messen. Durch die Verwendung einfacher und kostengünstiger Mikroskopoptiken im Prototyp konnte bereits eine ausreichend genaue Bestimmung sehr kleiner Längenunterschiede erzielt werden. Durch Verwendung hochwertiger Optiken ließe sich die Messgenauigkeit aufgrund des niedrigeren Bildrauschens und der höheren Bildschärfe und -kontraste noch einmal signifikant steigern. Da sich die Methode aufgrund ihres Prinzips für eine Vielzahl von Materialien eignet, ist eine Weiterentwicklung mit hochwertigen Komponenten geplant. Für die mikromechanische Modellierung wurde das im ersten Antragszeitraum entwickelte Modell der elastischen Antwort der Porengröße von Schlitzporen auf durch Adsorption bzw. Desorption von Wasser entstehende Kräfte quantitativ und qualitativ weiterentwickelt. Sowohl für Zementsteine, die Zwischenschichtwasser aufnehmen können, als auch für solche, die ausschließlich über Meso- und Makroporen verfügen, konnte gezeigt werden, dass die entwickelten physikalisch basierten Sorptionsmodelle die Vielfalt des experimentell ermittelten Sorptions- und Quellungs-/Schwindungsverhaltens inklusive der auftretenden Hysterese abbilden und begründen können. Für die Ermittlung der in den Modellen einzusetzenden Kräfte wurden Monte-Carlo-Simulationen im großkanonischen Ensemble für die Modellierung der Adsorption von Wasser in Schlitzporen mit einer Schlitzhöhe zwischen 4 Å und 15 Å durchgeführt. Als Feststoffmodell diente eine Tobermoritstruktur, wobei das Kalzium/Silikat-Verhältnis variiert wurde. Die so ermittelten Kräfte entsprechen den in den analytisch-theoretischen Modellen angenommenen Werten. Weil im Zwischenschichtbereich die Porenhöhe und Wandrauigkeit von derselben Größenordnung wie die adsorbierten Moleküle, muss hier die Kontinuumstheorie der Adsorption durch eine molekulare Theorie ergänzt werden. Der Vergleich der theoretischen Modellierung mit den im Projekt gewonnenen experimentellen Daten zeigt eine exzellente Übereinstimmung für mehrere Zementsteinsorten.
Publications
- (2019) „Water Adsorption and Surface Forces in Microporous Materials” Okinawa-Colloids Conference 2019
H.-J. Mögel, M. Wahab, T. Bier, P. Schiller
- “Dislocation Model for Sorption Hysteresis in Deformable Solids”, Colloids and Surfaces A 513 (2017) 76
P. Schiller, M. Wahab, S. Waida, T. Bier, H.-J. Mögel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.10.045) - (2018) 20. Internationale Baustofftagung (IBAUSIL), Weimar, Deutschland, 09/2018
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- (2018) 6th International Conference on Autoclaved Aerated Concrete (ICAAC) – Potsdam (Deutschland), 04.09.2018 - 06.09.2018
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- (2018) Workshop: „Shrinkage Behavior, Microporous Structures and Rheology of Cement“, TU-Freiberg, 09/2018, (zusammen mit Akita University und Saitama University, Japan)
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- (2018) „International Seminar and Workshop on Modern Concrete Systems and their Applications” Lahore, Pakistan, 10/2018
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- (2018) „Surface Forces and Volume Change in Materials with Slit-Micropores”, IACIS Amsterdam 2018
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- (2018) „Swelling and shrinkage in cementitious materials”, 14. Workshop PoroTec, Niedernhausen, Deutschland, 11/2018
M. Wahab
- (2018) „Water Adsorption Induced Forces and Volume Change in Cementitious Materials with Slit-Micropores”, ECIS Ljubljana 2018
M. Wahab, T. Bier, P. Schiller, H.-J. Mögel
- (2018) „Water in Interlayers and Micropores in Hardened Cement Paste” PLMMP Kiev 2018
H.-J. Mögel, M. Wahab, T. Bier, P. Schiller
- “Low Pressure Hysteresis in Materials with Narrow Slit Pores”, Colloids and Interfaces 2 (2018) 62
P. Schiller, M. Wahab, T. Bier, H.-J. Mögel
(See online at https://doi.org/10.3390/colloids2040062) - (2019) „Surface Forces and Sorption Hysteresis in Nanoporous Materials” (2019) ECIS, Leuwen, Belgien, 2019
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P. Schiller, M. Wahab, T. Bier, H.-J. Mögel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.05.005) - (2021) „Short-term length change measurements and sorption isotherms for structural elucidation of the C-S-H matrix in cementitious materials“, 3rd International Conference on the Chemistry of the Construction Materials, Online Virtual Conference (GDCh und KIT Karlsruhe), 15.-17. 3. 2021
M. Wahab, P. Schiller, T. Bier, H.-J. Mögel
