Diffusionspotentiale in nicht gesättigten, porösen mineralischen Materialen – Fehler- und Informationsquelle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Gehlen
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276790461

In porösen Materialien wie beispielsweise zementgebundene Werkstoffen oder Böden stellen sich Gradienten in der chemischen Zusammensetzung der Porenlösung aufgrund von Umwelteinflüssen ein. Daraus können Diffusionspotentiale resultieren, die Werte von über 100 mV aufweisen können. Besonders Gradienten des pH-Wertes führen zu hohen Diffusionspotentialen.Diffusionspotentiale haben einen signifikanten Einfluss auf Potentialmessungen in Forschung und Praxis. Im ungünstigen Fall können Diffusionspotentiale zu einer Fehlinterpretation bei der Auswertung von Potentialmessungen führen. Momentan können Diffusionspotentiale nur in gesättigten, porösen mineralischen Materialien quantifiziert werden. Weiterhin sollen Untersuchungen zu Diffusionspotentialen in nicht gesättigten perm-selektiven Materialen durchgeführt werden.Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin, das Verständnis von Diffusionspotentialen in porösen mineralischen Materialien, insbesondere in zementgebundenen Stoffen und Böden aus Sand, signifikant zu erhöhen. Das Ziel ist, Diffusionspotentiale auf Basis von Materialeigenschaften und Umgebungsbedingungen vorhersagen zu können. Von besonderem Interesse sind das Eindringen von Chloriden sowie pH-Gradienten infolge von Carbonatisierung oder Auslaugung. Bisher wurden gesättigte Materialien betrachtet. Allerdings ist Beton in der Praxis gewöhnlich nicht gesättigt, sofern er sich nicht im Wasser befindet, und damit ist ein solcher Zustand von höherer Relevanz. Somit ist das Ziel, ein Berechnungswerkzeug für Diffusionspotentiale in nichtgesättigtem Beton zu entwickeln.Die Kombination von Messungen (TUM) mit numerischen Simulationen (ETHZ) stellt die Basis für die Entwicklung eines solchen Berechnungswerkzeugs dar. Messungen von Diffusionspotentialen werden durchgeführt. Die Charakterisierung (Porosität, Feuchtigkeitsgehalt) der untersuchten Materialen (Zementstein, Mörtel, Beton, Sand, Sandstein) erfolgt durch Quecksilberdruckporosimetrie, Kernspinresonanz-Relaxometrie und Elektrochemische Impedanzspektroskopie. Die Ionenkonzentrationsgradienten werden mit Methoden wie beispielsweise der Laserablation mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie bestimmt. Die korrespondierenden numerischen Simulationen basieren auf Poisson-Nernst-Planck-Gleichungen.Die Berechnung und Vorhersage von Diffusionspotentialen ist entscheidend, um eine angemessene Korrektur bei Potentialmessungen vornehmen zu können. Darüber hinaus kann ein verbessertes Verständnis der perm-selektiven Eigenschaften des Materials und deren Einfluss auf die Diffusionspotentiale auch dazu verwendet werden, um Informationen über die untersuchten Materialien aus der Messung von Diffusionspotentialen zu gewinnen. Bereiche des Ingenieurwesens sowie die Forschung werden von einem Berechnungstool für Diffusionspotentiale insbesondere bei Potentialmessungen, dem Korrosionsmonitoring und dem Kathodischen Korrosionsschutz profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ueli Michael Angst