Behaviour of salts in porous systems - scanning electron microscopical investigations by means of cryo preparation techniqnes.
Final Report Abstract
Obwohl allgemein bekannt ist, dass Salze im Porenraum eines Materials während ihrer Phasenumwandlungsprozesse zu z.T. dramatischen Schädigungen des Mikrogefüges führen, sind die entscheidenden Mechanismen noch weitestgehend ungeklärt. Im Rahmen dieses Projektes sollten deshalb mit mikroskopischen Methoden die entscheidenden Phasen solcher Schädigungszyklen visualisiert werden. Zunächst konnte das Trocknen einer mit Salzlösung getränkten Probe mit den damit einhergehenden Phasenumwandlungen mikroskopisch dargestellt und mit den gemessenen Dehnungen in Einklang gebracht werden. Das aus der flüssigen Lösung bevorzugt an den Porenwänden auskristallisierende Hochhydrat des Magnesiumsulfats füllt die Poren gänzlich, bevor bei weiterer Austrocknung entlang der Kristallgrenzen während der Dehydratation Schrumpfrisse entstehen, die bei kompletter Trocknung des Systems eine mit nanometerfeinen Poren durchzogene Salzmasse hinterlässt. Ähnliche Effekte konnten auch beobachtet werden, wenn die Befeuchtung nicht durch Zugabe flüssigen Wassers bzw. Lösung erfolgte, sondern lediglich die Luftfeuchte verändert wurde. Die bei Überschreitung der Deliqueszenzfeuchten der einzelnen Hydratphasen des Magnesiumsulfats gemessenen Verformungen der Proben konnten mikroskopisch nachvollzogen werden. So konnte z.B. nachgewiesen werden, dass sich an der Oberfläche Lösungsfilme bildeten, die das Messsignal der Verformungsmessungen beim Projektpartner in Oldenburg soweit störten, dass keine Korrelation mehr möglich war. Schon bei geringen Luftfeuchten traten zudem Migrationsprozesse innerhalb der Proben auf, die zu unvermutet frühen Verformungen führten. Häufig gingen diese Effekte mit einer Verdichtung des oberflächennahen Porenraums der Proben einher. Die Handhabung der Versuchsführung zur erfolgreichen Darstellung der Porenlösungen und Hydratphasen mit Hilfe der Kryo-Fixierung und -Mikroskopie wurden im ersten Teil des Projektes erarbeitet. Auch die Frage der alternativen Probenpräparation mit Hilfe der Kryo-Trocknung konnte zu Gunsten der in-situ-Kryo- Mikroskopie beantwortet werden, weil die dabei eintretenden Verfälschungen der Vorgänge im Porenraum eine reale Abbildung der tatsächlichen Gegebenheiten verhindern. Das besondere Ziel dieses Paketprojektes, eine interdisziplinäre aufeinander aufbauende Untersuchungskette zu realisieren konnte voll und ganz erreicht werden. Die durch Dilatationsmessungen in Bochum integral über das gesamte Probenvolumen gemessenen Dehnungen konnten bei den laserinterferometrischen Verformungsmessungen in Oldenburg an der Oberfläche lateral aufgelöst nachvollzogen werden, wodurch eine gezielte Probennahme vor Ort möglich war, um die auslösenden Effekte elektronenmikroskopisch zu visualisieren. Durch die konsequente Kombination der im Gesamtprojekt verwendeten Untersuchungswege konnte erstmals eine gesicherte Korrelation zwischen Verformungs- und Dehnungsprozesse mit den Hydrations- und Lösungsprozessen der Salze formuliert werden.
