SPP 1122: Vorhersage des zeitlichen Verlaufs von physikalisch-technischen Schädigungsprozessen an mineralischen Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zielsetzung des beantragten Schwerpunktprogramms war es, rechnergestützte Prognoseverfahren für eine ausreichend genaue und realitätsnahe Vorhersage von Schädigungsprozessen an mineralischen Materialien zu entwickeln. Betroffene mineralische Materialien sind unterschiedliche Natursteine, Mauerwerks-Materialien wie zum Beispiel Ziegel sowie zementgebundene Mörtel und Betone. Baukeramische Produkte haben je nach Brenngrad einen unterschiedlich hohen glasig-amorphen, fast rein oxydischen Phasenbestand und besitzen daher gegenüber lösenden Angriff, zum Beispiel durch Säuren, eine relativ hohe Beständigkeit. Bei zementgebundenen Materialien, wo die Bindemittelmatrix durch Hydratation von zunächst wasserfreien Mineralphasen entsteht, ergeben sich wesentlich komplexere Wechselwirkungen zwischen dem eindiffundierenden oder durch kapillarer Wirkung hinein transportierten angreifenden Medium, zum Beispiel Säure oder Salzlösungen, und den Mineralphasen des Materials. Die bei der Korrosion von mineralischen Materialien relevantenTeilprozesse ließen sich nach dem Kenntnisstand zu Beginn des Schwerpunktprogramms wie folgt ordnen: Angemessene Modellierung der Mikrostruktur des betreffenden Materials - Erfassung und problemorientierte Beschreibung der physikalischen und chemischen Randbedingungen. - Wirklichkeitsnahe Modellierung des Wärme-, Fluid/Gas- und Stofftransports im Porensystem des Materials in Abhängigkeit der durch Lösungs- und Ablagerungsvorgänge veränderten Transportmöglichkeiten. - Quantitative Erfassung der dynamischen Lösungs- und stofflichen Neubildungsvorgänge innerhalb des porösen Materials unter Berücksichtigung der unterschiedlichen mineralischen Phasen und deren Zustände und - Definition und quantitative Erfassung bzw. Modellierung eines Grenzzustandes der Nutzbarkeit des Materials, in der Regel der Zustand des Verlustes der Kohäsion bzw. der Überschreitung der (Zug-)Festigkeit infolge von Quellprozessen oder inneren Drücken aus Phasenumwandlungen. Zuverlässige Vorhersageverfahren müssen nach dem aktuellen Stand diese Teilprozesse physikalisch und chemisch zutreffend berücksichtigen und sie so verknüpfen, dass die schädlichen Wirkungen richtig simuliert werden. Die Erarbeitung von Computerprogramm-Modulen mit leistungsfähigen Lösungs-Algorithmen war erforderlich. Alle Aspekte wurden im Rahmen des Schwerpunkts behandelt, in welchem sich Naturwissenschaftler, Ingenieure und Mathematiker zusammengefunden haben. Von diesen wurden einerseits ausgewählte Teilprozesse vertiefend untersucht und modelliert, andererseits das Ziel verfolgt, einen gesamten Korrosionsprozess physikalisch und thermodynamisch korrekt zu beschreiben und in Computerprogramm-Modulen abzubilden. Arbeitsschwerpunkte waren dabei die möglichst wirklichkeitsnahe Modellierung der Material-Mikrostruktur und der Transportprozesse in porösen Materialien, der Transport und das Lösungs- und Kristallisationsverhalten von Salzen in porösen Materialien sowie die Modellierung der Material-Degradation bei Einwirkung chemischer Angriffe und Frost. Eindrucksvolle Erfolge wurden erzielt bei der Mikrostruktursimulation, der thermodynamischen Beschreibung des Verhaltens von Salzen und Salzlösungen in porösen Strukturen sowie der Aufklärung komplexer Feuchte- und Salz-Transportprozesse in zementgebundenen Materialien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Simulation of Time Dependent Degradation on Porous Materials“. Cuvillier Verlag, Göttingen, 2009
L. Franke, G. Deckelmann und R. Espinosa-Marzal (Eds.)
