Wachstum und Porosität von C-S-H Phasen, Weiterentwicklung des `Sheet Growth Models` und Kopplung mit experimentellen Ergebnissen (1H NMR, REM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig; Professor Dr. Jürgen Neubauer
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 344069666

Um die Eigenschaften und Leistungsfähigkeit von Betonen verstehen zu können, wird ein grundlegendes Verständnis der Mikrostruktur sowie der Wachstumsprozesse von Calcium-Silikat-Hydraten (C-S-H), den Hauptprodukten der Zementhydratation, benötigt.Verbesserte experimentelle Nachweise und die parallele Entwicklung hochauflösender Modelle ermöglichen es, strukturelle Veränderungen zu simulieren und ihre Auswirkungen auf die makroskopischen Eigenschaften von Beton (Schwinden, Festigkeit, Dauerhaftigkeit usw.) zu bewerten.Im vorhergehenden Teil des Projekts wurde die Bildung von C-S-H Phasen durch hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie (REM), Protonen-Kernresonanzspektroskopie (1H-NMR), Röntgenbeugungsanalyse (XRD) und Quecksilber-Hochdruckporosimetrie (MIP) analysiert. Diese experimentellen Ergebnisse wurden zur Weiterentwicklung des mikrostrukturellen ‚Sheet Growth‘ Modells und zur Abstimmung der Modellparameter verwendet. Dieser Ansatz ermöglichte es, das Wachstum von C-S-H-Phasen so zu simulieren, dass mit den mikrostrukturellen Befunden (REM, 1H NMR) auf einer Skala von 0,5 bis 500nm in hohem Maße korreliert. Im erweiterten Projekt wird die Modellierung auf den Erkenntnissen aus dem vorherigen Projekt basieren. Unser Modell wird auf andere unhydratisierte (Alit und Belit) und hydratisierte Phasen (inneres und äußeres C-S-H, CH) ausgedehnt. Im weiteren Verlauf werden wir die Morphologie und Dichte der Hydrate an die realen Strukturen anpassen und den modellierten Bereich deutlich erweitern. Dies wird durch eine Kombination des 'Sheet Growth' Modells mit dem 'Level-Set' Ansatz erreicht. Der 'Level-Set' Ansatz ist in der Lage, zeitabhängig mehrphasige Transformationen zu simulieren. Die Modelle werden verwendet, um die Entwicklung von Poren, Strukturen und der räumlichen Phasenverteilung in einem Maßstab von 0,5 nm bis 1000 µm dreidimensional zu beschreiben. Zur Vervollständigung dieser Studie wird das Modellergebnis verifiziert und die Parameter werden mit den folgenden experimentellen Daten kalibriert.Nanotomographische Untersuchungen mittel Röntgenstrahlen und im REM mit ‚Focused Ion Beam‘ (FIB) Technik werden die Porosität und Volumenentwicklung der Phasen dreidimensional und zeitabhängig darstellen. Die Kombination dieser Techniken mit der 1H-NMR Spektroskopie und der Niedertemperatur-Differential-Scanning-Kalorimetrie an nassen und getrockneten Proben wird es uns ermöglichen, die Entwicklung der Porengrößenverteilung über den gesamten Maßstab und die Wassersättigung im Bereich von Kapillar- und größeren Poren zu bewerten. Diese Daten werden direkt genutzt um die Modellierung realitätsnah zu gestalten. Im Ausblick kann das so erhaltene Modell die Möglichkeit bieten Kennwerte (Schwinden, Kriechen, Durchlässigkeit) von Betonen vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Peter McDonald; Dr. Luiz F.G Morales