Baustofflehre Theoretische Baustofflehre 1

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1 Baustofflehre Theoretische Baustofflehre 1 Thomas A. BIER Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, Freiberg, Baustofflehre 2010

2 Überblick Bindungen Struktur Hydratation, Formgebung, Filmbild Mikrostruktur, Porenstruktur Rheologie Bruchmechanik Aktuelle Entwicklungen Baustofflehre 2010

3 Grob- (Gefüge) und Feinstruktur Makro- und Mikrostrukur

4 Grobstruktur und Feinstruktur Makro- und Mikrostrukur

5 Grundprinzip Mikrostruktur

6 Mikrostruktur

7 Mikrostruktur

8 Bindungsarten

9 Ionenbindung

10 Metallbindung

11 Kovalente Bindung

12 Molekulare Bindungen

13 Gemischte Bindungen

14 Bindungsenergie und Atomabstand

15 Bindungsenergie und Atomabstand (2)

16 Bindungsenergie und Festigkeit

17 Bindungsenergie und E - Modul

18 Bindungsenergie und Leitfähigkeit

19 Zusammenfassung Bindungsenergie

20 Beispiel: Siedepunkt E-Modul

21 Beispiel: Siedepunkt Temperaturausdehnung

22 Kugelpackungen

23 Dichteste Packungen

24 Kristallstrukturen

25 Kristallstrukturen

26 Eigenschaften und Kristallstrukturen

27 Amorphe Werkstoffe

28 Thermoplaste

29 Elastomere

30 Duroplaste

31 Eigenschaften und Vernetzungsgrad

32 Polymerdispersionen

33 Sole und Gele

34 Oberflächenspannung

35 Herstellung von Werkstoffen

36 Mischbarkeit

37 Vollständige Mischbarkeit

38 Vollständige Unmischbarkeit

39 Beschränkte Mischbarkeit

40 Hydratationskreislauf Die Zementhydrate sind schwerer löslich als die Zementphasen ( CA und C12A7) Wasser Zement Untersättigte Lösung In Lösung Gesättigte Lösung = = Gesättigte Lösung Ausfällung von Hydraten Übersättigte Lösung Keimbildung Hydratphasen Baustofflehre 2010

41 Hydratation und Wells Kurven Ionenkonzentration [Ca 2+ ] [Al(OH) 4- ] A B Lösungsphase Induktionsperiode B Massive Hydratphasenbildung C Zeit Baustofflehre 2010

42 Löslichkeitskurven

43 Meßmethoden zur Charakterisierung der Hydratationskinetik Leitfähigkeit Zeit Lösungsphase Induktions periode Massive Hydratphasenbildung Wärmefluß Zeit Baustofflehre 2010

44 Versuchsaufbau der Leitfähigkeitsmessung Rührer Zement in Suspension Leitfähigkeitssonde Kühlkreislauf Leitfähigkeitsmeßgerät Doppelwandbecher Kühlkreislauf Baustofflehre 2010

45 Quelle: Richards/Locher Baustofflehre 2010

46 General Model for Build-up of Microstructure Intrinsic Strength Porosity IV III Massive Hydration W/C Ratio I II Solubility Particle Particle Interaction Nucleation Growth of hydrates Baustofflehre 2010

47 Dispersion Formgebung und Hydratation Zuschläge Beton Füller Zement Wasser Zusatzmittel Binder Ausbreitmaß = f(t) RHEOMETER CALORIMETER Ausbreitmaß Verarbeitungszeit WT Lösung Hydratation Pi Pm Time Drehmoment = F(T) Wärmefluß= F(T) Baustofflehre 2010 Verzögerung

48 Formgebung

49 Gefüge

50 Methoden der Formgebung

51 Kaltverformumg

52 Glühen

53 Glühen

54 Diffusion und Sintern

55 Filmbildung Filmbildung aus Latex-Dispersionen Aus Umweltschutz- aber auch Kostengründen wurde in den vergangenen 30 Jahren zunehmend auf organische Lösungsmittel in Farben und Lacken verzichtet. Eine rein wasserbasierte Farbe, wie man sie heute in jedem Baumarkt kaufen kann, funktioniert nach dem Prinzip der Filmbildung aus Latexdispersionen. Es wird allgemein angenommen, dass dieser Vorgang in die folgenden vier Schritte aufgeteilt werden kann: 1. Schritt: Verdampfen von Wasser und somit Aufkonzentrieren der Polymerpartikel. Diese bilden eine dichteste Packung. 2. Schritt: Für Temperaturen oberhalb der minimalen Filmbildungstemperatur (MFT, i.a. ähnlich der Glasübergangstemperatur des Polymer) werden die Teilchen nun deformiert. Baustofflehre 2010

56 Filmbildung 3. Schritt: Es kommt nun zum Aufbrechen der aus hydrophilem Material (Tensid, Salze, Wasser) gebildeten Grenzflächen. 4. Schritt: Für Temperaturen oberhalb des Glasübergangs kommt es zur Interdiffusion der Polymermoleküle. Es bildet sich ein geschlossener, transparenter Film. Abhängig von den äusseren Bedingungen und der verwendeten Dispersion bleibt das hydrophile Material aus den Grenzflächen im trockenen Film eingeschlossen oder es wird an die Film/Luft- bzw. Film/Substrat-Grenzfläche ausgeschwitzt. Baustofflehre 2010

57 Filmbildung

58 Hohlräume in Beton

59 Poren in Mörtel und Beton

60 Klassifizierung von Poren

61 Klassifizierung von Poren

62 Klassifizierung von Poren

63 Klassifizierung

64 Mikrostruktur von Zementstein

65 Gefüge Zementstein

66 Klassifizierung von Poren

67 Wasser im Porensystem

68 Gefüge Zementstein und Sorption

69 Gefüge Zementstein und Sorption

70 Powers Modell

71 Powers Modell

72 Powers Modell

73 Verteilung der Phasen

74 Kennwerte für W/Z

75 W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit

76 W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit

77 W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit

78 W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit

79 Powers - Folgerungen

80 Powers - Anwendungen

81 Feldman/Sereda-Modell Nach dem Feldman/Sereda-Modell besteht das Calciumsilicathydrat als wesentlicher Bestandteil des Zementsteins aus Tobermorit-Schichten, die fehlgeordnet, schlecht ausgebildet und sehr feinkörnig sind, aber gewisse Eigenschaften des kristallinen Tobermorits aufweisen. Zwischen den Tobermorit-Schichten können Wassermoleküle als zur Struktur gehörendes Zwischenschichtwasser eingelagert werden. Der Zwischenschichtraum, der dem Gelporenraum des Powers/Brownyard-Modells entspricht, wird demnach nicht der Porosität zugerechnet. Gelporen gibt es nicht. Die Porosität kann daher nur mit Medien ermittelt werden, die den Zwischenschichtraum nicht besetzen, z.b. Isopropanol, Stickstoff oder Helium. Sorptionsmessungen mit Wasserdampf sind daher für Porositätsmessungen nicht und für Messungen der massebezogenen Oberfläche nur unter bestimmten Bedingungen geeignet. Maßgebend für die mechanischen Eigenschaften des Zementsteins sind Änderungen des Zwischenschichtwassers, irreversible Änderungen in der Anordnung der Tobermorit-Schichten und damit verbundene Gleit und Schervorgänge in und zwischen den Schichten. Baustofflehre 2010

82 Feldmann Sereda

83 Münchner Modell Das Münchner Modell von Wittmann beschreibt den Zementstein als mikroporöses Xerogel, d.h. ein trockenes, erstarrtes Gel ohne Dispersionsmittel. Die Gelpartikel sind miteinander durch van der Waalssche Kräfte verbunden. Die mechanischen Eigenschaften eines solchen Xerogels lassen sich durch den Einfluss des sorbierten Wassers auf die Oberflächenenergie der Gelpartikel deuten. Mit steigendem Wasserangebot aus der Umgebung nimmt die Dicke der adsorbierten Wasserschicht zu, die Oberflächenenergie der Gelpartikel vermindert sich und damit quellen die Partikel proportional zur Abnahme der Oberflächenenergie. Bei relativen Feuchten über etwa 40 % dehnt der Trenndruck (disjoining pressure) des Wassers die feinen Gelporen und infolge dessen das gesamte Zementsteingefüge aus. Baustofflehre 2010

84 Münchener Modell

85 Münchener Modell

86 Münchener Modell

87 Modell nach Jennings

88 Kondo - Daimon Modell Das Modell von Daimon und Mitarbeitern schreibt dem Calciumsilicathydrat ähnlich wie das Feldman/Sereda-Modell einen schichtförmigen Aufbau zu, geht aber von zwei Arten von Gelporen aus. Der Zwischenschichtraum des Feldman/Sereda Modells wird als "Intragel-Porosität" bezeichnet. Außerdem bestehen aber auch, ähnlich wie beim Powers/Brownyard-Modell, Hohlräume zwischen den Gelpartikeln, die soge nannten "Intergel-Poren". aufgerollte CSH (II)-Plättchen (A,B-CSHSchichten, C-Zwischenschichtbereich, D-Raum zwischen den aufgerollten Folien, E-Innenraum des Röllchens. Baustofflehre 2010

89 Zementhydratation

90 Verfeinertes Locher Modell