Erkundung und Modellierung der Verformungsmechanismen von Zementstein auf der Grundlage neuartiger Röntgen-Kleinwinkelstreuuntersuchungen

Das Kriechen von Beton wird maßgeblich durch den Zementstein und dessen Mikrostruktur bestimmt. Zementstein besteht im Wesentlichen aus Calciumsilicat- (CSH) und Calciumaluminathydraten sowie Calciumhydroxidkristallen (CH), nicht-hydratisierten Zementkörnern und in den Porenraum zwischen diesen Partikeln eingelagertes Wasser und Luft. Maßgebend für das Verformungsverhalten sind jedoch die aus der Hydratationsreaktion des Zements resultierenden Kapillar- und Gelporen (1 nm < Porenradius < 100 nm). Weiterhin gestaltet sich die Beschreibung der Struktur des CSH-Gels aufgrund seiner überwiegend amorphen Eigenschaften und submikroskopischen Dimensionen als äußerst schwierig. Dies gilt insbesondere für den Skalenbereich zwischen ca. 1 nm und 100 nm, da hier entweder geeignete Messtechniken gänzlich fehlen oder die verfügbaren Techniken eine nicht mit der Struktur des Zementsteins vereinbare Probenpräparation (z. B. Trocknung etc.) erfordern. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung (Small-Angle X-Ray Scattering, kurz SAXS) jedoch können die in der Mikrostruktur des Zementsteins ablaufenden Prozesse während Schwind- und Kriechverformungen untersucht werden. Der aus einer Kupfer-Röntgenröhre (Cu-Kα) erzeugte monochromatische Röntgenstrahl steht während des Experiments normal zur Oberfläche der zu untersuchenden Zementsteinprobe, durchdringt diese und wird an den Grenzflächen der Mikrostrukur gestreut. Die Messkammer wird dabei evakuiert, um Streuungen aus der umgebenden Luft auszuschließen. Anschließend wird das Streusignal mittels eines 2 D-Detektor erfasst. Die Streukurve wird als Intensität I(q) in Abhängigkeit vom Streuvektor q angegeben, der sich aus spezifischer Wellenlänge λ der Strahlung und dem Streuwinkel θ berechnen lässt (q = 4π⁄ λ∙ sinθ). Aus der zeitabhängigen Streukurve lassen sich strukturelle Informationen gewinnen, sowie bei Kenntnis der Probendicke und-zusammensetzung Rückschlüsse auf die spezifische Oberfläche der Probe ziehen.