In-situ-Mikroskopie für Zusatzmittel-Partikel-Wechselwirkungen

Die Herstellung von anorganisch-mineralisch gebundenen Hochleistungswerkstoffen ist ohne die Verwendung organischer Zusatzmittel nicht realisierbar. Parallel zur fortschreitenden Entwicklung dieser Werkstoffe und der steigenden Zahl verwendeter Ausgangsmaterialien, u. a. im Hinblick auf die Substitution von CO₂-intensivem Portlandzement,[1,2] steigt auch die Bedeutung effizienter Zusatzmittel, die zur Realisierung der gewünschten Werkstoffcharakteristika führen. Im Fall von ultra-hochfestem Beton (ultra-high performance concrete, UHPC) sind in diesem Zuge Druckfestigkeit und Dauerhaftigkeit zu nennen, die durch eine extrem dichte Matrix im Vergleich zu herkömmlichen Beton deutlich gesteigert werden können. Zentrale Gründe für diese Eigenschaftsoptimierungen sind die Reduzierung des Wasseranteils der Betonmischung sowie die Verwendung feinster, reaktiver Füllstoffe, wie Silikastaub etc. Um diesen Mischungen eine verarbeitbare Konsistenz zu verleihen, sind Fließmittel (FM) erforderlich.[3] Des Weiteren werden organische Zusatzmittel in Form von Dispersionspulver (DP) in mineralischen Klebstoffen wie Fliesenkleber eingesetzt. Diese Polymere beeinflussen primär die mechanischen Eigenschaften des erhärteten Klebemörtels. So zeichnen sich polymermodifizierte Mörtel durch eine erhöhte Biegezugfestigkeit aus und weisen eine verbesserte Oberflächenadhäsion auf, was der Verwendung als Klebstoff zuträglich ist. In Verbindung mit faserförmiger Bewehrung verbessern Dispersionspulver den Verbund von mineralischer Matrix und Stahlfaser, wodurch die Leistungsfähigkeit mineralischer Klebstoffe weiter gesteigert werden kann. Für beide Anwendungsbeispiele spielt die von vielen Faktoren beeinflusste und deshalb hoch komplexe Interaktion organischer Polymere mit den mineralischen oder metallischen Bestandteilen der Betonmischung eine entscheidende Rolle.[4] Zwar wurden die Wirkungsprinzipien beider Zusatzmitteltypen intensiv untersucht, jedoch beruhen Forschungsansätze zum tieferen Verständnis und zur Weiterentwicklung meist auf empirischen und damit zeitaufwendigen Versuchen. Abhilfe kann eine Methode aus der Biologie schaffen, deren Nutzen für die Forschung im Bauwesen im beantragten Projekt erweitert werden soll: Die Fluoreszenzmikroskopie. Zur Detektion der lichtmikroskopisch sonst nicht nachzuweisenden Polymerzusätze werden diese mit Fluoreszenzmarkern markiert. Dieses Verfahren ermöglicht eine in-situ-Beobachtung der Wechselwirkung der Zusatzmittel mit den verschiedenen Bestandteilen des Bindemittelleims. In diesem Zusammenhang spielen die experimentellen Parameter wie pH-Wert, Ionenkonzentration, Zusatzmittelgehalt und Charakter der mineralischen Phasen eine entscheidende Rolle und sollen variiert und systematisch untersucht werden. Die Validierung der Methode erfolgt durch Korrelation der Ergebnisse der fluoreszenzmikroskopischen in-situ-Messungen mit gängigen Analyseverfahren zur Adsorptivität und der makroskopischen Materialeigenschaften von entsprechenden Mörteln. Diese neue in-situ-Methode ermöglicht Untersuchungen von Wechselwirkungen von neuartigen Zusatzmittel-Bindemittel-Kombinationen wodurch makroskopische Eigenschaften prognostiziert werden können. 

[1] N. Mahasenan, S. Smith, K. Humphreys in Greenhouse Gas Control Technologies - 6th International Conference (Ed.: J. G. Kaya), Pergamon, Oxford, 2003.

[2] M. S. Imbabi, C. Carrigan, S. McKenna, "Trends and developments in green cement and concrete technology", International Journal of Sustainable Built Environment 2012, 1, 194–216.

[3] M. Schmidt, E. Fehling, S. Fröhlich, J. Thiemicke (Eds.) Schriftenreihe Baustoffe und  Massivbau. Nachhaltiges Bauen mit Ultrahochfestem Beton. Ergebnisse des Schwerpunktprogrammes 1182 gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), kassel university press GmbH, Kassel, 2014.

 [4] L. Ferrari, J. Kaufmann, F. Winnefeld, J. Plank, "Interaction of cement model systems withsuperplasticizers investigated by atomic force microscopy, zeta potential, and adsorptionmeasurements", Journal of Colloid and Interface Science 2010, 347, 15–24.