Zementartige Materialien

Nanostrukturen

© Foto Fraunhofer SCAI

Die Nanostruktur von zementartigen Gelen formt sich in Abhängigkeit der Mischungszusammensetzung beim Abbindevorgang. Da dieser sich in der Realität über mehrere Tage zieht, sind Vorgänge auf der Nanoskala bisher nicht durch Simulationen zugänglich gewesen.

Durch hocheffiziente Implementierung reaktiver Potentiale und gleichzeitige Verwendung moderner »Replica exchange« Methoden sind diese Prozesse der Tremolo-X Software zugänglich und können so zur Vorhersage der Basis Bausteine in zementartigen Gelen genutzt werden.

Die Forschungs- and Entwicklungsarbeit dieses Projektes erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Numerische Simulation der Universität Bonn. In diesem Rahmen wurden Module der Software Tremolo-X und NPNP auch erfolgreich im Forschungsprojekt CODICE - Computational driven design of innovative cement-based materials (EU RP7) eingesetzt.

Hoch performante zementartige Materialien

© Foto Fraunhofer SCAI

Zement und verwandte Materialien sind in unserer heutigen Gesellschaft von enormer Bedeutung. In Anbetracht ihrer Verwendung zum Bau von Brücken, Flughäfen, Wohngebäuden und zahllosen anderen Schlüsselkomponenten moderner Infrastruktur ist ihre Stabilität und Zuverlässigkeit besonders wichtig.

Es ist allerdings bekannt, dass die Auswaschung von Ionen einen destabilisiernden Einfluss auf diese Materialien hat, ein Vorgang, der durch Abgase und sauren Regen - alltägliche Realität in modernen Großstädten - beschleunigt wird.

Vor diesem Hintergrund überrascht es, dass die Forschung viele Fragen zu Zement und zementartigen Gelen noch nicht beantworten konnte.

Zum einen liegen über die Nanostruktur, die Basis-Bausteine von zementartigen Gels, nach wie vor keine gesicherten Kenntnisse vor. Darüber hinaus existieren bislang keine gesicherten Modelle über die Progression von Auswaschungen aus der Zementmatrix.

Das SCAI-Geschäftsfeld Virtual Material Design stellt Werkzeuge zur Verfügung, welche derartige Probleme lösen.

Ionenauswaschung

© Foto Fraunhofer SCAI

Die Auswaschung von Ionen aus der Zementmatrix ist ein gekoppelter Reaktions-Transport-Prozess vieler verschiedener Ionen-Spezies. Die mathematische Modellierung des Transports durch die Poisson-Nernst-Planck Gleichung ist allgemein bekannt, aber numerische Software, die in physikalischen Geometrien die gekoppelten Gleichungen beliebig vieler verschiedener Ionenspezies zeitabhängig lösen können, fehlen bisher.

Die NPNP Software nutzt moderne Iterationsverfahren, um mit impliziten Diskretisierungen diese Lücke zu schließen und erlaubt eine Prognose der Empfindlichkeit von zementartigen Materialien gegenüber Ionenauswaschungen.

Referenzen

  1. J. S. Dolado, M. Griebel, J. Hamaekers, and F. Heber. The nano-branched structure of cementitious calcium-silicate-hydrate gel. Journal of Materials Chemistry, 21:4445-4449, 2011.
    [ bib ]
  2. H. Manzano, J. Dolado, M. Griebel, and J. Hamaekers. A molecular dynamics study of the aluminosilicate chains structure in Al-rich calcium silicate hydrated (C-S-H) gels. physica status solidi (a) - applications and materials science, 205(6):1324-1329, 2008.
    [ bib, note ]
  3. J. S. Dolado, J. Hamaekers, and M. Griebel. A molecular dynamics study of cementitious silicate hydrate (C-S-H) gels. Journal of the American Ceramic Society, 90(12):3938-3942, 2007.
    [ bib, note ]