Marcus Hammer

Entwicklung mineralogischer Färbetechniken und ihre Anwendung auf spezifische Betonphasen zur Analyse der Zusammensetzung von zementgebundenen Baustoffen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 29.05.2007

Abstract
Ziel der Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden zur Analyse der Rezeptur, des Gefüges und der Alterung von zementgebundenen Baustoffen.
Dazu wurden mineralogische Färbemethoden so weiterentwickelt, dass sie auf Betonproben anwendbar sind. Als geeigneter Farbstoff wurde Alizarinrot S identifiziert. Alle relevanten Parameter, die die Färbung einer Oberfläche mit Alizarinrot S beeinflussen, wurden ermittelt. Wesentliche Parameter sind die spezifische Oberfläche, Temperatur, pH-Wert der Färbelösung, (Calcium-) Löslichkeit, Probenfeuchte und Färbedauer. Von besonderer Bedeutung sind das Zeta-Potential der Oberfläche und organische Verunreinigungen auf der Oberfläche.
Durch selektive Anfärbung des Zementsteins wird eine Kontrastverbesserung zwischen Zementstein und Zuschlag erreicht, wodurch Anteil und Sieblinie des Zuschlags bestimmt werden können. Durch die oberflächenspezifische Färbung des Zementsteins kann darüber hinaus die Porosität des Zementsteins und damit indirekt der Wasser-/Zementwert (w/z-Wert) beim Anmischen ermittelt werden.
An mikroskopischen Aufnahmen von eingefärbten Betonschnitten wurde eine automatisierte computergestütze Auswerteroutine entwickelt und getestet, mit deren Hilfe die Zusammensetzung des Betons mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Ausschlaggebend für die Genauigkeit ist die Zahl der ausgewerteten Anschliffe.
Aus denselben Probenaufnahmen kann auch noch der w/z-Wert bestimmt werden. Mit steigendem w/z-Wert steigt der Anteil an Kapillarporen und damit die gefärbte Oberfläche. Entsprechend nimmt die Intensität der Färbung zu. Wie die Versuche zeigen, ist das neue Verfahren den bisher eingesetzten Methoden zur w/z-Wert Bestimmung ebenbürtig (Genauigkeit w/z-Wert +/- 0,02).

Aim of this study was the development of new methods for the analysis of the recipe, the structure and aging of cement bound building materials.
For this purpose mineralogical staining schemes were adapted to fit on concrete. The selected stain is alizarinered S. All relevant parameters related to the staining of surfaces with alizarinered S were analysed. Main parameters are the specific surface, temperature, pH-value of the staining solution, (calcium-) solubility, sample moisture and staining time. The zeta-potential of the surface and organic contaminations are of special interest.
Selective staining of hardened cement paste in concrete leads to a better contrast to aggregate, which allows the identification of the fraction and the grading curve of aggregate. Because of the surface specific staining of the hardened cement paste the porosity and therefore the water-/cement-ratio (w/c-ratio) can be determined.
Based on microscopic photographs of stained concrete slices an automated, computerized analysing routine was developed and tested, which allows the determination of the composition of the concrete in high precision. Crucial for the accuracy is the amount of the analysed slices.
Using the same photographs it is possible to determine the w/c-ratio. An increasing w/c-ratio leads to an increasing amount of capillary pores and so does the stained surface. Accordingly the intensity of the stain on the surface is increasing. As the tests show, the new technique produces as good results as the existing methods.

Keywords:
Beton, Zementstein, Wasser-/Zement-Wert, Alizarinrot S, Färbung, Sieblinie, Zuschlag, Carbonatisierung

concrete, cement, water-cement-ratio, alizarinered S, staining, grading curve, aggregate

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis (2, i-xviii)
Vorwort (1-2)
1 Problemstellung (3-4)
2 Grundlagen (5-26)
3 Stand der Technik (27-42)
4 Experimentelles (43-60)
5 Ergebnisse (61-130)
6 Diskussion (131-138)
Anhang (139-166)
Literaturverzeichnis (167-174)