Laserinduzierte Festphasenumwandlung in mineralischen Werkstoffen am Beispiel von Sandstein und Beton

Abstract

Eine durch Laser induzierte Temperaturerhöhung führt zur Änderung der chemischen und thermischen Eigenschaften sowie zu Phasenumwandlungen bei mineralischen Werkstoffen wie Sandstein und Beton. Ziel war es zu untersuchen, ob es zu laserinduzierten Umwandlungen in der festen Phase kommt und wie sich diese auf die mechanische Bearbeitbarkeit auswirken. Ein wichtiger Grund für die Untersuchungen in der festen Phase ist die für die Phasenumwandlung vom festen in den flüssigen oder in den gasförmigen Zustand benötigte hohe Energie. Mittels mikroskopischer Analyse wurde eine Schädigung der Modellsubstanzen in Form von thermisch induzierten Spannungsrissen und bei Sandstein eine Materialverdichtung nachgewiesen. Eine wichtige Erkenntnis aus den petrographischen Untersuchungen war, dass die Ausdehnung der geschädigten Zone der mineralischen Werkstoffe nicht linear mit Zunahme der Laserleistung ansteigt. Gründe sind die beim Phasenübergang auftretende Schmelzenthalpie und die Änderung der optischen und thermischen Eigenschaften. Mit der 3D-Simulation der Laserbeeinflussung gelang die Bestimmung der Beeinflussungszonen von Sandstein bzw. Sandbeton. Die Isothermen sind den charakteristischen Veränderungen (Dehydration, Quarzsprung, Decarbonatisierung) zuordenbar und stimmen mit geometrisch vermessenen Bereichen überein. Die bestrahlten Betonproben wurden mit zwei unterschiedlichen spanenden Bearbeitungs-strategien beaufschlagt. Bei Beton war eine Reduktion der Bearbeitungskräfte um bis zu 80% und eine Erhöhung der Abtragsrate zu verzeichnen. Gleichzeitig verringerten sich die Geräusch- und Staubemissionen. Damit konnte bei Beton gezeigt werden, dass sich die Materialeigenschaften von mineralischen Werkstoffen gezielt in Bezug auf mechanische Bearbeitbarkeit beeinflussen lassen.

Temperature increase due to laser irradiation results in changed chemical and thermal properties of mineral materials, as sandstone and concrete. It has been the aim to find out whether such changes include solid state phase transformations, and if so, to investigate their effect on workability. Solid state effects would be of major practical interest since they would require less irradiation power than effects involving melting and evaporation. Microscopic analysis after irradiation revealed thermally induced cracks in model substances and reduced porosity in sandstone. As a remarkable result of the petrographic investigations it has turned out that size of the affected zone in the mineral materials is not proportional to the laser power. This behaviour is due to the change of optical and thermal properties and to the melt enthalpy at the melting point. By means of 3d-simulation the determination of laser influenced zones of irradiated sandstone and concrete has been realized. The zone shapes of dehydration, fracture of quartz grains, and carbonate decomposition as derived from experiment fit well to the calculated isotherms. The irradiated sandstone and concrete samples have been subjected to chipping tests (constant feed rate or constant normal force) It has been found that as a result of irradiation, the ablation rate is increased while the required force is reduced by up to 80% with the additional benefit of lower noise and dust emission. So it has been shown that laser irradiation is a suitable means for affecting the mechanical properties of mineral materials with the aim of better workability.