Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Porenverteilung auf die Frost/Tau-Beständigkeit von Keramiken

Abstract

Diese Arbeit behandelt Keramiken und deren Eigenschaften gegenüber Frostbeanspruchung. Durch die vielzähligen Ausgangsmaterialien und Herstellungsprozesse können die Werkstoffeigenschaften von Keramiken, wie eben die Frostbeständigkeit, sehr unterschiedlich ausfallen. Eine sichere Auskunft über die Widerstandsfähigkeit gegenüber Frost können direkte Untersuchungen an Proben geben. Hierbei werden die real wirkenden Beanspruchungen, abwechselnde Frost- und Tauperioden, an Probekörpern im Labor simuliert und deren Zustand bzw. dessen Veränderung beobachtet. Nachteil dieser Versuche ist der hohe zeitliche und personelle Aufwand. Außerdem sind aus der Literatur viele Schadensmechanismen bekannt, die bei der Wahl der Versuchsparameter berücksichtigt werden müssen.Alternativ können indirekte Untersuchungen angewendet werden. Bei diesen schließt man aus gewissen Materialkennwerten auf die Frostsicherheit. Hier bieten sich primär die Wasseraufnahme und Porengrößenverteilung der Keramiken an.Die vorliegende Arbeit unternimmt den Versuch, die Aussagekraft von diesen indirekten Untersuchungen mit den Ergebnissen aus Frost/Tau-Simulationen in Verbindung zu bringen. Dafür wird ein möglichst automatisierter Versuchsablauf für die Frost/Tau-Simulation entwickelt und an unterschiedlichsten Keramiken erprobt. Die Ergebnisse aus diesen Frost/Tau-Experimenten werden mit den Kennwerten aus den Porengrößenverteilungen, gewonnen aus einer Quecksilberporosimeteruntersuchung, und den Wasseraufnahmen, verglichen.Dabei stellt sich schließlich heraus, dass für die Beurteilung mit Hilfe indirekter Methoden Hinweise gefunden werden können, die die Sicherheit gegenüber Frostbeanspruchung beschreiben. Zu diesen zählen das höhere totale Porenvolumen und eine höhere Fähigkeit zur Wasseraufnahme. Es wird jedoch durch die aussagekräftigeren Beurteilungen der direkten Untersuchungen festgestellt, dass die gefundenen Verbindungen lediglich Tendenzen und keine klaren Grenzen darstellen, was die Frostsicherheit der keramischen Proben angeht. Hierfür wird die große Bandbreite an unterschiedlichen Eigenschaften und Geometrien der untersuchten Keramiken verantwortlich gemacht. Aus den gesammelten Versuchserfahrungen wird am Ende ein Resümee gezogen, welches weiterführende Versuche beschreibt, die zu einem besseren Verständnis des Frostverhaltens von Keramiken führen könnten.

The aim of this thesis was to investigate ceramics and their properties when exposed to freeze-thaw stress conditions. Due to the large variety in the starting materials and manufacturing processes of the ceramics, the material properties, like the frost resistance, may vary a lot in the final product.Direct analyses of the ceramic samples provide more understanding about the resistance of the materials against the frost. In the typical laboratory experiments the stressing conditions, i.e. frost and thaw periods, are alternated and simulated on the material test samples and the changes in the material are being observed.In addition, many damaging mechanisms are well known in the literature and are taken into account when the test parameters are selected. However, the drawback of these studies is that they are time consuming and laborious. The material properties may also be studied indirectly, which means that the frost resistance may be predicted from certain parameters, such as absorption of water and the pore size distribution of the ceramics.In this thesis the aim is to connect the results of the indirect testing with results of the simulated freeze-thaw stress. For this purpose, an automatic test process for the freeze-thaw simulation was developed and tested on various ceramics. The results of the freeze-thaw tests were compared with the pore size distribution, which was measured by mercury intrusion porosimetry, and the water absorption.The assessment of the indirect examinations revealed that there are correlations between the material resistance against freeze-thaw stress and higher total pore volume and the ability of the material to absorb water. However, through the analyses of the more detailed indirect examinations it may be presumed that the observed correlations are mostly trends and cannot provide exact evidence about the frost resistance of the ceramics. The reason for this is the large variety in properties and geometries of the examined ceramics.In conclusion, experimental data was evaluated to understand which additional tests are needed to gain better understanding of the frost behaviour of ceramics.