Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der Schädigungsmechanismen baukeramischer Werkstoffe aus synthetischen und idealisierten Rohstoffmischungen durch zyklische Frost-Tau-Wechselbelastung mithilfe der Tieftemperaturdilatometrie

Ursächlich für Frostschäden an Produkten der grob- u. feinkeramischen Industrie im Gebrauchszustand sind meist partielle Gefügeschädigungen, die durch lokale Spannungszustände während der Frostbelastung verursacht werden. Eine hohe Anzahl an Phasengrenzen, die durch die Rohstoffe bestimmt werden, erhöht gleichsam die Anzahl der lokalen Spannungen im Gefüge, die durch differierende Ausdehnungskoeffizienten (WAK; αDT)

entstehen u. beim Frost-Tau Wechsel des mit Wasser gesättigten oder teilgesättigten keramischen Scherbens durch den Expansionsdruck beim Phasenübergang Wasser-Eis verstärkt werden. Physikalische Defekte können demnach auch chemisch-mineralogische Ursachen haben, deren Auswirkungen in bisherigen Arbeiten meist nur unzureichend berücksichtigt wurde. Zudem wurden die Mechanismen bedingt durch die spezifischen keramtechnischen Eigenschaften in ihrer Gesamtheit auf die Frostwiderstandfähigkeit immer noch nicht differenziert dargestellt. Ziel des Vorhabens ist es, mithilfe der Tieftemperaturdilatometrie [TTDil] als zentrales Messinstrument Korrelationen zwischen dem Dehn- bzw. Schwindverhalten u. weiteren Eigenschaften basierend auf verfahrenstechnischer u. rohstoffseitiger Variation aufzuschlüsseln u. ein Maß für die zu erwartende Frostwiderstandsfähigkeit zu erarbeiten. Durch die Divergenz in der mineralogischen Komplexität der Rohstoffe für die Grob- u. Feinkeramik empfehlen sich spartenspezifische Vorgehensweisen, die vom IZF (FS1), als wissenschaftliches Institut der grobkeramischen Industrie u. vom FGK (FS2) als Repräsentant der Feinkeramik wahrgenommen werden. Zudem erfolgen die Erarbeitung weiterer wichtiger Einflüsse, wie der Feuchtedehnung durch mehrwöchige Wasserauslagerung u. die Auswirkung des Salzgehaltes auf das Gefrierverhalten des Porenwassers durch Leistungen Dritter (IAB) ebenfalls mithilfe der Tieftemperaturdilatometrie. Hinsichtlich der Frostwiderstandsfähigkeit ableitbare Korrelationen werden in einer Bewertungsmatrix zusammengestellt.

Ergebniszusammenfassung:

Das Verfahren der Tieftemperaturdilatometrie zeigt auf, wie komplex das Verhalten poröser keramischer Werkstoffe bedingt durch Dehn- und Schwindprozesse bei wechselnder Frost-Tau-Belastung ist. Die Scherbenporosität, die durch das Porenvolumen, die Porengröße und Porenform charakterisiert wird, hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Gefrierdehnungsverhalten. Bruchmechanische Untersuchungen zeigen bedingt durch die volumetrische Expansion bei Frosteinwirkung die Bildung von Mikrorissen bzw. mikroskopische Gefügeschäden meist bevor makroskopische Schäden ausgebildet werden. Die Annahme, dass im Rahmen der Schädigung infolge von Frost-Tau-Wechseln, zwei Schädigungsmodelle miteinander konkurrieren, findet durch die Interpretation der Tieftemperaturdilatometrie-Kurvenverläufe eine Bestätigung. Produkte mit hohen Biegezugfestigkeiten und kleinen Poren zeigen Bruchschäden mit hoher Rissenergie, die schnell das gesamte Gefüge zerstören, Produkte mit großen Poren und geringer Festigkeit zeigen eher sukzessive Schädigungen in Form einer netzartigen Ausbreitung von Mikrorissen, die erst allmählich zum offensichtlichen Frostschaden anwachsen. Gefügeschwächungen in Form von Schnecken- bzw. Fließtexturen, die während der Extrusion der bildsamen grob- und feinkeramischen Rohstoffe entstehen können, sind Ursache für großvolumige Frostschäden.

Die mithilfe der Tieftemperaturdilatometrie ermittelten Kenndaten sind als probates Hilfsmittel anzusehen, mit denen in einem geringen zeitlichen und finanziellen Rahmen rohstoffseitige und verfahrenstechnische Maßnahmen zur Optimierung und zur Voraussage der zu erwartenden Frostwiderstandsfähigkeit praxisnah umgesetzt werden können. Ursachen von witterungsbedingten Schäden an fein- und grobkeramischen Produkten können durch die Kenntnis des Gefrierdehn- und des Bruchverhalten differenziert betrachtet und entsprechende Maßnahmen zu deren Vermeidung zielorientiert eingeleitet werden.