Beton ist der weltweit am häufigsten verwendete Baustoff und Zement ist einer der wichtigsten Bestandteile von Beton, der hauptsächlich aus einem festen Gemisch verschiedener Klinkerphasen besteht. Tricalciumsilikat (C3S, Alit, Ca3SiO5) ist der Hauptbestandteil und die relativ reaktivste Phase in gewöhnlichem Portlandzement (OPC). Daher wurden viele experimentelle Studien durchgeführt, um den Hydratationsmechanismus zu untersuchen, indem C3S als Modellsystem verwendet wurde.  Die Zementhydratation ist ein komplexer Reaktionsprozess, der die gleichzeitige Reaktion vieler Mineralphasen beinhaltet. Der Hydratationsmechanismus, insbesondere die frühe Hydratation auf atomarer Ebene, ist aufgrund der Einschränkungen der experimentellen Techniken noch nicht vollständig verstanden. Die atomistische Simulation mit Reactive Force Fields (ReaxFF) in Kombination mit Metadynamik (MetaD) kann eine effektive Lösung sein, um die chemischen Reaktionswege mit ausreichender Genauigkeit und angemessener Rechenzeit zu untersuchen. Dieser kombinierte Ansatz hat großes Potenzial gezeigt und ermöglichte die Untersuchung der frühen Hydratation von C3S. In diesem Projekt wurden die Reaktivität und die thermodynamische Stabilität verschiedener Kristallebenen von C3S aus dem Auflösungsprofil von Calcium während der Hydratation bei 298 K berechnet. Die Simulationsergebnisse beschreiben deutlich die höhere Reaktivität der (01 ̅1 ̅), (011), (100) und (1 ̅00) Oberflächen von C3S aufgrund der starken Wechselwirkung mit dem Wasser, während das Auflösungsprofil die geringere Reaktivität von (1 ̅1 ̅0), (110), (01 ̅0) und den Effekt der Wassertessellation auf den (001), (010) Ebenen erklärt. Der Polymerisationsmechanismus des Silikats während der Hydratation bei verschiedenen externen Parametern (d.h. Temperatur, Ca/Si-Verhältnis, etc.) wurde ebenfalls in diesem Projekt untersucht. An der Dimerisierung des Silikats in der Porenlösung sind 5 sauerstoffkoordinierte Silizium-Zwischenstufen beteiligt. Darüber hinaus hat der barrierefreie Dimerisationsprozess bei Raumtemperatur (Ca/Si ist 2) die Dimerbildung in der ruhenden Periode während der Hydratation erklärt. Darüber hinaus ist das Ca/Si-Verhältnis der einflussreiche Faktor, um entweder dimeres oder polymeres C-S-H zu bilden. Mit steigendem Ca/Si-Verhältnis wird die Polymerisation von Silikat thermodynamisch ungünstig.

Salah Uddin, K. M.; Middendorf, B. (2019), Reactivity of different crystalline surfaces of C₃S during early hydration by the atomistic approach, Materials 2019, 12(9), 1514; doi.org 10.3390/ma12091514

Salah Uddin, K.M.; Middendorf, B.; Atomistic modeling of early Hydration of C₃S; Meschke, Günther; Pichler, Bernhard; Rots, Jan G. (Eds.) (2018); Computational Modelling of Concrete and Concrete Structures (EURO-C); CRC Press/Balkema: Leiden, Netherlands. ISBN 9781315182964 (eBook)

SMA sind bekannt für Anwendungen in der Medizin, Robotern, Luft- und Raumfahrt. Im Bauwesen ist das Material jedoch erst seit Anfang der 1990er Jahre Teil der Forschung, hat aber bisher nur wenige praktische Anwendungen gesehen. Derzeit ist ein DFG-Projekt (SmartCon) geplant, um den Einsatz von SMA in Form von Faserverstärkung in UHPC am Lehrstuhl von Prof. Middendorf in Zusammenarbeit mit mehreren anderen Fachbereichen der Universität Kassel, darunter Prof. Niendorf (Metallische Werkstoffe, Fachbereich 15) als aktives CINSaT-Mitglied, zu untersuchen.

In diesem Projekt werden zwei Effekte von SMAs genutzt, um intelligente Baumaterialien zu realisieren. Zum einen kann die mechanisch aktivierte Pseudoelastizität in Holz- oder Betonkonstruktionen genutzt werden, um Schwingungen zu dämpfen, die durch Wind oder Erdbeben erzeugt werden können. Andererseits kann der Einweg-Effekt genutzt werden, um die Eigenschaften von faserverstärktem Beton zu verbessern. Hier werden SMAs als Fasern eingesetzt. Die Gruppen von Prof. Middendorf und Prof. Fehling forschen seit einigen Jahren an Ultrahochleistungsbeton, der Mikrofasern benötigt, um filigrane Konstruktionen zu ermöglichen.  Diese funktionalen Fasern sollen auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden. In einem Ansatz haben die Fasern das Ziel, die mechanischen Eigenschaften des Betons zu verbessern, ohne die Verarbeitbarkeit des Frischbetons wesentlich zu verschlechtern (Bild 1a). Daher werden die Fasern in eine Form gebracht, die für die rheologischen Eigenschaften des Frischbetons günstig ist. Nach der Zugabe der Fasern wird der Formgedächtniseffekt durch eine thermische, magnetische oder induktive Behandlung aktiviert, während der Beton noch fließfähig ist.  Durch diese Aktivierung gehen die Fasern in ihre eingeprägte Geometrie über, die für die mechanischen Eigenschaften des Festbetons günstig ist. Zum anderen werden die Fasern zur Vorspannung von Betonbauteilen eingesetzt (Bild 1b). Dem Frischbeton werden vorgedehnte, gerade SMA-Fasern zugegeben. In Zusammenarbeit mit Prof. Wünsch (Strömungsmechanik, Fakultät 15) wird die Verteilung und Orientierung der Fasern untersucht und modelliert, um den Formgedächtniseffekt möglichst effektiv zu nutzen. Nach dem Aushärten des Betons werden die Fasern aktiviert, was zu einer Spannungsübertragung von den Fasern, die sich bei Dehnung selbst zusammenziehen wollen, auf den Beton führt. Diese Vorspannung wirkt den Spannungen entgegen, die das Betonbauteil in seiner späteren Funktion aufnehmen wird.

Für beide Ansätze ist der Verbund zwischen Faser und zementärer Betonmatrix ein wesentlicher Faktor im Hinblick auf die Effektivität des Verfahrens. Daher werden mikro- und nanostrukturelle Untersuchungen der Grenzflächenübergangszone zwischen den beiden Materialien durchgeführt, um ein besseres Verständnis der Kombination der Materialien zu erhalten. Diese Untersuchungen werden SEM, µ-CT, TEM, Lichtmikroskopie und andere analytische Methoden beinhalten.

Schleiting, M.; Wetzel, A.; Krooß, P.; Thiemicke, J.; Niendorf, T.; Middendorf, B.; Fehling E. Functional microfibre reinforced Ultra-High Performance Concrete (FMF-UHPC), Cement and Concrete Research, in review