Das vorliegende Teilvorhaben untersucht die Möglichkeit, salzinduzierte Dehnungsprozesse mittels eines Dilatometers zeitlich und längenmäßig hoch aufgelöst zu verfolgen. Dabei hat es sich bisher bewährt, Substrate mit möglichst geringer hygrischer Eigendehnung zu verwenden, um die spezifische Wirkung der Salzkristallisation in Abhängigkeit der Porenraumparameter und der Reaktionsbedingungen (Salz-, Feuchtebedingungen) unverfälscht messen zu können. Erst durch Substrate wie Korund und Glasfritte wurde die Größenordnung der unmittelbaren Gefügebeeinflussung durch die Salzkristallisation realistisch erfasst. Dabei zeigt sich, dass die Beträge der durch entsprechende Prozesse hervorgerufenen Dehnung recht gering sind (im unteren µm-Bereich bei 4 cm-Prismen) und deutlich unter den bisher erwarteten Werten liegen. Durch die im Rahmen des Vorhabens erfolgte Verbesserung der Messapparatur und die gezielten Versuchsbedingungen sind die geringeren Werte trotzdem gesichert zu erfassen. Der Einsatz eines Dilatometers hat sich somit für die Verfolgung und Aufzeichnung der Wirkungen während der Kristallisation oder Hydratation als sehr sinnvoll erwiesen.

Dilatometeraufbau (Foto Fa. Bähr, Hüllhorst)

Die Verfügbarkeit von "einfach aufgebauten" Substraten aus dem Bereich der technischen Keramik wurde vor Projektbeginn allerdings etwas überschätzt. Die aus den unterschiedlichen apparativen Interessen der Projektteilnehmer des Paketantrages gespeisten Auswahlkriterien haben bisher nur zu einer geringen Zahl von allgemein einsetzbaren Testsubstraten geführt. Einschränkend wirkte sich vor allem aus, dass nicht alle der angebotenen Materialien in einer geeigneten Dimension und Qualität verfügbar sind, so dass die angedachte breitere Korrelationen innerhalb verschiedener Gefüge- und Festigkeitsparameter, nur schwer zu realisieren sein wird. Allerdings werden parallel zu den laufenden Untersuchungen weiterhin geeignete Substrate gesucht.
Problematisch im Hinblick auf die Umsetzung der geplanten Reihenuntersuchungen erweist sich auch die Tatsache, dass die jeweilige Einzeluntersuchung mit der notwendigen Einstellung von Gleichgewichten einen hohen Zeitanspruch hat. Einzelmessungen über einen oder gar mehrere Tage sind die Regel. Dieser hohe Zeitbedarf führte zu einer eher tastend zielproblemorientierten als breit streuenden Vorgehensweise.

Die Notwendigkeit einer sehr sorgfältigen Betrachtung und Berücksichtigung der Randbedingungen während der Dilatometer-Messungen wurde bereits in den ersten Untersuchungen deutlich. Proben, die zu Versuchsbeginn mit 10 %igen Salzlösungen getränkt wurden und dann während der Messung an der Luft trockneten, zeigten hohe Dehnwerte. Genauere Begutachtungen erbrachten allerdings, dass es sich bei den gemessenen Längenänderungen nicht um eine ausschließliche Dehnung im Substratgefüge handelte, sondern hohe Dehnanteile durch Ausblühungen an der Substratoberfläche beigetragen wurden (krasses Beispiel siehe Abb. unten). Besonders kritisch sind die Ausblühungen an der Stirnfläche zur Anpressplatte zu sehen. Die hier frei aufwachsenden Salzkristalle erklären die extrem hohen Dehnwerte, die innerhalb des Substratmaterials kaum zu erwarten sind.

Salzausblühungen an einer Probe im Dilatometer

Zur Bewältigung der Schwierigkeiten bei der Probenfixierung wurden unterschiedliche Wege eingeschlagen: Die Versiegelung der Stirnflächen mittels Klebstoffen und Metallscheiben brachte zwar eine Verbesserung bzgl. der Ausblühungen, hier konnte bisher jedoch noch kein Kleber gefunden werden, der ein neutrales Verhalten bei den Versuchen zeigte (entweder trat Feuchte bedingtes Quellen oder kontinuierliche Schrumpfung bedingt durch zu hohe Elastizität auf). Nichtsdestotrotz wird die Suche nach geeigneten Klebstoffen fortgesetzt, da die Technik insgesamt Erfolg versprechend ist und eine breite Möglichkeit zur Versuchssteuerung bieten würde.
Eine Alternative zur Verhinderung von Ausblühungen wurde auch durch geeignete Wahl der Randbedingungen bei der Trocknung gefunden. Durch Heizen der Proben im Dilatometer und entsprechend schnelle Trocknungsvorgänge konnte die Verdunstungszone unter die Probenoberfläche verschoben und damit ebenfalls eine "störungsfreie" Messung gewährleistet werden.
Mit dieser Technik wurden im System Glasfritte/Magnesiumsulfat bereits interessante Ergebnisse zum Dehnverlauf bei der Kristallisation und Hydratation bzw. Dehydratation erzielt.

Dehnung einer Glasfritte nach Tränkung mit 1ml 10% (w/w) MgSO₄ Lösung
und Schritt weisem Aufheizen auf 60 °C (Temperatur an der Probenoberfläche
erfasst, zwei Temperaturzyklen aufgezeichnet)

Neben der Temperatur bedingten Dehnung ist im Diagramm auch eindeutig die Salzkristallisation (Bildung vermutlich des wasserreichen Epsomits) und die Dehydratation zu wasserärmeren Kristallisationsstufen des Magnesiumsulfats durch den plötzlichen Anstieg bzw. Abfall der Dehnwerte zu erkennen. Dieses wird beim Vergleich der beiden Temperaturzyklen besonders signifikant: Im zweiten Durchgang (ohne neue Salzaufgabe) ist kaum noch ein Dehneffekt durch das Salz in der Probe festzustellen.

Dieser Versuch zeigt ebenfalls, dass der beträchtliche Wechsel in Bezug auf Dehnung und Schrumpfung bei den unterschiedlichen Stadien der Salzkristallisation (gerade bei Salzen mit verschiedenen Hydratstufen) eine hohe Belastung für das Substrat darstellt, was die Ermüdung des Materials und dessen Zerfall erklärt. Die bisherigen Untersuchungen lassen allerdings noch keine Detailaussagen zu. Es gilt zu klären, welche Zustände innerhalb der Probekörper während der Kristallisation vorliegen, um die recht komplexen Dilatometerergebnisse wirklich exakt erklären und verifizieren zu können. Existieren Lösung und unterschiedliche Hydratstufen zum gleichen Zeitpunkt an unterschiedlichen Stellen der Probe (Innen- und Außenbereiche) und kommt es zur Wechselwirkung, was die Dilatometerdaten andeuten. Hier wird sich allerdings das Konzept des Paketantrages bewähren, bei dem die sich ergänzenden Partner mit ihren Untersuchungen aufeinander aufbauen können.

--> Ergebnisse des Gesamtprojektes mit Ablauf des ersten Untersuchungszeitraumes

Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Stefan Brüggerhoff, Dipl.-Min. Dirk Kirchner
Deutsches Bergbau-Museum Bochum