Neues Tool misst Hydrat-Schicht im Zement

In der Untersuchung von Zement gibt's ein wichtiges Element, eine Verbindung namens Calcium-Silikat-Hydrat (C-S-H). Dieser Stoff spielt eine grosse Rolle bei der Festigkeit von Beton. Wenn Zement hydratisiert, bildet sich eine Schicht aus C-S-H um die Klinkerkörner, die die festen Teile im Zement sind. Zu verstehen, wie dick diese Schicht im Laufe der Zeit wird, ist wichtig, um zu verbessern, wie wir Beton nutzen und herstellen.

Die Dicke dieser Hydrat-Schicht zu messen, ist nicht einfach. Manuell zuverlässig zu messen, ist tricky, und die Dicke kann von einem Korn zum anderen stark variieren. Wegen dieser Herausforderungen wurde ein neues Python-Tool entwickelt. Dieses Tool kann automatisch Bilder analysieren, die mit einem speziellen Mikroskop aufgenommen wurden, um herauszufinden, wie dick die Hydrat-Schicht um die Klinkerkörner ist. Diese neue Methode braucht sehr wenig manuelle Arbeit und macht alles effizienter.

#Die Bedeutung des C-S-H-Wachstums

C-S-H ist hauptsächlich dafür verantwortlich, Beton stark zu machen. Daher ist es super wichtig, zu verstehen, wie schnell die C-S-H-Schicht wächst, besonders in den ersten 28 Tagen nach dem Mischen. In diesem Zeitraum können wir die Veränderungen in der Mikrostruktur des Zements beobachten, während er hydratisiert. Wir können diese Veränderungen mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersuchen, einem Werkzeug, das uns detaillierte Bilder von den Zementproben ermöglicht.

Wenn Zement hydratisiert, bildet sich das C-S-H um die Klinkerkörner. Diese Schicht kann in zwei Teile unterteilt werden: die innere Schicht, die dicht ist, und die äussere Schicht, die eher nadelartig und weniger dicht ist. Das Wachstum der äusseren Schicht kann durch die umgebenden Materialien oder andere Phasen, die sich entwickeln, eingeschränkt werden.

#Methodik

Um diese Veränderungen zu untersuchen, wurde eine Art Alit aus der Tschechischen Republik in der Studie verwendet. Alit ist ein häufiges Material in Portlandzement. Die chemische Zusammensetzung dieses Alits wurde durch Tests bestätigt, um seine Reinheit sicherzustellen. Alit-Pasten wurden mit einer bestimmten Menge Wasser gemischt und in versiegelten Behältern zur Hydratation aufbewahrt. Proben wurden zu verschiedenen Zeitpunkten entnommen: 1, 7, 14, 28, 84 und 365 Tage.

Jede Probe wurde mit Isopropanol konserviert, dann geschnitten und poliert, um sie unter dem REM zu betrachten. Das beinhaltete, die Proben in einem speziellen Harz einzubetten, sie zu polieren und dann mit einer dünnen Schicht aus Kohlenstoff zu beschichten, um Ladeeffekte während der Bildaufnahme zu verhindern.

Das REM machte Bilder von den Proben, die dann mit dem neu entwickelten Python-Tool verarbeitet wurden. Dieses Tool identifiziert automatisch die Klinkerkörner in den Bildern und misst die Dicke der Hydrat-Schicht rund um sie.

#Analyse der Hydrat-Schichtdicke

Mit der Software wurde die Dicke der Hydrat-Schicht für Körner im Alter der Probe bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Dicke nach einem Tag bei etwa 0,45 Mikrometern (µm) begann und nach 28 Tagen auf etwa 3,04 µm anstieg. Bei älteren Proben machte der Hydratationsprozess es jedoch schwierig, genaue Messungen zu erhalten, da die Partikel eng gepackt waren.

Die Software verwendete verschiedene Techniken zur Analyse der Bilder. Sie segmentierte die Bilder in drei Teile: Poren, Hydratationsprodukte (C-S-H und Portlandit) und unhydratisierten Klinker. Auf diese Weise konnten Forscher sich auf die relevanten Merkmale konzentrieren, ohne von anderen Elementen im Bild gestört zu werden.

#Ergebnisse und Beobachtungen

Während der Tests wurde beobachtet, dass das Harz nicht alle Hohlräume in den Proben vollständig ausfüllte, was bedeutete, dass einige Poren unbesetzt blieben. Während dies normalerweise die Messungen nicht störte, mussten grössere Poren schwarz angemalt werden, um Fehler zu vermeiden.

Die Ergebnisse zeigten, dass mit fortschreitender Hydratation die Dicke der Hydrat-Schicht zunahm. Allerdings wurde beim Vergleich der Hydrat-Schichtdicke mit den Partikelgrössen deutlich, dass die Daten mit dem Alter verschoben wurden. Mit zunehmendem Alter der Proben nahm die Anzahl der unhydratisierten Partikel ab, was zu mehr Rauschen in den Ergebnissen führte.

Die Studie fand zwei Hauptspitzen in der Hydrat-Schichtdicke für Proben unter 28 Tagen. Nur die zweite Spitze wurde als gültig betrachtet, da die erste Spitze eher ein Artefakt der Bildverarbeitung darzustellen schien als echte Daten.

#Vergleich mit früheren Studien

Beim Vergleich dieser Ergebnisse mit früheren Forschungen traten einige Ähnlichkeiten und Unterschiede auf. Einige Studien massen die gleichen Hydrat-Schichten mit anderen Techniken und fanden im Allgemeinen kleinere Dicken als in dieser Studie. Diese Diskrepanz könnte von unterschiedlichen Methoden oder Probenarten herrühren, die in diesen Studien verwendet wurden.

Frühere Forschungen zeigten beispielsweise, dass die Hydratdicke normalerweise 0,8 µm nicht überschreiten würde, ein Wert, mit dem diese Studie nicht übereinstimmte. Der Unterschied könnte auf Variationen in den Messmethoden zurückzuführen sein, da diese Studie sich speziell auf die Hydrat-Schicht um einzelne Körner konzentrierte.

#Einschränkungen und zukünftige Arbeiten

Eine Einschränkung dieser Methode ist, dass sie am effektivsten ist, wenn es eine signifikante Menge an Porenraum in der Probe gibt. Wenn die Mikrostruktur sehr dicht wird, wird es schwierig, die Hydrat-Schicht genau zu messen. Auch bei der Analyse älterer Proben hatte das Werkzeug Schwierigkeiten, sowohl aufgrund der reduzierten Anzahl unhydratisierter Partikel als auch wegen der Zersetzung grösserer Körner.

Die Forscher sind optimistisch, dass diese Methode auch bei der Analyse komplexerer Materialien über Alit hinaus wertvoll sein könnte. Durch den Einsatz fortschrittlicher Segmentierungstechniken wie maschinelles Lernen könnte die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse verbessert werden.

Zukünftige Forschungen werden auch die Auswirkungen verschiedener Parameter untersuchen und versuchen, die Verarbeitung für verschiedene Probengrössen und -alter zu optimieren. Das wird helfen, die Variabilität zwischen verschiedenen Proben besser zu verstehen und die Dimensionen der Hydrat-Schicht weiter zu analysieren.

#Fazit

Das neu entwickelte Tool misst erfolgreich das Wachstum der Hydrat-Schicht in Alit-Proben über 28 Tage. Die Ergebnisse zeigen einen klaren Anstieg der Dicke und zeigen, wie das Tool den Messprozess optimieren kann. Allerdings nimmt seine Effektivität bei älteren Proben oder solchen mit einer sehr dichten Mikrostruktur ab.

Die Erkenntnisse aus dieser Studie haben das Potential, unser Verständnis der Hydratation im Zement zu verbessern und letztlich zu besseren Betonmaterialien für den Bau zu führen. Die Fähigkeit des Tools, Bilder automatisch zu analysieren, minimiert das Risiko menschlicher Fehler und macht es zu einer wertvollen Ergänzung der Materialwissenschaften.