Osmotische Prozesse in mineralischen Baustoffen
Creators: name: Schulenberg, David
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: osmosis
subject: osmotic pressure
subject: mineral building material
subject: semipermeable membrane
classificationCode: 624
subject: Civil Engineering, Environmental Engineering

description: Damage due to the formation of bubbles in coating systems on mineral building material substrates has been known since the 1970s. Previous publications on this topic have mainly dealt with the causes of bubble formation. It remains controversial whether osmotic processes are the cause of such damage. This thesis investigates whether a mineral building material itself forms a semipermeable membrane and leads to the build-up of osmotic pressures. Furthermore, it should be clarified where and under what conditions the membrane is created. Apparatuses (so-called osmometers) were developed for the investigations in which mortar disks are used as a membrane between two pressure-tight chambers. One of the two chambers is filled with a concentrated solution and the other with deionized water. Before the experiments start, the samples are sealed with epoxy resin, except for defined areas for the mass transport. With the help of pressure, temperature and conductivity sensors as well as subsequent XRF measurement, the changes in the two solutions are measured over time. The cement mortars are characterized in terms of their properties as green mortar and hydrated mortar. From the results of the osmometer experiments and the characteristic properties of the samples, conclusions should be drawn about the formation and the functionality of a semipermeable membrane and the conditions for the formation of osmotic pressures. The investigations have shown that even with simple cement mortars (CEM I cement; CEN Normsand; w/c = 0,45) and 2M NaCl or KBr solution, pressures up to 0,1 N/mm2 formed after only a few months. In tests on cement mortars with higher w/c ratios and in a test with a commercial polymer silicate mortar, these pressures were reached after a shorter time. After finishing the experiment, ion concentrations of the elements from the concentrated solution increased in the chamber with pure solvent, while the ion concentration in the chamber of the concentrated solution decreased. Since the ions Cl− and Br− are not part of the sample, they can only derive from the concentrated solution. In addition to the diffusion of water molecules in the direction of the concentrated solution, there is also a (significantly slower) transport of dissolved ions in the opposite direction through the sample. This does not correspond to the classic definition of a semipermeable membrane, which is only permeable for the solvent. Nevertheless, the results confirm that the transport processes in the experiments are osmosis.
description: Seit den 1970er Jahren sind Schäden durch Blasenbildung an Beschichtungssystemen auf mineralischen Baustoff-Untergründen bekannt. Bisherige Veröffentlichungen zu diesem Thema beschäftigten sich hauptsächlich mit den Ursachen der Blasenbildung. Es bleibt umstritten, ob osmotische Prozesse den Auslöser solcher Schäden darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, ob ein mineralischer Baustoff selbst eine semipermeable Membran ausbildet und sich osmotische Drücke aufbauen. Weiterhin soll geklärt werden, wo und unter welchen Bedingungen die Membran entsteht. Für die Untersuchungen wurden Apparaturen (sog. Osmometer) entwickelt, in welchen Mörtelscheiben als Membran zwischen zwei druckdichten Kammern eingesetzt werden. Jeweils eine der beiden Kammern wird mit einer konzentrierten Lösung und die andere mit entionisiertem Wasser gefüllt. Zuvor werden die Proben - mit Ausnahme von definierten Bereichen für den Stofftransport - mit Epoxidharz versiegelt. Mithilfe von Druck-, Temperatur- und Leitfähigkeitssensoren sowie anschließender RFA-Messung werden die Veränderungen der beiden Lösungen über die Zeit gemessen. Die Zementmörtel werden hinsichtlich ihrer Frisch- und Festmörteleigenschaften charakterisiert. Aus den Ergebnissen der Osmometer-Versuche und den charakteristischen Eigenschaften der Proben sollen Rückschlüsse über die Ausbildung und Wirkungsweise einer semipermeablen Membran und die Bedingungen für den Aufbau osmotischer Drücke geschlossen werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bereits bei einfachen Zementmörteln (CEM I Zement; CEN Normsand; w/z = 0,45) und 2M NaCl bzw. KBr Lösung nach wenigen Monaten Drücke von bis zu 0,1 N/mm2 aufbauen. Bei Versuchen an Zementmörteln mit höheren w/z-Werten und bei einem Versuch mit einem kommerziellen Polymersilikatmörtel wurden diese Drücke bereits nach kürzerer Zeit erreicht. In der Kammer mit reinem Lösungsmittel wurden nach Versuchsende geringe Konzentrationen der Elemente aus der konzentrierten Lösung nachgewiesen, während die Ionen-Konzentration in der Kammer der konzentrierten Lösung über die Versuchsdauer abgesunken ist. Da die Ionen Cl- und Br+ keine Bestandteile der Probe darstellen, können sie ausschließlich aus der konzentrierten Lösung stammen. Neben der Diffusion von Wassermolekülen in Richtung der konzentrierten Lösung findet also auch ein (deutlich langsamerer) Transport von gelösten Ionen in die entgegengesetzte Richtung durch die Probe hindurch statt. Dies entspricht nicht der klassischen Definition einer semipermeablen Membran, welche lediglich das Lösungsmittel hindurchlässt. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass es sich in den Versuchen um osmotische Prozesse handelt.