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Influence of Polymers on Nucleation and Assembly of Calcium Silicate Hydrates

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Einfluss von Polymeren auf die Nukleation und Aggregation von Calciumsilikathydraten
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Calcium silicate hydrates (C-S-H), the main components of hydrated cement, are known for being responsible of its cohesion. In this respect, they act as "glue" for the other solid components of mortar or concrete and thus strongly influence the mechanical properties of the outcoming material. One major disadvantage of cementitious materials though are their poor tensile strengths which can lead to crack formation. Inspired by Nature, which demonstrates in a huge variety of different biomaterials like bone or nacre the highly advantageous implementation of soft organics into brittle minerals to overcome this drawback, we provide here a route for the formation of inorganic-organic mesocrystalline C-S-H.

Given the scarce knowledge about the formation mechanisms and the influence of polymers on the growth and nucleation of C-S-H, a first part of this work focuses on the investigation of ongoing processes in the pre- and postnucleation stage of C-S-H precipitation and how these processes can be tuned by polymers. Although a huge panoply of additives were tested and proven to alter the nucleation outcome of C-S-H at various conditions, a phage display assay was performed to identify highly selective binding motifs on C-S-H to get closer to perfectly structured additives for C-S-H adsorption. With proper co-polymers that mimic the desired features that were proposed from the phage display, colloidal stabilization of C-S-H in solution could be achieved. Subsequent destabilization resulted in the formation of ordered inorganic-organic hybrid superstructures in three dimensions. Regarding mechanical properties, these so-called mesocrystals were proven to exhibit much more flexibility than pure C-S-H which is highly desired in construction materials. Thus, the outcome of this work can be seen as a first step towards the formation of new construction hybrid materials using bio-inspired approaches.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Calcium Silikat Hydrate (C-S-H) sind die Hauptkomponenten von hydratisiertem Zement und verantwortlich für seine Bindekraft. In diesem Zusammenhang wirken sie als "Klebstoff", welcher die anderen in Mörtel und Beton enthaltenen Feststoffe zusammenhält. Dementsprechend beeinflussen sie in großem Maße die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Materials. Ein bedeutender Nachteil von zementartigen Materialien ist jedoch ihre geringe Zugfestigkeit, wodurch äußere Einflüsse zur Bildung von Rissen führen können. Eine Möglichkeit, um diese Einschränkung zu übergehen, besteht in der Eingliederung von weicher, organischer Materie in die poröse, spröde Struktur von C-S-H. Diese weiche Materie wirkt als Schock Adsorber, so dass sich entstehende Beschädigungen in Form von Rissen nicht weiter fortpflanzen können. In der Natur gibt es viele Beispiele für solche sogenannten Hybridmaterialien, welche durch die Einbindung von geringen Anteilen an Organik ihre mechanischen Eigenschaften stark verbessern konnten. Biomaterialien wie der Seeigelstachel, Perlmutt oder Knochen sind nur einige Beispiele dafür, wie die Natur im Laufe der Evolution aus eigentlich schlecht geeigneten, brüchigen, anorganischen Komponenten wie Calciumcarbonat oder Calciumphosphat hochspezialisierte und äußerst stabile Materialien aufbauen konnte. Inspiriert von solchen Biomaterialien liefert diese Arbeit einen Weg zu der Bildung von organisch - anorganischem, mesokristallinem C-S-H.

Aufgrund der geringen Kenntnisse über die Bildungsmechanismen von C-S-H und der Wirkung von Polymeren auf diese, beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit mit der Untersuchung der Prozesse sowohl vor als auch nach der Nukleation und wie diese durch verschiedene Polymere beeinflusst werden können. Auch wenn viele getestete Polymere Einflüsse auf die Nukleation und das Wachstum von C-S-H zeigen, wäre ein speziell auf C-S-H zugeschnittenes, selektives Polymer von großem Vorteil, besonders in einem Multikomponentensystem wie Zement. Zu diesem Zweck beschreibt der zweite Teil der Arbeit eine Möglichkeit zur Identifikation von hochspezifisch adsorbierenden Bindemotifen auf der C-S-H Oberfläche. Dafür wurde ein Phagen Display durchgeführt, eine biologische Selektionsmethode für die Ermittlung von selektiv bindenden Peptiden für gegebene Oberflächen. Mit ausgewählten Polymeren, welche die Bindestrukturen der identifizierten Peptide imitieren, konnte eine kolloidale Stabilisierung von ansonsten sofort agglomerierendem C-S-H erreicht werden. Darauffolgende, kontrollierte Destabilisierung dieser Dispersion führte dann zu der Bildung von dreidimensional orientierten, anorganisch - organischen Hybridüberstrukturen. In Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften besitzen diese sogenannten C-S-H Mesokristalle eine viel höhere Flexibilität als das ursprüngliche Material, welche in zementartigen Baustoffen hoch erwünscht ist. Aufgrund dessen kann der Ausgang dieser Arbeit als ein erster Schritt in Richtung neuer, bio-inspirierter Baumaterialien angesehen werden.

Fachgebiet (DDC)
540 Chemie

Schlagwörter

Hybridmaterial, Nukleation, Biomimetik, Additive, C-S-H, calcium silicate hydrate, nucleation, biomimetic, mesocrystals, phage display, cement, additives, hybrid material

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April 19, 2013
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