Das Verhalten des Zementsteins mit seinem - submikroskopischen - Nanogefüge beeinflusst die Gebrauchseigenschaften von Betonkonstruktionen. Im Nanobereich, der bei etwa 100 nm endet, dominieren die Gesetze der Oberflächenphysik und Oberflächenchemie. Sie erfordern besondere Messmethoden und Theorien. Wenn sich das System insbesondere durch Trocknen und Befeuchten, Gefrieren und Schmelzen, Eindringen gelöster Stoffe ändert, dann entstehen sehr große Spannungen und Verformungen, die zu den makroskopisch gefürchteten Phänomenen wie Schwinden oder Frostschaden führen. Auch ein Massentransport wird generiert. Die Probengröße der Grundlagenversuche ist in der Regel auf Millimeter begrenzt, da sich hier thermisches und thermodynamisches Gleichgewicht in akzeptablen Zeiten (unter einer Stunde) einstellt. In diesem mikroskopischen Bereich finden die wesentlichen Transportvorgänge statt. Zwangsspannungen sind gering. Dagegen stellt sich bei dynamischen Randbedingungen im realen makroskopischen Bereich praktisch kaum Gleichgewicht ein. Hier sind Modellierungen erforderlich, um gezielte Aussagen zu erhalten. Allerdings können die Modellrechnungen nur so gut d.h. realistisch und verlässlich sein, wie es die Eingabeparameter zulassen. Es war das Ziel der Dissertation diese ganz verschiedenen Gesichtspunkte zu verbinden und auch als Dolmetscher zwischen den Sprachregelungen zu fungieren. Das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit zeigt, wie wichtig dieser Ansatz ist. Beim Frost-Tau-Angriff bewegt sich mit der Schmelzfront eine Prozesszone in den Beton, die zum Frostsaugen führt. Die Basis im mikroskopischen Bereich ist das Mikroeislinsenmodell, im makroskopischen Bereich die Theorie poröser Medien.

The characteristic freeze-thaw phenomena of cementitious materials are described by a multi-phase and multi scale model developed on the basic work of Kruschwitz & Setzer (2005), Kruschwitz & Bluhm (2005). These are frost shrinkage, frost heave and artificial saturation during melting, obviously two to three times greater than isothermal capillary suction. The reasons for this behaviour can be found in the pore structure of a cementitious matrix extending to six orders of magnitude. Macroscopic water and air exists in capillary pores. Their hydraulic pore radius is greater than 0.1 micron. Gel water fills the smaller gel pores. Their diameter goes down to a few nanometers. The surface interaction within this nanostructure influences the properties of the matrix very much and cannot be neglected. Stockhausen et al. (1979) have shown that there is still liquid water in hardened cement paste even far below -60 deg C. DTA-measurements lately made by Liebrecht have deepened this knowledge regarding the properties of the pore solution. Most relevant for the presented models the distinction between two length scales and their characteristic time scales. The model describes transient conditions (i.e. water-uptake, heat transport) at the macroscopic scale which are characterized by a relatively long time period to reach equilibrium. The macroscopic aspects are modelled by a thermomechanic model based on the TPM (Theory of porous Media), see de Boer (2000), consisting of a mixture of five interacting constituents phi^alpha namely the solid skeleton phi^s the pore liquid characterised by a macroscopic behaviour phi^L, the pore volume occupied by vapour phi^V, the ice phi^I and the gel water phase phi^P. The TPM is a combination of the Theory of Mixtures and the Concept of Volume Fractions. The nano effects are presented by a smeared micro structure, that characterizes essentially the (CaO)(SiO2)(H2O)-gel system consisting of solid (CaO)(SiO2)(H2O), pore water and air filled gel-pores with adsorbed water films. It is essential to consider the solid gel and the gel water as a system. Setzer, Liebrecht, Duckheim & Kruschwitz (2006) called this two-phase system Solid-Liquid Gel-System. On this basis the findings of Powers, Feldman and Sereda or the Munich model - can be improved essentially. The basic equations of the physical properties for this micro- and nano-structure newly compiled by Setzer (2004) have been taken into account. These characterise the interaction with the pore walls. Assuming thermodynamic equilibrium and constant temperature for all constituents for a cube of 120 microns length representing an elementary volume at the micro-scale, see Setzer (2005), the balance equations of the microscopic model are solved for each point of the macroscopic model.