Beton ist das weltweit am häufigsten verwendete Baumaterial. Die niedrigen Rohstoffkosten, seine hohe Druckfestigkeit und die Einfachheit des Herstellungsprozesses machen ihn zu einem äußerst attraktiven und leicht zu verarbeitenden Material für den Bau- und Gebäudesektor. Der Beton reißt im Laufe der Nutzungsdauer, was unvermeidlich ist und auf verschiedene Umwelteinflüsse und Belastungen wie Verkehrsbelastung, Frost-Tau-Zyklen, aber auch auf die Betonqualität zurückzuführen ist. Diese Risse bieten Substanzen wie Chloridionen, Kohlenstoffdioxid oder Schwefelionen einen Weg, bei Stahlbetonkonstruktionen Korrosion hervorzurufen. Durch diese Mechanismen wird die Lebensdauer einer Betonstruktur ernsthaft gefährdet und verursacht gleichzeitig erhebliche Instandhaltungskosten. Daher werden Selbstheilungsmethoden zum Schließen von Rissen in Beton entwickelt.

In den letzten Jahren haben sich die Forschungsarbeiten zu Selbstheilungsmethoden hauptsächlich auf experimentelle Arbeiten konzentriert, während in der Literatur nur wenige numerische Modelle beschrieben werden. Diese Modelle setzen die Dicke von Rändern oder Grenzflächen zwischen verschiedenen Oberflächen zu Null. Eine solche Grenzfläche beschreibt die Kinetik einer Phasenumwandlung von einem Nicht-Gleichgewichtszustand in einen Gleichgewichtszustand. Dieses Problem erfordert, dass die Diffusionsgleichung an den Grenzflächen unter beweglichen Randbedingungen gelöst werden muss, was zwar für die Entwicklung einfacher Geometrien machbar ist, aber für höherdimensionale Systeme oder kompliziert geformte Grenzflächen nicht zielführend ist.

Für eine genauere Beschreibung des oben genannten Problems wird in dieser Dissertation ein neuartiger Ansatz für die Selbstheilung von zementbasierten Materialien mithilfe der Phasenfeldmethode (PF-Methode) vorgestellt. Im Gegensatz zu den traditionellen scharfen Grenzflächenmodellen bietet die PF-Methode eine bequeme Möglichkeit, mit frei beweglichen Grenzflächen endlicher Dicke numerisch umzugehen. Hierbei wird die Grenzfläche implizit als zeit- und raumabhängige Funktion ausgedrückt, die den Phasenzustand darstellt und über dem gesamten Berechnungsgebiet definiert ist.

In dieser Arbeit wird die diffusionskontrollierte isotrope Auflösung von Mineralien zunächst unter dem Gesichtspunkt des mesoskaligen Phasenübergangs untersucht. Auf der Grundlage früherer Formulierungen von Kim et al. [1] wird die Grenzflächenmobilität unter diffusionskontrollierten Bedingungen hergeleitet. Am Beispiel der Solvatation von Natriumchlorid in Wasser werden zunächst die Ergebnisse der PF-Methode mit denen von analytischen Modellen und Experimenten verglichen, wobei die PF-Methode zur Auflösung von Mineralien angewendet wird. Anschließend wird die PF-Methode zur thermodynamischen Simulation der Präzipitation von mineralischen Substanzen verwendet. Es zeigt sich, dass die Karbonatisierungsfront die Auflösungszone und den Karbonatisierungsfortschritt unterscheidet. Physikalisch-chemische Aspekte werden genutzt, um die Funktionen der freien Energie für die Auflösungs- und Ausfällungssysteme zu konstruieren. Darüber hinaus bestimmt das Solvatationsmodell die lokalen Konzentrationsfelder der aktiven Bestandteile im Phasenfeldmodell. Die Modellparameter werden experimentell anhand der Karbonatisierung des Minerals Calciumhydroxid ermittelt. Neu ist, dass die Entwicklung mehrerer Grenzflächen beschrieben und durch experimentelle Untersuchungen validiert werden kann. Hierbei wird die Selbstheilung durch die Karbonatisierung von Kalziumhydroxid betrachtet. Die Modellergebnisse und die experimentellen Daten stimmen gut überein. Außerdem wird die Entwicklung der Rissmorphologie nachgewiesen. Diese Dissertation zeigt das Potenzial der PF-Methode als Vorhersageinstrument zur Abschätzung der Selbstheilung in zementbasierten Materialien.