Das Aushärten von Zement: Neue Einblicke mit modernen Methoden der Neutronenstreuung
Die Zementindustrie gehört zu den Branchen, die wesentlich zum Kohlendioxid-Ausstoß beitragen. Fünf bis sieben Prozent beträgt ihr Anteil an der weltweiten Emission. Technologieentwicklungen zielen deshalb darauf ab, die Haltbarkeit des Betons entscheidend zu verbessern, um so weniger Beton herstellen zu müssen. Dazu muss vor allem der Wasserfluss im Zement reduziert werden, was nur gelingt, wenn man das Prinzip der Wasser-Mobilität während des Aushärtens versteht.
Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) haben in Kooperation mit internationalen Kollegen neue Einblicke in diese Prozesse gewonnen. In der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces stellen Heloisa Bordallo (HZB) und ihr Team Neutronenmessungen vor, mit denen sie auf einzigartige Weise den Wassertransport im Zement verfolgen können. „Die Neutronenstreuung ist für derartige Untersuchungen besonders gut geeignet, weil man kleinste Strukturen von nur wenigen Nanometern, aber auch größere Strukturen von mehreren Mikrometern untersuchen kann“, sagt Heloisa Bordallo. Viele andere Methoden sind über so einen großen Bereich nicht sensibel genug.
Als eines der wichtigsten Ergebnisse haben die Forscher herausgefunden, dass es Kanäle und Poren im Zement gibt, die die Mobilität des Wassers auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Zum einen gibt es sehr kleine Poren mit einem Radius von weniger als zehn Nanometer, so genannte Gel-Poren. Diese beeinflussen die horizontale und die kreisförmige Wasserbewegung im Zement und sind wichtig für die Qualität des ausgehärteten Betons. Im Idealfall kontrollieren diese Poren den Wasserfluss. Doch oft sind es nicht die Gel-Poren, die das Wasser tatsächlich festhalten. Dafür sorgen die winzigen Kanäle zwischen ihnen. Sie sind noch kleiner als die Gel-Poren und wirken aufgrund von Kapillarkräften wie ein Flaschenhals, in dem das Wasser steckenbleibt.
"Solche detaillierten Kenntnisse zur Struktur von Zement waren bislang unbekannt", sagt Heloisa Bordallo. In einem aktuellen Review in der Zeitschrift für Physikalische Chemie schreibt sie: "Wir können mithilfe der Neutronenstreuung genau ermitteln, wie schnell sich das Wasser in den Gel-Poren und den Kapillarporen bewegt." Für die Zementindustrie bedeutet dies, dass sie mit diesem Wissen Grenzwerte für den Wasserfluss festsetzen und so den Herstellungsprozess besser kontrollieren könnte.
Originalveröffentlichungen: Heloisa N. Bordallo, Laurence P. Aldridge, Peter Fouquet, Luis Carlos Pardo, Tobias Unruh, Joachim Wuttke and Fabiano Yokaichiya ; "Hindered Water Motions in Hardened Cement Pastes obtained on a Large Time and Length Scale"; ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 1 No10 pp 2154-2162.
Heloisa N. Bordallo, Laurence P. Aldridge; “Concrete and Cement studied by QENS”; Zeitschrift für Physikalische Chemie 2009.
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