Grüner, harter Zement gesucht
Portlandzement ist wegen seiner Härte die meist verwendete Zementsorte. Allerdings verursacht seine Herstellung fünf Prozent der Kohlendioxidemissionen. Bis anhin ist die Herstellung eines ebenso harten aber umweltfreundlicheren Zement gescheitert. Nun gibt es neue Erkenntnisse, die einen Weg weisen könnten.
Das Rezept für den harten Portland-Zement ist seit seiner Erfindung vor rund 190 Jahren laufend perfektioniert worden. Heute gilt er als meist verwendete Zementsorte. Grund dafür ist seine Härte, aber auch die Verfügbarkeit seiner Bestandteile. Trotzdem hat er einen Nachteil: Die Herstellung des Zements ist ohne Kalziumkarbonat zu verbrennen nicht möglich. Dies wiederum ist für ungefähr fünf Prozent aller Kohlendioxidemissionen verantwortlich. Dies zu ändern ist schwierig. Denn ein neues Verfahren für umweltfreundlicheren Zement stellt hohe Anforderungen was Härte und Verfügbarkeit der Rohstoffe erfüllen muss.
Emanuela Del Gado, SNF-Förderungsprofessorin am Institut für Baustoffe der ETH Zürich, erklärt, dass es zwei Gründe für seine Beliebtheit gibt: die legendäre Härte des Zements und die Verfügbarkeit seiner Bestandteile.
Weil die Zementproduktion so umweltschädlich ist, befassen sich weltweit verschiedene Forschungsgruppen mit der Frage, wie aus der Vermischung von feinem Staub und Wasser ein Stoff von so grosser Härte entsteht. Forscher des Massachussetts Institute of Technology (MIT) erforschen derzeit den Zement im Nanobereich: Dazu verwendeten sie ein Instrument, das auf geringsten Flächen im Submikrometerbereich mechanische Belastungen ausüben kann. Dabei stellten sie fest, dass zwischen verschiedenen Messpunkten im Zement grosse Unterschiede in der Dichte bestehen. Die Gründe dafür blieben vorerst im Dunkeln.
Der Physikerin Emanuela Del Gado, SNF-Förderungsprofessorin am Institut für Baustoffe der ETH Zürich, ist es gelungen, diese Unterschiede zu erklären: „Gewisse Eigenschaften zeigen sich nur auf der Nano-Ebene und nicht auf der atomaren Ebene. Dies trifft auch auf hydriertes Kalziumsilikat zu, das eine entscheidende Rolle bei der Erhärtung von Zement spielt“, sagt Del Gado. Mit ihrem Team entwickelte sie ein Modell, das die Anordnung hydrierter Kalziumsilikat-Nanopartikel beschreibt. „Wir konnten zeigen, dass die unterschiedlichen Dichtebereiche durch unterschiedlich grosse Nanopartikel zustande kommen“, so Del Gado. „Die dadurch entstehende Festigkeit ist grösser, als wenn alle Teilchen gleich gross wären. Entsprechend ist seit langem bekannt, dass Beton härter wird, wenn man auf der makroskopischen Ebene Aggregate unterschiedlicher Grösse kombiniert.“
Bis heute haben alle Versuche, Zement mit weniger oder ohne Kalziumkarbonat herzustellen, zu einem Härteverlust geführt. Doch das verbesserte Verständnis der Vorgänge im Nanobereich könnten zu einer präziseren Definition der physikalischen und chemischen Parameter führen, die einen ebenso harten, aber umweltfreundlicheren Zement charakterisieren. (mai/mgt)
