Gibt es bald „grünen“ Beton?

Internationalen Forschern um die Physikerin Emanuela Del Gado ist es gelungen zu erklären, warum das bei der Zement-Herstellung verwendete Kalziumkarbonat zu einer größeren Härte des Zements führt. Der Einsatz von Kalziumkarbonat in der Baustoffherstellung trägt mit ganzen fünf Prozent zum weltweiten CO2-Ausstoß bei. Daher könnte die Entwicklung einer neuen Produktionstechnologie zu einer Entlastung der Atmosphäre führen. Die Materialwissenschaftler hoffen nun mit ihren neuen Erkenntnissen zur Nanostruktur des Zements, einen Anfang zur Entwicklung neuer Produktionswege gemacht zu haben. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie im Fachmagazin „Physical Review Letters „.

Die Zementherstellung ist für fünf Prozent des globalen Kohlendioxid-Ausstoßes verantwortlich. Denn bis heute lässt sich der gebräuchliste von ihnen, der Portland-Zement, nicht herstellen, ohne Kalziumkarbonat zu verbrennen. Dieser Erhitzungsprozess ist es, der die hohe CO2-Emission verursacht.

Da die hohen Anforderungen in Bezug auf Härte und Verfügbarkeit der Rohstoffe erfüllt sein müssen, was bisher ohne Einsatz des Karbonats nicht möglich ist, konnte jedoch bis heute kein Verfahren für „grünen“ – umweltfreundlichen – Zement entwickelt werden. In Anbetracht der Klimaerwärmung ist die Suche nach einem alternativen Prozess aber von großem Interesse für die Wissenschaft. Deshalb suchen Forschungsgruppen weltweit nach einer Lösung für die Frage, wie aus der Vermischung von feinem Staub und Wasser ein Stoff von so großer Härte entstehen kann.

Den Grund für die enorme Härte und die Rolle, die die Nanostruktur des Materials bei dessen Bildung spielt, haben Wissenschaftler vom MIT (Massachussettes Instiute of Technology)jetzt offenbar gefunden. Sie konzentrierten sich bei ihren Untersuchungen auf die Erforschung von Zement im Nanobereich. Dabei verwendeten die Forscher ein Instrument, das auf geringsten Flächen im Submikrometerbereich mechanische Belastungen ausüben kann. So stellten sie fest, dass zwischen verschiedenen Messpunkten im Zement große Unterschiede in der Dichte bestehen. Die Gründe dafür blieben allerdings vorerst im Dunkeln.

Jährlicher weltweiter CO2-Ausstoß aufgrund von Zementherstellung (1925–2000). © Florian.Arnd/CC-by-sa 3.0 / de

Der Physikerin Emanuela Del Gado ist es jedoch gelungen, diese Unterschiede zu erklären. Sie und ihre Kollegen entwickelten hierfür ein Modell, das die Anordnung von Kalziumsilikat-Nanopartikel im Beton beschreibt. In einem zweiten Schritt entwickelten sie eine Simulation, um die Anordnung der Teilchen beim Entstehungsprozess zu beobachten. „Wir konnten zeigen, dass die unterschiedlichen Dichtebereiche durch unterschiedlich große Nanopartikel zustande kommen. Die dadurch entstehende Festigkeit ist größer, als wenn alle Teilchen gleich groß sind.“ Auf makroskopischer Ebene sei lange bekannt, dass Beton härter werde, wenn man Aggregate unterschiedlicher Größe kombiniere, erklärt Del Gado weiter.

„Gewisse Eigenschaften zeigen sich nur auf der Nano-Ebene und nicht auf der atomaren Ebene.“ Dies treffe auch auf das Kalziumkarbonat zu, das eine entscheidende Rolle bei der Zementhärtung spiele. Bis heute hatten alle Versuche, Zement mit weniger oder ganz ohne Kalziumkarbonat herzustellen, zu einem Härteverlust geführt.

Das neue Verständnis der Vorgänge im Nanobereich könne, so die Hoffnung der Wissenschaftler, durch eine präzisere Beschreibung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials zur Entwicklung eines „grünen“ aber ebenso harten und hochqualitativen Zements wie dem Portland-Zement führen. (doi: 10.1103/PhysRevLett.109.155503)

(Schweizerischer Nationalfonds SNF, 21.12.2012 – KBE)