Zement trocknen sehen

Als er zum ersten Mal einen Kollegen über Zementforschung sprechen hörte, sagte Ronald Berliner, Nuklearphysiker an der University of Missouri-Columbia, habe ich mit Entsetzen gemerkt, dass ich keine Ahnung hatte, was Zement ist. Vier Jahre später weiß der Berliner viel über Zement; Tatsächlich sprengt er die Grenzen dessen, was wir über diese allgegenwärtige, aber wenig verstandene Substanz wissen, die entscheidend dafür ist, Beton zu dem weltweit am häufigsten verwendeten Industriematerial zu machen.

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Zement ist eine komplexe Mischung; Portlandzement (der üblicherweise für Gebäude verwendete Typ) besteht hauptsächlich aus Silikaten und Aluminaten, mit einer Bestäubung von Natrium, Kalium, Schwefel, Eisen und Magnesiumoxid. Wissenschaftler wissen seit langem, dass sich die Inhaltsstoffe mit Wasser zu Hydraten verbinden, die Sand und Gestein zu Beton binden. Ein genaues chemisches Verständnis dieses Prozesses hat sich jedoch als schwer fassbar erwiesen, da die meisten analytischen Methoden bei nassem Zement nicht funktionieren.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 1998



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Besonders mysteriös ist die 6- bis 8-stündige Ruhephase zwischen der anfänglich kurzen Phase der schnellen Reaktion, bei der das Betongemisch erstmals mit Wasser versetzt wird, und einer späteren Phase der schnellen Aushärtung. Berliner nutzt quasielastische Neutronenstreuung auf Nullpunkt für einen Schlüsselaspekt der Ruhephase: die Reaktion von Tricalciumsilikat (der vorherrschenden Verbindung in der Zementmischung) mit Wasser. Seine Arbeit zeigt, dass sich bei der Zugabe von Wasser zu Zement eine Kruste um jedes Zementkorn bildet. Danach dauert es immer länger, bis Wassermoleküle in den trockenen Zement hinein diffundieren. Dieser langsame Diffusionsprozess erklärt die mysteriöse Ruhephase.

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Die Berliner hofft, dass die genaue Kenntnis der Kombination von Trikalziumsilikat und Wassermolekülen zu einer Optimierung der Reaktion führt, um stärkeren und haltbareren Beton zu erhalten. Und selbst kleine Verbesserungen könnten enorme Einsparungen bewirken, denn so viel Beton – 350 Millionen Tonnen – wird jedes Jahr auf der ganzen Welt hergestellt.

Darüber hinaus könnte eine Verbesserung der Betonfestigkeit das erforderliche Volumen in Bauwerken reduzieren, was eine gute Nachricht für die Umwelt wäre. Die Zementherstellung ist ein Hauptgrund für die globale Erwärmung; Schätzungsweise 10 Prozent der durch menschliche Aktivitäten erzeugten Treibhausgase werden bei der Zementproduktion gebildet, die auch geschätzte 3 Prozent der US-amerikanischen Stromerzeugungskapazität nutzt.

Berliner setzt jetzt Neutronenstreutechniken ein, um die Betonplage zu bekämpfen, die viele Straßen und Brücken rapide zerstört. Die Suche nach einem Heilmittel würde das Trocknen von Zement viel interessanter machen, als es zunächst erscheinen mag.

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