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Betonforschung: Reaktionsprozesse beobachten
Beton erhält seine Form und Beständigkeit, wenn Zement und Zuschlagsstoffe mit Wasser vermischt werden. Die chemischen Reaktionen sind bereits gut erforscht. Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technologie (MIT) haben ein Verfahren entwickelt, um den Ablauf der dynamischen Prozesse unter realen Bedingungen zu beobachten.
Quelle: MIT
Die Raman-Mikrospektroskopie ermöglicht neue Einsichten in die Zementchemie. Das hochauflösende Bild zeigt die Hydratation von Alit (weiss), Calcium-Silikat-Hydrat (blau) und Portlandit (rot) sowie Belit (grün) und Calcit (gelb).
Um Einblicke in die spezifischen und chemischen Reaktionen zu erhalten, griffen die Forscher auf die sogenannte Raman-Mikrospektroskopie zurück: Sie erzeugt Bilder, indem sie ein Laserlicht auf das Material richtet, um Intensitäten und Wellenlängen des Lichts zu messen. Dieses wird von den Molekülen, aus denen das Material besteht, gestreut. Wellenlängen und Frequenzen sind eine Art Fingerabdruck von Molekülen und molekulare Bindungen. Auf diesen physikalischen Grundgesetzen basiert die Technik, um Bilder molekularer Strukturen und dynamischer chemischer Reaktionen innerhalb des Materials zu erstellen.
Einsichten in die Zementhydratation
Mit der Raman-Mikrospektroskopie beobachteten die MIT-Wissenschaftler den Hydratationsprozesse, wie sie auch bei der Betonherstellung ablaufen. In einer ungeordneten Phase zu Beginn des Prozesses sickert Portlandit als eines der Hydratationsprodukte durch das Material der Zementproben und kristallisiert dann, wie das Forschungsteam aufgrund der mikrospektroskopischen Analyse schliessen konnte.
Quelle: MIT
Mit der Charakterisierungsmethode lassen sich Hydratationsprozesse von Zement unter realen Bedingungen überwachen.
Alle chemischen Veränderungen können mit der Technik fast kontinuierlich beobachtet werden. Bisher liessen sich Rückschlüsse auf die Zementhydratation lediglich aufgrund von durchschnittlichen Schütteigenschaften oder nur zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Prozesses untersuchen.
Die Bindereigenschaften von Zement sind hauptsächlich auf Calcium-Silikat-Hydrat (C-S-H) zurückzuführen, das laut den beteiligten Wissenschaftlern aber aufgrund seiner amorphen Natur sehr schwer zu erkennen ist. «Es war erstaunlich, die Struktur, Verteilung und Entwicklung während des Aushärtungsprozesses zu sehen», sagt Hyun-Chae Chad Loh, Erstautor der Studie über den Einsatz der Mikrospektroskopie und Doktorand am Masic Lab. Die Forschungen sollen auch einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Betonproduktion leisten.
Für Co-Autor Franz-Josef Ulm, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Fakultätsdirektor des Concrete Sustainability Hub beim MIT, könnte es ein besseres Verständnis der Zementchemie ermöglichen, damit Produktionsprozesse oder die Bestandteile von Beton auf eine Weise verändert werden könnten, um mit dem Baumaterial das Treibhausgas aktiv zu absorbieren. Ansätze sehen sie bei Experimenten mit neuen Additiven und anderen Methoden zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen.
Tests für nachhaltige Herstellung von Beton
Mit verschiedenen zementartigen Materialien soll beispielsweise die Absorption von Kohlendioxid getestet werden. Die bildgebende Technik soll helfen zu verstehen, in welchen Phasen die Aufnahme von Kohlendioxid erfolgt und wie diese verändert werden können. Bisher war es fast unmöglich, die Prozesse der Karbonisierung zementartiger Materialien nachvollziehen zu können.
Die bildgebende Analyse könnte auch für den 3D-Betondruck relevant werden, etwa wenn Betonschichten in einem genau gemessenen und abgestimmten Prozess aufgetragen werden.