Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Nanopartikel die Härte von Zement bestimmen

20.12.2012
Die Zementherstellung ist für fünf Prozent des Kohlendioxid-Ausstosses verantwortlich.

Ein nachhaltigerer und "grüner" Zement muss genau so hart sein wie der traditionelle Portland-Zement. Was dessen unglaubliche Härte ausmacht, hat eine Forschungsgruppe herausgefunden, die auch vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützt wird.

Das Rezept für den Portland-Zement wurde über Jahre verfeinert, nun ist er die gebräuchlichste aller Zementarten. 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.

Fünf Prozent der Kohlendioxidemissionen
Die Kehrseite der Medaille: Bis heute lässt sich Zement nicht herstellen, ohne Kalziumkarbonat zu verbrennen. Dieser Erhitzungsprozess ist für ungefähr fünf Prozent aller Kohlendioxidemissionen verantwortlich. Und das lässt sich so leicht nicht ändern, da ein neues Verfahren für nachhaltigeren Zement hohe Anforderungen in Bezug auf Härte und Verfügbarkeit der Rohstoffe erfüllen muss.

Da die Zementherstellung 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.

Unterschiedliche Dichten im Nanobereich
Forschende des Massachussetts Institute of Technology (MIT) konzentrierten sich auf die Erforschung von Zement im Nanobereich. Sie verwendeten dabei ein Instrument, das auf geringsten Flächen imSubmikrometerbereich mechanische Belastungen ausüben kann. So haben sie festgestellt, dass zwischen verschiedenen Messpunkten im Zement grosse Unterschiede in der Dichte bestehen. Die Gründe dafür blieben vorerst im Dunkeln.

Der Physikerin Emanuela Del Gado ist es jetzt gelungen, diese Unterschiede zu erklären. Sie interessiert sich vor allem für amorphe Materialien mit unregelmässig verbundenen Komponenten. "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.

Anordnung von Teilchen unterschiedlicher Grösse
Die Forschenden kreierten zuerst ein Modell, das die Anordnung hydrierter Kalziumsilikat-Nanopartikel beschreibt. In einem zweiten Schritt entwickelten sie aufgrund numerischer Simulationen eine Methode, um die Anordnung der Teilchen bei der Ausfällung 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 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 führen hoffentlich zu einer präziseren Definition der physikalischen und chemischen Parameter, die einen ebenso harten, aber umweltfreundlicheren Zement charakterisieren.

(*)E. Masoero, E. Del Gado, R. J.-M. Pellenq, F.-J. Ulm, and S. Yip (2012). Nanostructure and Nanomechanics of Cement: Polydisperse Colloidal Packing. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.155503

(als PDF beim SNF erhältlich; E-Mail: com@snf.ch)

Kontakt
Prof. Dr. Emanuela Del Gado
Institut für Baustoffe
ETH Zürich
CH-8093 Zürich
Tel.: +41 44 633 37 44
E-Mail: delgado@ifb.baug.ethz.ch

Prof. Dr. Emanuela Del Gado | idw
Weitere Informationen:
http://www.snf.ch/
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung
14.12.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Warum Teige an Oberflächen kleben
14.12.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

Materialinnovationen 2018 – Werkstoff- und Materialforschungskonferenz des BMBF

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovativer Wasserbau im 21. Jahrhundert

13.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Was für IT-Manager jetzt wichtig ist

14.12.2017 | Unternehmensmeldung

30 Baufritz-Läufer beim 25. Erkheimer Nikolaus-Straßenlauf

14.12.2017 | Unternehmensmeldung

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungsnachrichten