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Baustoffe: Molekulare Struktur von Zement aufgeklärt

Rund 2000 Jahre nachdem erstmals zementartige Bindemittel verbaut wurden, ist es Wissenschaftlern endlich gelungen, die grundlegende molekulare Struktur von Zement zu entschlüsseln. Im Gegensatz zum seltenen Mineral Tobermorit, dem die Zementhydrate nach bisheriger Lehrmeinung physikalisch ähneln sollten, formt das gebräuchliche Material kein richtiges Kristallgitter aus.

Während sich Tobermorit aus unendlich langen Ketten von Silikattetraedern aufbaut, in die dünne Schichten aus Kalziumoxid eingelagert sind, bilden die Kalksilikathydrate des Zements ein hybrides Gemisch aus kristallinen und amorphen Strukturen, wie sie zum Beispiel Glas charakterisieren. Als die Forscher um Franz-Josef Ulm vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge einen Blick auf die atomare Struktur des Zements warfen, sahen sie, dass Zementhydrat ebenfalls aus Silikattetraederschichten aufgebaut ist. Jede dritte, sechste und neunte Triangle dieser Kette griff jedoch in die darüber oder darunter liegenden Kalziumoxidschichten über.

Die dabei entstehenden Brüche in den Silikatlagen sorgen wiederum dafür, dass begleitend in den Kalziumoxidebenen Hohlräume auftreten, in denen sich die Wassermoleküle bindend anlagern. Und dies gebe dem Zement die robuste Beschaffenheit, die Bauherren an ihm schätzen, so Ulm. Die vermeintlichen Schwachstellen in der inneren Struktur des Materials sorgen zudem dafür, dass der ausgehärtete Stoff einigermaßen flexibel reagieren kann und sich – wenn auch in geringem Umfang – dehnen oder drücken lässt, anstatt gleich zu brechen. Das Wasser schwächt damit nicht das Kristallgitter wie bei der Reaktion mit Tobermorit, sondern stabilisiert vielmehr die "Unordnung" im Zementhydrat.

Zement ist einer der gängigsten Baustoffe der Welt, seine Produktion setzt jedoch große Mengen an Kohlendioxid frei und ist energieaufwändig. Mit ihrem neu gewonnenen Wissen wollen die Forscher nun das Produkt so manipulieren, dass es noch widerständiger und gleichzeitig in der Herstellung umweltfreundlicher wird. (dl)

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  • Quellen
Pellenq, R. et al.: A realistic molecular model of cement hydrates. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 10.1073.pnas.0902180106, 2009.

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