Schwerpunkte

Hydratation von Zement unter Schwerelosigkeit

Bemannte Flüge zum Mars sind derzeit nur möglich, wenn das Raumschiff vom Mond starten kann. Aus diesen und weiteren Gründen betreiben derzeit sowohl ESA als auch NASA umfangreiche Durchführbarkeitsstudien zum Bau von Behausungen auf dem Mond, in denen Menschen über längere Zeiträume leben und arbeiten können. Der Lehrstuhl für Bauchemie trägt zu diesen Studien mit Untersuchungen zur Hydratation (Abbindeverhalten) von Portlandzement unter Schwerelosigkeit bei.

Gewöhnlicher Portlandzement besteht aus einem Gemisch verschiedener Klinkerphasen (Tricalciumsilikat, Dicalciumsilikat, Tricalciumaluminat und Tetracalciumaluminatferrat). Bei Zugabe von Wasser zum Zement beginnt dieser zu reagieren (dieser Prozess wird als Hydratation bezeichnet) und abzubinden. Die Hydratationsprodukte liefern die Adsorptionsplätze für viele Betonzusatzmittel und besitzen daher große Bedeutung. Eines der wichtigsten Hydratationsprodukte, welches sich sofort nach Zugabe von Wasser zum Zement bildet, ist Ettringit. Bei den Versuchen wurde der Einfluss von Schwerelosigkeit auf die ersten Sekunden der Zementhydratation in An- und Abwesenheit von Betonzusatzmitteln untersucht. Die Experimente wurden während einer 10 Sekunden andauernden Schwerelosigkeit auf Parabelflügen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit denjenigen aus Versuchen ohne Schwerelosigkeit verglichen, wobei insgesamt vier verschiedene Zementproben mit unterschiedlicher Zusammensetzung zum Einsatz kamen.

Es zeigte sich, dass unter Schwerelosigkeit generell kleinere, jedoch zahlreichere Ettringitkristalle entstehen. Des Weiteren wurde gefunden, dass aufgrund fehlender Konvektion die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristalle, infolge eines diffusionslimitieren Antransports der Ionen zum Kristall, geringer ist. Weiterhin ergaben die Versuche zur Kristallisation von Ettringit in Gegenwart von Polycarboxylat (PCE)-Fießmitteln, dass diese Polymere bevorzugt auf den Seitenflächen der Ettringitkristalle adsorbieren.

Abb. 1: REM-Aufnahmen von der Oberfläche einer Portlandzementprobe, welche über 10 Sekunden unter irdischer Schwerkraft (links) und unter Schwerelosigkeit (rechts) hydratisiert wurde.

In weiteren Experimenten wurde die spontane Bildung von Calciumsilikathydraten (C-S-H-Phasen), hergestellt durch Vereinigung von Ca(NO3)2- und Na2SiO3-Lösungen untersucht. C-S-H ist für die Festigkeit von Portlandzement verantwortlich, weshalb seine Nukleation und Wachstum von besonderen Interesse sind. Unter Schwerelosigkeit bilden sich bei pH = 11.6 nanoskalige C-S-H-Folien, während bei pH = 10.5 globuläre C-S-H-Nanopartikel entstehen. Im Gegensatz dazu wurden bei Anwesenheit von PCE-Fließmitteln unabhängig vom pH-Wert stets globuläre C-S-H-Nanopartikel gefunden.

Abb. 2: TEM-Aufnahmen von C-S-H-Phasen, erhalten nach 10 Sekunden Kristallisation unter Schwerelosigkeit ohne (links) und mit PCE-Fließmittel (rechts).