Zementverhalten bei reduzierter  Schwerkraft

(26.9.2017) Mit 4,1 Mrd. t pro Jahr ist Zement das weltweit meist produzierte Industrieprodukt. Anwendung findet er insbesondere als Bindemittel in Betonrezepturen. Und deshalb wird Zement auch auf dem Mond benötigt werden, wo Kuppelbehausungen aus Beton entstehen sollen, die dann Astronauten als Zwischenstation auf ihrem Weg zum Mars dienen. Doch wie bilden sich beim Aushärten des Zements Zementkeime und wie wachsen Kristalle in Schwerelosigkeit bzw. bei reduzierter Schwerkraft?

Bereits vor über 2000 Jahren haben Menschen Zement für sich entdeckt. Als Bindemittel sorgt er für die Festigkeit von Beton, der durch Hydratation aushärtet - also durch eine chemische Reaktion mit Wasser: Nach der Wasserzugabe bildet sich ein Gefüge aus Hydraten oder Kristallen, die den Raum zwischen den Feststoffpartikeln des Zements füllen und den Aushärtungsprozess starten. Die Kristalle sind dabei nur wenige Nanometer groß. Noch heute ist dieser Vorgang Gegenstand der Forschung, denn das Verhalten einzelner Zementbestandteile variiert stark.

Das Team von Johann Plank von der Fakultät für Chemie der TU München hat vor diesem Hintergrund untersucht, wie Schwerelosigkeit Größe, Menge und Gestalt der Hydratationsprodukte beeinflusst. Während eines Tests in Flugzeug erreichten sie im Parabelflug eine Schwerelosigkeitsphase von 22 Sekunden, in denen sie die Zementbestandteile zusammenmischten. Im Vergleich zu normaler Schwerkraft bildet üblicher Zement in dieser Mikrogravitationsphase durchschnittlich kleinere, dafür aber mehr Kristalle mit ungewöhnlichen Formen. Im Gegensatz dazu kristallisieren Spezialzemente wie Tiefbohrzement während der Schwerelosigkeit nicht anders als auf der Erde. Dies liegt an ihrer chemischen Zusammensetzung.

Für aussagekräftigere Ergebnisse müsste der Beton länger in der Schwerelosigkeit untersucht werden als die 22 Sekunden in der Mikrogravitation. Diese Versuche lassen jedoch erwarten, dass unter länger andauernder Schwerelosigkeit andere Zementgefüge entstehen als auf der Erde. Die kleineren Kristalle könnten im Zement stärker miteinander verwachsen und ihn fester machen.