Ein Schuss Kohlendioxid verändert die Art und Weise, wie Zement aushärtet | Die Injektion von CO2 in Zementprodukte wie Beton ist eine Möglichkeit, es zu speichern und von der Atmosphäre fernzuhalten. Doch bis jetzt war die zugrunde liegende Chemie des Zements nicht direkt sichtbar gemacht worden.

Frühere Studien hatten aus Theorie und indirekten Beweisen eine Geschichte über die chemischen Auswirkungen der CO2-Injektion zusammengestellt; Die Schlüsselreaktionen erfolgten einfach zu schnell und verschwanden zu vollständig, als dass herkömmliche Techniken sie auf frischer Tat ertappt hätten. Die konfokale Raman-Mikroskopie könnte – und sie funktioniert nach einem einfachen Prinzip: Beleuchtet man ein Molekül mit einem Laser, und das gestreute Licht enthüllt seine Identität. Das Licht interagiert mit den einzigartigen chemischen Bindungen jedes Materials und verschiebt seine Energie, um einen eindeutigen spektralen „Fingerabdruck“ zu erzeugen. Selbst die flüchtigsten und amorphsten Phasen hinterlassen eine lesbare Spur.

Was sie sahen, war ein chemisches Drama in drei Akten, das sich während des 24-stündigen ununterbrochenen Scannens abspielte.

Sobald dem frischen Zementleim CO2 zugesetzt wird, beginnt er zu wirken. Es löst sich in der Porenlösung auf und reagiert mit dem vom sich auflösenden Klinker freigesetzten Kalzium, wobei verschiedene Formen von Kalziumkarbonat ausfallen. Klinker wird durch Erhitzen von Kalkstein- und Aluminosilikatmaterialien in einem Ofen hergestellt, wobei der Hauptbestandteil zu einem feinen Pulver gemahlen wird, um Zement herzustellen. Dies geschieht innerhalb der ersten Stunde und verlangsamt vorübergehend die normale Hydratationsreaktion, für deren Ablauf Kalzium erforderlich ist.

Sobald das injizierte CO2 vollständig mineralisiert ist – etwa vier bis fünf Stunden nach dem Mischen – setzt die normale Hydratation wieder ein. Calciumhydroxid beginnt in den Porenraum auszufallen und trifft dabei auf das Silicagel-Netzwerk, das darauf wartet.

Wenn das Silikagel verbraucht ist, geht die Paste in die herkömmliche Hydratation über, hinterlässt aber messbar etwas anderes. Da das neue Bindemittel gleichmäßiger in der Zementmatrix verteilt wurde, ist die resultierende Mikrostruktur bereits in jungen Jahren fester und gleichmäßiger. In der Studie erreichte Paste, die mit CO2 in einem Zementgewicht von 1 Prozent gemischt wurde, nach 24 Stunden im Durchschnitt eine um 13 Prozent höhere Druckfestigkeit im Vergleich zu Referenzmischungen.

„Wir injizieren seit Jahren CO2 in Zementprodukte, ohne vollständig zu verstehen, was es im Inneren bewirkt. Jetzt, da wir es sehen und den zugrunde liegenden Mechanismus verstehen können, der zu einer verbesserten Leistung führt, können wir beginnen, es zu kontrollieren. Und es gibt noch viel Spielraum, um es voranzutreiben“, sagt Masic.