Kurzinformation

Feuchter bis nasser Sand vom Spülsaum der Nordseeinsel Wangerooge wurde 20 Minuten bei 750 bis 800 Watt Ausgangsleistung (höchste Leistungsstufe) in einer Mikrowelle getrocknet. Insgesamt gingen also fast eine Million Joule Energie in den Sand.^[1] Achtung: der Sand ist noch gut eine Stunde danach sehr heiß. Am Ende war der behandelte Sand deutlich stückiger und in Teilen auch gesteinsartig fest.

Pilotversuch

Nimmt man Sand von sogenannten Nassen Strand, jenem Bereich, der regelmäßig von der Flut mit Salzwasser bedeckt ist, dann kann man mit feuchtem Sand von dort einen einfachen Zementationsversuch durchführen.

Der noch strandfeuchte Sand wurde gut 20 Minuten bei maximaler Leistung in einer Mikrowelle gebacken. Anschließend hatte sich große und kleine zum Teil sehr feste brocken gebildet. Vermutlich haben die Salze aus dem Wasser als Kitt die Sandkörner zusammenzementiert.

Interessant: einen Tag später, nach einer Nacht unter freiem Himmel, war der Sand wieder in seiner ursprünglichene feuchten klumpigen Form. Und: es war mein Eindruck, dass eine Erhitzung in der Mikrowelle bei kleiner Hitze und mit entsprechender längerer Trockenzeit zu festeren Klumpen führte als eine schnelle und Erhitzung mit viel Leistung.

Geschwindigkeit

Dass die Zementation als Anfang einer Diagenese auch natürlich sehr schnell ablaufen kann, zeigte ein sehr eindrucksvoller Fund aus dem Jahr 2022: am westlichen Ende der Nordseeinsel Wangerooge wurde ein sehr fester Klumpen, ein Konglomerat aus Muschelschalen, Schlamm oder Sand und einem einzementierten Armband einer Uhr gefunden.

Dieses Bild ist für das Verständnis des Textes nicht wichtig. Das Bild wird im Text nicht erwähnt.

Die Armbanduhr sieht aus wie aus den 1970er oder 1980er Jahren. Aber auch später, bis in die 2020er Jahre wurden solche Uhrbänder getragen.

Der Stein hat sich möglicherweise in kürzester Zeit, vielleicht Wochen oder Monaten, vielleicht aber auch über Jahrzehnte gebildet. Auf keinen Fall aber hat der Prozess länger als 60 Jahre gedauert. Anfang der 1960er Jahre dürften schwere metallene Uhrbänder wie das Eingebackene noch nicht üblich gewesen sein.

Erfolgsmaß

Um den Erfolg der Zementation zu messen benötigt man ein Erfolgsmaß. Als solche böten sich die Festigkeit gegen Bruch^[22] und die Härte an. Aus praktischen eines einfacheren Prüfung wird hier die Härte gewählt. Als Verfahren soll die Härteprüfung nach Brinell verwendet werden. Die Härte ist dabei definiert als der Widerstand den ein Körper dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt. Als Maß für die Härte nimmt man dann entsprechend die Eindringtiefe nach einer Belastung mit einer definierten Kraft über eine definierte Zeit. Siehe mehr unter Härte ↗

Folgeversuche

In der Mathe-AC Lernwerkstatt soll die Zementation von Sand oder anderen körnigen Substanzen mit Hilfe verschiedener Zementationsmittel nachgestellt werden. Das Ziel ist es, Methoden dafür zu finden, eine immer gleiche Menge Sand in möglichst kurzer Zeit möglichst fest zu machen.

Interessant ist hier, dass solche Versuche speziell mit Salzwasser bereits in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung aus dem Jahr 2010 beschrieben wurden.^[2] Übernimmt man Teile des Versuchsaufbaus und der Versuchsdurchführung, kann man die eigenen Ergebnisse mit denen der Wissenschaftler vergleichen. In den Versuchen von 2010 gab es unter anderem folgende Festlegungen:

Es wurden zwei Modellstoffe verwendet: Glasperlen und Ventoux Sand.

0,4 bis 0,8 mm war für beide Modellstoffe eine typische Korngröße ↗

Die Modellstoffe wurden zuerst gewaschen und getrocknet.

Anschließend wurden sie mit gesättigtem Salzwasser (35,6 g NaCL für 100 ml Wasser) gemischt.

Proben wurden in zylindrische Formen gegeben: 25 mm Durchmesser, 17 mm Höhe.

Die Festigkeit wurde zerstörend über eine Presse (maximal 50 N) bestimmt.

Diese Vorgaben kann man nun in einen Experimenten übernehmen. Als Modellstoff wird jedoch ein Sand mit einer Korngröße im Bereich von 0,2 Millimetern, also ein sehr viel feinerer Stoff verwendet.

TO-DO:

Wie könnte man die Zementation über Salzkristalle, vorher im Wasser gelöste Karbonate (aufgelöste Muschelschalen?) oder Eisenoxide (Rostteile) so im Labor nachstellen, dass die Zementation in kurzen Zeiträumen wie Minuten (Erhitzung?), Stunden, Tagen oder Wochen nachgestellt werden kann? Tipps aus der Literatur?^[2]

Fußnoten

[1] Zum Überschlagen der Energie: 20 Minuten sind 1200 Sekunden. 800 Watt heißt, dass in jeder Sekunde 800 Joule umgesetzt werden. Man hat also 1200 mal 800 Joule. Das sind 960000 oder fast eine Million Joule oder 1000 Megajoule.

[2] Für die Geowissenschaften ist Zementation definiert als ein "Vorgang des Transportes und der Ablagerung von Mineralsubstanzen, die als Bindemittel zwischen Gesteinspartikeln ausgefällt werden." In: der Artikel "Zementation". Spektrum Lexikon der Geowissenschaften. Abgerufen am 9. August 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/zementation/18526

[2] Die Zementation von Sand mit salzhaltigen Gewässern (brines) ist ausführlich betrachtet in: Jean-Yves Delenne, Fabien Soulié, Moulay Saïd El Youssoufi, Farhang Radjaï (2010): From liquid to solid bonding in cohesive granular media. arXiv preprint arXiv:1002.4964

[3] Der in der Lernwerkstatt verwendete Sand ist beschrieben auf der Seite WH54 20250727 Inventar Strandsand ↗