Die Auswirkungen von Flugasche und Schlacke auf die mikroskopische Schnittstelle von Recyclingbeton und seine Zerstörungsentwicklung

Bauschutt in neue Gebäude verwandeln

Mit dem Wachstum der Städte und dem Abriss alter Gebäude türmen sich Schuttberge aus zerbrochenem Beton und Industrieabfällen wie Flugasche und Schlacke. Gleichzeitig ist die Herstellung von neuem Beton eine der größten CO2-Emissionsquellen im Bauwesen. Diese Studie stellt eine einfache, aber dringliche Frage: Können wir diese Abfälle sicher in starken, haltbaren Beton zurückverwandeln, und was geschieht im Inneren des Materials dabei? Indem die Autoren tief in die winzigen Kontaktzonen zwischen altem und neuem Beton blicken und simulieren, wie Risse wachsen, zeigen sie, wie sich recycelte Bestandteile mischen lassen, ohne Leistung einzubüßen.

Warum die versteckte Grenze wichtig ist

Beton ist kein homogener Festkörper; er ähnelt eher einem steinigen Früchtekuchen, mit Kies und Sand, die von gehärteter Bindemittelpaste zusammengehalten werden. Die schwächsten Stellen sind oft die dünnen Schichten, in denen Stein und Paste aufeinandertreffen, die sogenannten Grenz- oder Interphasenzonen. In Recyclingbeton werden diese Zonen komplizierter, weil Stücke alten Betons bereits ihre eigenen dünnen Schichten gealterter Paste besitzen. Wenn neue Paste darum gegossen wird, entstehen mehrere Grenzflächen. Die Studie konzentriert sich darauf, wie sich diese Schichtlagen verhalten, wenn natürliches Gestein teilweise durch Schuttstücke ersetzt wird und wenn Flugasche und Schlacke — Pulverreste aus der Kohleverbrennung bzw. Stahlherstellung — in die Paste gemischt werden.

Verschiedene Rezepte auf Festigkeit prüfen

Die Forscher stellten 24 verschiedene Betonmischungen her, indem sie drei Zutaten variierten: den Anteil recycelter Stücke, die Menge an Flugasche und die Menge an Schlacke. Alle Mischungen verwendeten die gleiche Wassermenge und denselben Sand, sodass Leistungsunterschiede auf diese Austauschstoffe zurückgeführt werden konnten. Sie prüften die Druckfestigkeit der Betonwürfel und die Spaltzugfestigkeit der Zylinder. Insgesamt führte ein höherer Anteil an recycelten Stücken meist zu geringerer Festigkeit im Vergleich zu herkömmlichem Beton. Das Hinzufügen von Flugasche oder Schlacke verringerte in vielen Fällen ebenfalls die Festigkeit, insbesondere bei höheren Dosierungen, weil sie das vollständige Erstarren der Paste verlangsamten. Es gab jedoch günstige Kombinationen: Bei 40 % recyceltem Gestein und 10 % Schlacke betrug der Festigkeitsverlust nur etwa 5 %, wodurch das Material sehr nahe an Standardbeton heranreichte.

Blick in das Innere des Betons

Um zu verstehen, warum einige Mischungen besser funktionierten, polierte das Team dünne Schnitte des Betons und untersuchte sie unter dem Mikroskop. Die Bilder zeigten, dass Recyclingbeton mehr Poren und eine rauere Grenzfläche zwischen Gestein und Paste aufweist als gewöhnlicher Beton. Um recycelte Stücke waren die dünnen Interphasenzonen lockerer und poröser, mit unveränderten Partikeln von Zement, Flugasche und Schlacke. Diese offene Struktur schwächt den „Kitt“, der alles zusammenhält. Bei herkömmlichem Beton mit frischem Gestein zeigte die Grenzfläche eine dichtere, kontinuierlichere Struktur und kleinere Poren, was seine bessere Festigkeit erklärt. Die Studie fand außerdem, dass sowohl Flugasche als auch Schlacke die Porosität dieser Zonen erhöhten, wobei Flugasche diesen Effekt stärker bewirkte als Schlacke.

Zusehen, wie Risse entstehen und wachsen

Über statische Aufnahmen hinaus wollten die Autoren sehen, wie Recyclingbeton tatsächlich bricht. Sie entwickelten ein Computermodell, das die dünnen Interphasenzonen als empfindliche Schichten behandelt, die sich unter Belastung öffnen und trennen können. Bei einer Simulation des Zusammendrückens eines Betonblocks traten zunächst in den äußeren Grenzschichten, wo die Poren am größten waren, feine Risse auf. Mit zunehmender Last breiteten sich diese Risse nach innen aus und vernetzten sich, bis sie das Prüfkörperquerschneiden und zum Versagen führten. Fotografien echter zerbrochener Proben stimmten mit dem Modell überein: Mischungen mit vielen recycelten Stücken und Flugasche entwickelten breite, gewundene Risse, während Mischungen mit mäßigem Recyclinganteil und Schlacke engere, geradlinigere Risse zeigten, was auf eine dichtere innere Struktur hindeutet.

Was das für grüneres Bauen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft beruhigend: Mit einer sorgfältigen Auswahl der Zutaten kann Beton aus Abbruchschutt und industriellen Nebenprodukten der Festigkeit konventionellen Materials sehr nahekommen. Die Arbeit zeigt, dass die schwächste Stelle die winzige Grenzschicht um recycelte Stücke ist, besonders wenn zu viel Flugasche oder Schlacke zugesetzt wird. Durch Begrenzung des recycelten Gesteins auf moderate Anteile und den Einsatz moderater Schlackemengen können Ingenieure Schäden in diesen Zonen begrenzen und das Risswachstum verlangsamen. Dies weist auf praktikable Rezepturen für CO2-ärmeren Beton hin, der Abfälle sicher „verwertet“, ohne spröde zu werden, und einen Weg zu stabileren, nachhaltigeren Gebäuden und Straßen bietet.

Zitation: Chen, C., Wei, Z., Zhang, J. et al. The impact of fly ash and slag on the microscopic interface of recycled concrete and its destruction evolution. Sci Rep 16, 9565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17035-9

Schlüsselwörter: Recyclingbeton, Flugasche, Schlacke, Interphasenzone, nachhaltiges Bauen