Nachhaltiger Hochleistungsbeton: Nutzung von recyceltem Gummi und Schlacke für Festigkeit und Umweltfreundlichkeit

Alte Reifen und Industrieabfälle in stärkeren Beton verwandeln

Beton ist im modernen Leben allgegenwärtig – von Brücken und Türmen bis zu Gehwegen und Tunneln – doch die Herstellung seines zentralen Bestandteils, Zement, setzt große Mengen Kohlendioxid frei. Diese Studie untersucht eine interessante Frage: Lassen sich Industrie­nebenprodukte und abgefahrene Autoreifen als Bestandteile für hochleistungsfähigen Beton verwenden, der weiterhin stark und sicher, zugleich aber günstiger und deutlich umweltfreundlicher ist?

Warum ein Umdenken beim Beton wichtig ist

Allein die Zementproduktion ist für etwa 8 % der weltweiten CO2‑Emissionen verantwortlich und damit ein zentrales Ziel für klimaschonende Innovationen. Gleichzeitig entstehen Millionen Tonnen Industrieschlacke aus der Stahlherstellung und zurückgelassener Gummi aus Altreifen als Abfall. Die Forschenden wollten eine Art Hochleistungsbeton entwickeln, der einen erheblichen Anteil des Zements durch granulierte Hochofenschlacke und fein gemahlenes Gummipulver ersetzt. Ihr Ziel war es, zu prüfen, wie weit sich der Zementanteil – und damit Emissionen und Kosten – reduzieren lässt, ohne die hohen Anforderungen an Festigkeit und Dauerhaftigkeit moderner Infrastruktur zu verfehlen.

Wie die neuen Mischungen geprüft wurden

Das Team erstellte eine Reihe von Betonrezepturen, indem es den Zement schrittweise bis zu 50 % durch Schlacke ersetzte und in der vielversprechendsten Schlackeformulierung zusätzlich bis zu 30 % Gummipulver zusetzte. Anschließend gossen und härteten sie standardisierte Prüfproben und maßen deren Widerstand gegen Druck-, Biege‑ und Spaltbeanspruchung – drei grundlegende Indikatoren für die strukturelle Leistungsfähigkeit. Neben den Festigkeitsprüfungen untersuchten sie, wie gut sich der frische Beton in Formen vergießen lässt, wie schwer das gehärtete Material ist und wie es unter Last bricht, was Aufschluss darüber gibt, ob es spröde oder nachgiebiger versagt. Um zu verstehen, was innerhalb des Materials passiert, nutzten sie außerdem laborbasierte Methoden, die die innere Kristallstruktur und Mikrostruktur der gehärteten Paste untersuchen.

Festigkeit, Verformbarkeit und das beste Rezept

Die Ergebnisse zeigten, dass Schlacke ein besonders geeigneter Ersatz für Zement ist. Ein Ersatz von bis zu 30 % des Zements durch Schlacke führte zu einem Rückgang der Druck-, Zug‑ und Biegefestigkeit von weniger als etwa 5–10 %, verbesserte gleichzeitig die Fließfähigkeit des frischen Betons und verringerte sein Gewicht leicht. Bei mehr als 30 % Schlacke nahm die Festigkeit deutlich stärker ab. Gummipulver verhielt sich anders: Schon in moderaten Anteilen reduzierte es die Festigkeit, machte den Beton aber deutlich verformbarer und besser darin, Energie vor dem Bruch aufzunehmen – Eigenschaften, die in schlag‑ oder erdbebengefährdeten Bereichen wertvoll sein können. Ein 10 %iger Gummizusatz kombiniert mit 30 % Schlacke senkte die Druckfestigkeit von etwa 89 auf 73 Megapascal, verdoppelte jedoch annähernd die Versagensverschiebung und maximierte die Bruchenergie, was auf ein zäheres, weniger sprödes Material hinweist.

Was im Material passiert

Mikroskopische Untersuchungen enthüllten, warum diese Zielkonflikte entstehen. Schlacke beteiligt sich an ähnlichen chemischen Reaktionen wie herkömmlicher Beton und bildet zusätzliche Bindegel‑Phasen, die die innere Matrix verdichten. Gummi hingegen ist chemisch inert und wasserabweisend. Kleine Gummipartikel unterbrechen das sonst zusammenhängende Zementnetzwerk, schaffen schwächere Kontaktzonen und kleine Porositätsbereiche um sich herum. Fortgeschrittene Analysen zeigten, dass Mischungen mit Gummi weniger der für Festigkeit verantwortlichen Phasen ausbilden und eine ungleichmäßigere, löchrige Textur aufweisen. Das erklärt, warum das Material verformbarer und energieabsorbierender, aber weniger belastbar bei extremen Lasten wird.

Klima‑ und Kostenvorteile

Über das Labor hinaus bewerteten die Forschenden die ökologischen und ökonomischen Folgen ihrer Rezepturen. Mithilfe einer vollständigen Lebenszyklusanalyse fanden sie heraus, dass der Ersatz von Zement durch Schlacke den CO2‑Fußabdruck des Betons um bis zu etwa 42 % senken kann, während Gummizusätze bis zu 30 % die Emissionen um rund 37 % verringerten – bedingt durch die Reduktion des Zementanteils und die Wiederverwendung von Altreifen. Unter Einbeziehung der Materialpreise waren schlackenreiche Mischungen pro Kubikmeter deutlich günstiger als herkömmlicher Hochleistungsbeton, und die Mischung mit 30 % Schlacke bot das beste Verhältnis von Festigkeit zu Kosten. Gummi reduzierte die Materialkosten weiter, doch der zusätzliche Festigkeitsverlust brachte für Projekte, die sehr hohe Tragfähigkeit erfordern, abnehmende Erträge.

Was das für künftige Bauwerke bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die wichtigste Erkenntnis: Beton muss keine Entscheidung zwischen Festigkeit und Nachhaltigkeit sein. Diese Arbeit zeigt, dass sorgfältig abgestimmte Mischungen mit etwa 30 % Stahlwerkschlacke und 10 % recyceltem Gummipulver einen Beton liefern können, der für anspruchsvolle Anwendungen noch ausreichend stark ist, zugleich aber leichter, zäher, günstiger und deutlich CO2‑ärmer als traditionelle Hochleistungsmischungen. Mit weiteren Langzeitstudien zur Dauerhaftigkeit und Anpassungen der Bauvorschriften könnten solche Rezepturen helfen, Industrieabfälle und Altreifen in sichere Brücken, Gebäude und andere Infrastrukturen mit deutlich kleinerer Umweltbilanz zu verwandeln.

Zitation: Bahmani, H., Mostafaei, H. Sustainable high-performance concrete: harnessing recycled rubber and slag for strength and eco-friendliness. Sci Rep 16, 7376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35362-3

Schlüsselwörter: nachhaltiger Beton, recycelter Gummi, Hochofenschlacke, niedriger CO2‑Bau, Hochleistungsbeton