Chemische Aktivierung von kaolinbasierten Tonziegeln als nachhaltiger Weg zu verbesserten mechanischen und thermophysikalischen Eigenschaften

Warum bessere Ziegel wichtig sind

In heißen Regionen, insbesondere in Gegenden wie Oberägypten, bedeutet das Kühlen von Gebäuden häufig stundenlangen Betrieb von Klimaanlagen. Das verbraucht viel Strom und erzeugt CO2‑Emissionen. Diese Studie untersucht einen anderen Ansatz: die Neukonstruktion des einfachen Tonziegels selbst, damit Wände von sich aus mehr Wärme abhalten. Durch die Modifikation des Tons mit einem verbreiteten weißen Mineral namens Kaolin und der gezielten Verwendung alltäglicher Säuren stellten die Forscher Ziegel her, die besser isolieren und zugleich ausreichend fest für den Bau bleiben.

Aus gewöhnlichen Tonen smartere Werkstoffe machen

Traditionelle gebrannte Tonziegel werden aus natürlichen Tonen mit Wasser geformt und bei hohen Temperaturen gebrannt. Das Team begann hier mit lokalen ägyptischen Tonen und Kaolin, einem in Industrie, Papier- und Keramikbereichen weit verbreiteten Ton. Bevor sie ihn den Ziegeln beimischten, „aktivierten“ sie das Kaolin, indem sie es in kleinen Mengen drei verschiedener Säuren — Salzsäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure — oder in einer Mischung aus allen dreien einlagerten. Diese Behandlung verändert die Mineralstruktur des Kaolins leicht, löst einige Bestandteile und erhöht seine Oberfläche sowie den inneren Porenraum. Das aktivierte Kaolin wurde dann in geringen Anteilen mit dem Basiston gemischt, zu Ziegeln geformt, luftgetrocknet und in einem elektrischen Ofen bei 1100 °C gebrannt, ähnlich wie in der industriellen Ziegelproduktion.

Ein Blick ins Innere der neuen Ziegel

Um die Änderungen zu untersuchen, nutzten die Forscher mehrere Labortechniken, die die innere Zusammensetzung der Ziegel offenbaren. Röntgendiffraktometrie zeigte, dass das Brennen die Tone in ein Mineralgemisch verwandelte, das von Quarz dominiert wird und zwei Schlüsselphasen enthält: Mullit und Diopsid. Mullit, in hochtemperaturfähigen Keramiken bekannt, wirkt wie ein verstärkendes Gerüst, das Hitze und mechanischen Belastungen widersteht. Diopsid, ein Calcium‑Magnesium‑Silikat, ist in dämmenden Keramiken wegen seiner thermischen Stabilität und chemischen Beständigkeit geschätzt. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die Säurebehandlung die Mikrostruktur der Ziegel umgestaltete, feinere und gleichmäßiger verteilte Poren sowie rauere Oberflächen erzeugte, an denen Partikel ineinander greifen. Energie­dispersive Röntgenkartierungen bestätigten, dass Elemente aus den Säuren — wie Phosphor, Schwefel und Chlor — nicht nur an der Oberfläche, sondern im gesamten Ziegelgefüge integriert waren und so die Bildung neuer Minerale beim Brennen mitsteuerten.

Poren, Festigkeit und Wärmefluss ausbalancieren

Ziegel müssen zwei Anforderungen gleichzeitig erfüllen: das Gewicht eines Gebäudes tragen und den Wärmefluss hemmen. Die Porosität — der Anteil winziger Hohlräume im Inneren eines Ziegels — steht im Zentrum dieses Kompromisses. In diesen Poren eingeschlossene Luft ist ein schlechter Wärmeleiter, daher führen gut verteilte Poren in der Regel zu besserer Dämmung. Bei den säureaktivierten Ziegeln stieg die Gesamtporosität leicht auf etwa 29–30 %, und die mittlere Porengröße wurde kleiner und homogener. Trotz dieser erhöhten Porosität blieb die Druckfestigkeit in einem praxisgerechten Bereich von etwa 11,5–12,3 kg/cm², vergleichbar mit herkömmlich gebrannten Ziegeln. Die beste Leistung erzielte der Ziegel aus der Mischung aller drei Säuren: Die chemischen Reaktionen förderten ein Netzwerk aus Mikro‑ und Mesoporen, das mit Mullit‑ und Diopsidkristallen verflochten war. Diese Struktur ergab einen vergleichsweise leichten, statisch belastbaren Ziegel mit verbesserter Wärmedämmung.

Kühlere Wände bei geringerem Energiebedarf

Als das Team die thermischen Eigenschaften direkt maß, wurden die Vorteile deutlich. Im Vergleich zu unbehandelten Ziegeln wiesen die säuremodifizierten Varianten eine geringere Wärmeleitfähigkeit (wie leicht Wärme hindurchtritt) und eine geringere thermische Diffusivität (wie schnell sich Temperaturänderungen durch das Material ausbreiten) auf. Der Ziegel mit Phosphorsäure erreichte die niedrigste Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,44 W/m·K, während der Mischsäureziegel die langsamste Wärmeausbreitung zeigte. Gleichzeitig war die spezifische Wärmekapazität — die Fähigkeit, Wärme zu speichern — beim Mischsäureziegel am höchsten. Das bedeutet, dass Wände aus diesen Ziegeln langsamer aufheizen und abkühlen würden, was Innenraumtemperaturschwankungen glättet und den Bedarf an ständigem aktiven Kühlen reduziert.

Was das für zukünftige Gebäude bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lässt sich die Kernaussage leicht zusammenfassen: Durch kleine chemische Anpassungen an weit verfügbaren Tonen und Kaolin ist es möglich, Ziegel herzustellen, die Gebäude von sich aus kühler halten, ohne die strukturellen Anforderungen zu vernachlässigen. Die verbesserten Eigenschaften der Ziegel beruhen auf kontrollierter Porosität und der Bildung robuster, hitzebeständiger Minerale im gebrannten Körper. In heißen, sonnigen Klimazonen könnten solche Materialien den Energieverbrauch für Klimaanlagen senken und die Emissionen über die Lebensdauer eines Gebäudes reduzieren. Die Studie legt nahe, dass säureaktivierte Kaolin‑Tonziegel ein vielversprechender, skalierbarer Weg zu komfortablerem und nachhaltigerem Wohnen aus vertrauten, erdbasierten Materialien sind.

Zitation: Soliman, W., Shahat, M.A. Chemical activation of kaolin-based clay bricks as a sustainable route to enhanced mechanical and thermophysical properties. Sci Rep 16, 4720 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35471-z

Schlüsselwörter: Wärmedämmung, Tonziegel, Kaolin, nachhaltiges Bauen, Säureaktivierung