Experimentelle und numerische Bewertung des mechanischen Verhaltens von alkalisch aktiviertem Schlackenkonzentrat mit recyceltem Altglas und dealuminiertem Metakaolinpulver

Grünerer Beton für eine wachsende Welt

Moderne Städte basieren auf Beton, doch herkömmlicher zementbasierter Beton verursacht eine hohe CO2-Bilanz und verbraucht große Mengen an Rohstoffen. Diese Studie untersucht eine neue Art von „grünem“ Beton, der einen Großteil des üblichen Zements und der Zuschläge durch industrielle Nebenprodukte und Abfälle ersetzt, darunter Schlacke aus der Stahlproduktion und fein gemahlenes Altglas. Indem gezeigt wird, dass solche Mischungen mit konventionellem Beton vergleichbar sind oder ihn sogar übertreffen können, weist die Forschung auf robustere Brücken und Gebäude hin, die zugleich umweltschonender sind.

Industrielle Abfälle in Bausteine verwandeln

Der in dieser Arbeit untersuchte Beton basiert auf alkalisch aktivierter Schlacke, einem Bindemittel, das durch chemische Aktivierung von gemahlener Hüttensandschlacke statt durch Portlandzement hergestellt wird. Die Forschenden ersetzten teilweise natürlichen Sand und Schlacke durch zwei industrielle Nebenprodukte: recyceltes Altglaspulver und dealuminierten Metakaolin, ein silica- und alumina-reiches Rückstandsprodukt aus der Aluminiumgewinnung. Zudem prüften sie zwei Arten von grobem Gestein — Dolomit und Basalt — und fügten einigen Mischungen kurze Stahlfasern hinzu. Insgesamt stellten sie mehrere sorgfältig kontrollierte Rezepturen her, um zu untersuchen, wie sich jede Zutat auf Festigkeit, Steifigkeit, Rissbildung und das Gesamtverhalten unter Belastung auswirkt.

Von Laborformen zu gemessener Festigkeit

Zur Leistungsbewertung goss und härte das Team Betonwürfel, -zylinder und -träger bei normaler Raumtemperatur aus und vermied damit energieintensive Heißhärtung. Sie maßen die Druckfestigkeit (wie viel Druck der Beton aushält), die Spaltzugfestigkeit (sein Verhalten bei indirekter Zugbeanspruchung), die Biegefestigkeit und die Steifigkeit. Insgesamt zeigten Mischungen mit härterem Basaltzuschlag bessere Leistungen als solche mit Dolomit. Mit Zugabe von Altglaspulver oder dealuminiertem Metakaolin wurde der Beton dichter und fester. Besonders hervor stach eine Mischung mit Basalt, 10 % dealuminiertem Metakaolin (als Teilersatz der Schlacke) und 1 % Stahlfasern: Sie wies die höchsten Druck-, Zug- und Biegefestigkeiten sowie die größte Steifigkeit auf.

Blick ins innere Skelett des Betons

Um zu klären, warum manche Mischungen besser abschnitten, untersuchten die Forschenden dünne Proben des Betons im Rasterelektronenmikroskop und nutzten chemische Sonden, um die Verteilung wichtiger Elemente zu kartieren. Schlechtere Mischungen zeigten eine poröse, fleckige innere Struktur mit schwachen Kontaktzonen zwischen Gestein und Pastenmatrix. Im Gegensatz dazu besaßen die leistungsstärksten Mischungen ein dicht gepacktes, gleichmäßiges Netzwerk von Reaktionsprodukten, das alles zusammenband, insbesondere um die Basaltkörner und die Stahlfasern herum. Dealuminierter Metakaolin förderte die Bildung eines dichten, ineinandergreifenden Gels, das Mikrohohlräume füllte, während Stahlfasern aufkommende Risse überbrückten und so ein plötzliches Aufspringen verhinderten. Diese verfeinerte Mikrostruktur erklärt den Anstieg von Festigkeit, Zähigkeit und Rissresistenz.

Träger simulieren, bevor sie gebaut werden

Über kleine Probekörper hinaus verwendete die Studie fortgeschrittene Finite-Elemente-Simulationen, um vorherzusagen, wie großformatige bewehrte Betongurte aus den unterschiedlichen Mischungen sich unter Biegung verhalten würden. Die Forschenden kalibrierten ein Schadensmodell in der ABAQUS-Software so, dass dessen Spannung-Dehnungs-Kurven mit den im Labor gemessenen übereinstimmten. Einmal abgestimmt, reproduzierte das Modell genau Versagenslasten und Rissmuster für Würfel, Zylinder und Prismen. Anschließend führten sie eine virtuelle parametrische Studie an bewehrten Trägern durch. Träger aus Basalt und den optimierten, abfallbasierten Mischungen trugen deutlich höhere Lasten, wiesen geringere Durchbiegungen bei Spitzenlast und zeigten allmählichere, duktilere Rissverläufe. Die Mischung mit 10 % dealuminiertem Metakaolin und 1 % Stahlfasern steigerte die Tragfähigkeit um etwa 46 % und verringerte die Durchbiegung in der Mitte um rund ein Fünftel gegenüber einer Referenzmischung, ohne die Stahlbewehrung zu ändern.

Was das für zukünftige Bauwerke bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Schlussfolgerung klar: Es ist möglich, Beton zu entwerfen, der sowohl stärker als auch nachhaltiger ist, indem industrielle Rückstände — Schlacke, Altglas und dealuminierte Tone — in leistungsfähige Bestandteile verwandelt werden, vor allem in Kombination mit Stahlfasern und robusten Zuschlägen. Die Studie zeigt, dass solche grünen Betone zuverlässig geprüft, mikroskopisch verstanden und computergestützt modelliert werden können, wodurch Ingenieure praktische Werkzeuge erhalten, um sicherere und effizientere Träger und andere Bauteile zu entwerfen. Langfristig könnte dieser Ansatz die Umweltbelastung des Bauwesens reduzieren und zugleich langlebige Straßen, Brücken und Gebäude liefern.

Zitation: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

Schlüsselwörter: nachhaltiger Beton, Altglas, Geopolymer, Stahlfaserbewehrung, numerische Modellierung