Synergistischer Effekt von Gummipulver und Nano-Siliziumdioxid auf die Porenstruktur und Frostbeständigkeit von Beton

Warum Rissbildung in Beton in kalten Bergregionen wichtig ist

In vielen Hochgebirgsregionen sind Betondämme, Überläufe und Wasserkraftanlagen jährlich Hunderten von Frost‑Tau‑Zyklen ausgesetzt. Wasser dringt in winzige Poren des Betons ein, gefriert, dehnt sich aus und sprengt das Material nach und nach auseinander. Ingenieure schützen diese Bauwerke üblicherweise durch Zusatzmittel, die schützende Lufteinschlüsse erzeugen, doch bei großer Höhenlage mit niedrigem Luftdruck wirken diese Mittel schlechter. Diese Studie untersucht einen anderen Ansatz: fein gemahlenen Gummi aus Altreifen zusammen mit ultrafeinem Siliziumdioxid einzusetzen, um den inneren "Atmungsraum" des Betons so umzubauen, dass er extreme Kälte besser übersteht.

Aus Altreifen winzige Sicherheitskissen machen

Die Forscher konzentrierten sich darauf, dem gefrierenden Wasser Raum zur Ausdehnung zu geben, ohne den Beton zu zerreißen. Anstatt sich nur auf herkömmliche Lufteinschlüsse zu verlassen, mischten sie sehr feines Gummipulver aus entsorgten Reifen bei. Innerhalb des erhärteten Betons wirken diese Gummikörner wie kleine flexible Polster — „feste Poren“ — die sich ähnlich wie Hohlräume verhalten. Sie tragen nicht viel Last, können sich aber verformen und Platz schaffen, wenn Eis wächst. Tests zeigten, dass mit zunehmendem Gummipulveranteil die gesamte innere Hohlraumzahl deutlich anstieg, ähnlich wie bei der Verwendung spezieller luftbildender Chemikalien. Wichtig ist, dass diese festen Poren die Einschlüsse dichter zusammenpackten, wodurch die bei Gefrieren entstehenden Spannungen in den Poren reduziert wurden.

Feinabstimmung mit nanoskaligem Siliziumdioxid

Gummi allein hat Nachteile: Er kann die Betonfestigkeit verringern und einige große, schädliche Hohlräume erzeugen. Um dem entgegenzuwirken, fügte das Team Nano‑Siliziumdioxid hinzu — extrem kleine Partikel aus Siliziumdioxid. Diese Partikel reagieren mit dem Zement und füllen Lücken in der erhärteten Paste, insbesondere die größeren Poren, die den Beton schwächen. Wenn Nano‑Siliziumdioxid mit Gummipulver kombiniert wurde, nahm die Anzahl großer Poren ab und die Struktur verschob sich hin zu vielen kleinen, gut verteilten Hohlräumen. Der gesamte Luftgehalt sank wieder in Richtung des Werts von normalem Beton, doch ein größerer Anteil der verbleibenden Hohlräume waren nun die nützlichen festen Poren rund um die Gummipartikel statt fragile Luftblasen.

Belastungsprüfung des neuen Betons durch Frost‑Tau‑Zyklen

Um zu prüfen, wie sich dieser modifizierte Beton unter harten Bedingungen verhielt, frierten die Forscher würfelförmige Proben wiederholt ein und tauten sie auf, während sie deren Festigkeit und innere Porenstruktur maßen. Normaler Beton verlor nach Dutzenden von Zyklen den Großteil seiner Festigkeit, da sich die Poren vergrößerten und Risse sich ausbreiteten. Im Gegensatz dazu behielt Beton mit sowohl Gummipulver als auch Nano‑Siliziumdioxid nach hundert Zyklen etwa vier Fünftel seiner ursprünglichen Festigkeit. Mikroskopische Bilder zeigten, dass die gummibasierten festen Poren und die verdichtete Zementmatrix um sie herum halfen, die durch Eisbildung verursachten Spannungen aufzunehmen und zu verteilen, was das Risswachstum verlangsamte und das gesamte Porennetz stabiler hielt.

Wie sich die innere Porenanordnung im Laufe der Zeit verändert

Detaillierte Messungen ergaben, dass sich in Standardbeton viele der kleinsten Poren mit fortschreitendem Frost‑Tau‑Verlauf allmählich zu größeren Poren entwickelten, wodurch Wasser und Eis dem Material leichter schaden konnten. In den Gummi–Nano‑Sili­ziumdioxid‑Mischungen war diese Verschiebung deutlich schwächer: Der Anteil kleiner Poren sank nur etwa halb so stark wie in der normalen Mischung, und der Anstieg großer, gefährlicher Poren lag nur bei einem Bruchteil des Kontrollfalls. Auch der Abstand zwischen den Poren veränderte sich weniger, sodass Wasser weniger durchgehende Wege zum Eindringen und Wiedergefrieren fand. Im Kern schuf die kluge Kombination aus festen Poren und einer dichteren Paste eine widerstandsfähigere innere Landschaft, die dem langfristigen Abbau entgegenwirkt.

Was das für Bauwerke in kalten Regionen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Schlussfolgerung einfach: Durch den teilweisen Ersatz von Sand durch Gummipulver aus Abfallreifen und die Zugabe einer moderaten Menge Nano‑Siliziumdioxid können Ingenieure Beton bauen, der nur wenig Festigkeit verliert, aber deutlich an Dauerhaftigkeit in Frostklimata gewinnt. Der Gummi liefert flexible Hohlräume, die den Druck durch ausdehnendes Eis mindern, während das Nano‑Siliziumdioxid die Struktur verfestigt, sodass schädliche große Hohlräume reduziert werden. Da Gummi lokal aus Schrottreifen bezogen werden kann und Nano‑Siliziumdioxid in geringen Dosen eingesetzt wird, ist diese Methode sowohl praktikabel als auch umweltfreundlich für abgelegene Hochgebirgsprojekte. Die Studie zeigt einen vielversprechenden Weg, kritische Betoninfrastruktur in besonders harten Wintern sicherer und langlebiger zu machen.

Zitation: Feng, LY., Cao, HL., Shi, XW. et al. Synergistic effect of rubber powder and nano-silica on pore structure and frost resistance of concrete. Sci Rep 16, 11857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36480-8

Schlüsselwörter: frostbeständiger Beton, gummiverstärkter Beton, Nano-Siliziumdioxid, Frost-Tau-Beständigkeit, Verwertung von Altreifen