Einfluss von Asche aus Papierfabriklauge auf mechanische, mikrostrukturelle und dauerhaftigkeitsbezogene Eigenschaften von metakaolinbasiertem Geocrete

Papierabfall in stärkeren Beton verwandeln

Moderne Städte ruhen auf Beton, doch herkömmlicher Zement verursacht hohe Umweltbelastungen, indem er bei der Herstellung große Mengen Kohlendioxid freisetzt. Gleichzeitig fallen in Papierfabriken große Mengen Schlamm an, die häufig auf Deponien landen. Diese Studie untersucht einen Weg, beide Probleme gleichzeitig anzugehen: die Verwendung von Asche aus Papierfabrikschlamm, um eine neue Art kohlenstoffarmen Betons, genannt „Geocrete“, herzustellen, die eines Tages gewöhnlichen Zement in Gebäuden und Infrastrukturen ersetzen könnte.

Ein neuer Baustoff

Statt auf Zement zu setzen, wird Geocrete hergestellt, indem silika- und aluminareiche Mineralien mit einer stark alkalischen Lösung aktiviert werden und so ein verfestigtes, steinähnliches Material entsteht. In dieser Arbeit verwendeten die Forschenden Metakaolin, ein veredeltes Tonmineral, als Hauptbestandteil und ersetzten einen Teil davon durch Asche aus Papierfabrikschlamm. Die Asche entsteht durch das Verbrennen des Papierindustrie-Schlamms bei hohen Temperaturen und enthält reichlich Calcium sowie Silizium und Aluminium. Es wurden acht verschiedene Mischungen hergestellt, bei denen die Asche zwischen 5 % und 20 % des Metakaolins ersetzte und mit zwei verschiedenen Gehalten an alkalischer Flüssigkeit gearbeitet wurde, um zu untersuchen, wie sich diese Änderungen auf Festigkeit und Dauerhaftigkeit bei Aushärtung bei Raumtemperatur auswirken.

Wie sich der Testbeton schlug

Das Team prüfte den Beton auf drei zentrale mechanische Festigkeitsarten: wie viel Last er beim Zusammendrücken, Auseinanderziehen oder Biegen tragen kann. Diese Eigenschaften wurden nach 7, 28 und 90 Tagen Aushärtung gemessen. Über alle Versuche hinweg schnitten die Mischungen mit 10 % Papierfabrikasche am besten ab. Bei beiden Niveaus der alkalischen Flüssigkeit erzeugte diese 10 %-Mischung höhere Druck-, Zug- und Biegefestigkeiten als Mischungen ohne Asche oder mit höheren Ascheanteilen. Wurde der Ascheanteil auf 15 % oder 20 % erhöht, fielen die Festigkeiten deutlich ab, was zeigt, dass es einen klaren optimalen Bereich gibt und nicht einfach gilt „je mehr, desto besser“.

Ein Blick in das Material

Um zu verstehen, warum 10 % Asche am besten funktionierte, untersuchten die Forschenden das ausgehärtete Geocrete mit einem rasterelektronenmikroskop. In den erfolgreichsten Mischungen zeigten die Bilder eine dichte, eng gepackte innere Struktur mit wenigen sichtbaren Poren. Die Mineralien hatten reagiert und vernetzte Gelphasen gebildet, die die Partikel zusammenbinden und Hohlräume ausfüllen. In Mischungen mit zu viel Asche wirkte die Innenstruktur poröser und enthielt weniger dieser bindenden Gele. Das deutet darauf hin, dass die Chemie nicht mehr ausgewogen war: überschüssige Asche veränderte das Verhältnis der Schlüssel­elemente, sodass nicht alles Material reagieren und sich in das Netzwerk einfügen konnte, wodurch Schwachstellen zurückblieben.

Beständigkeit gegen Wasser und Salz

Festigkeit allein reicht nicht für einen dauerhaften Baustoff. Bauwerke müssen auch Wasser und Chlorid­salten widerstehen, die in Beton eindringen und Stahlbewehrung korrodieren können. Das Team verwendete Standardprüfungen, um zu messen, wie leicht Chloridionen durch das Geocrete gelangen, wie viel Wasser es aufnimmt und wie porös es ist. Auch hier lagen die 10 %-Aschemischungen vorn. Sie ließen im Chloridtest weniger elektrischen Strom passieren, nahmen weniger Wasser auf und zeigten insgesamt geringere Porosität als die anderen Mischungen. Mischungen mit höheren Ascheanteilen waren offener und stärker wasseraufnehmend, wodurch sie für langlebiges Bauen in rauen Umgebungen weniger geeignet sind.

Was das für zukünftiges Bauen bedeutet

Kurz gefasst zeigt die Studie, dass das Ersetzen von 10 % des Metakaolins durch Asche aus Papierfabrikschlamm in Geocrete betonähnliche Bausteine ergeben kann, die stärker und dauerhafter sind als Mischungen ohne Asche und zugleich den Einsatz von herkömmlichem Zement reduzieren. Das richtige Verhältnis der Inhaltsstoffe schafft ein dichtes inneres Netzwerk, das Rissbildung, Wasser- und Salzausfall widersteht. Da sich das Material bei Raumtemperatur aushärten lässt und ein industrielles Abfallprodukt nutzt, bietet es einen vielversprechenden Weg zu kohlenstoffärmerem, ressourceneffizientem Bauen, vorausgesetzt, Produktion und Handhabung lassen sich sicher und wirtschaftlich skalieren.

Zitation: Yuvaraj, K., Arunvivek, G.K., Kumar, P. et al. Influence of paper mill sludge ash on mechanical, microstructural and durability properties of metakaolin based geocrete. Sci Rep 16, 6109 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37581-0

Schlüsselwörter: Geopolymerbeton, Asche aus Papierfabrikschlamm, kohlenstoffarme Bauweise, Metakaolin, Betondauerhaftigkeit