Verwendung von Quarz-Steinbruchsstaub als nachhaltiger teilweiser Sandersatz in Zementmörtel

Wie sich Steinstaub in einen Baustoff verwandelt

Moderne Städte bauen auf Sand. Er ist eine zentrale Komponente in Beton und Mörtel, die Gebäude, Brücken und Straßen zusammenhalten. Gleichzeitig droht weltweit ein Sandmangel, und das Abbaggern von Flusssand schädigt Ökosysteme. Diese Studie untersucht eine attraktive Idee: Lässt sich Quarz‑Steinbruchsstaub – ein feines Pulver, das oft als Industrieabfall gilt – als nützlicher Rohstoff einsetzen, der einen Teil des Sandes im üblichen Zementmörtel ersetzt?

Vom Abfallhaufen zum brauchbaren Material

Quarz‑Steinbruchsstaub entsteht, wenn quarzreiche Gesteinsblöcke zerkleinert und geschnitten werden. Anstatt ihn zu deponieren, könnte der Staub als Rohstoff dienen. Die Forschenden sammelten natürlichen Flusssand und Quarzstaub aus Steinbrüchen in Tansania und bestimmten sorgfältig Korngröße, Form und chemische Zusammensetzung. Tests bestätigten, dass der Staub nahezu reines Quarz ist (etwa 99,6 % Siliziumdioxid), mit sehr wenigen Verunreinigungen und ohne reaktive Minerale, die später Risse oder Volumenausdehnung verursachen könnten. Unter dem Elektronenmikroskop erschienen die Staubpartikel scharfkantig, kantig und rau – deutlich anders als die glatteren Körner von Flusssand. Diese rauen Kanten verlangen zwar mehr Mischwasser, können aber dazu beitragen, dass sich die Partikel besser in die Zementpaste einverzahnen.

Entwurf eines stärkeren, grüneren Mörtels

Um zu prüfen, wie viel Steinbruchsstaub verwendet werden kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, stellten die Forschenden eine Reihe von Mörtelmischungen her. Alle enthielten dieselbe Menge Zement und Wasser, aber der Sand wurde schrittweise zu 0 %, 5 %, 10 %, 15 % oder 20 % durch Quarzstaub ersetzt (nach Gewicht). Die Mischungen wurden in kleine Würfel gegossen, bis zu 28 Tage in Wasser gehärtet und anschließend daraufhin untersucht, wie verarbeitungsfähig sie frisch waren, wie dicht sie im ausgehärteten Zustand wurden, wie viel Wasser sie aufnahmen und welchem Druck sie vor dem Zerbrechen widerstanden. Mikroskopische Aufnahmen des gehärteten Mörtels halfen, die Vorgänge auf der feinen Skala mit dem sichtbaren Verhalten des Materials zu verknüpfen.

Den optimalen Punkt finden

Mit wachsendem Staubanteil wurde der frische Mörtel deutlich steifer: Der Absetzmaß (slump), ein standardisiertes Maß für Fließfähigkeit, sank von etwa 74 Millimetern ohne Staub auf etwa 56 Millimeter bei 20 % Staub. Bis zu einem Ersatz von 15 % blieb die Mischung jedoch noch praktikabel. Die eigentliche Überraschung zeigte sich bei Festigkeit und Dauerhaftigkeit. Bei 10 % Sandersatz durch Steinbruchsstaub stieg die 28‑tägige Druckfestigkeit von 10,8 Megapascal in der Kontrollmischung auf 18,5 Megapascal – ein Zuwachs von etwa 70 %, damit deutlich im Bereich typischer tragender Mörtel. Die Wasseraufnahme, ein Indikator für Porosität und damit Verletzbarkeit, sank bei diesem 10‑%‑Niveau von 6,4 % auf 5,7 %. Darüber hinaus ließen die Vorteile nach: Höhere Staubanteile führten zu zusätzlichen Hohlräumen und störten den glatten Kontakt zwischen Zement und Sand, sodass die Festigkeit leicht abnahm und die Wasseraufnahme wieder anstieg.

Was sich im Inneren der Mischung abspielt

Mikroskopische Aufnahmen des gehärteten Mörtels zeigten, warum 10 % Steinbruchsstaub so gut funktionierten. In der normalen Mischung mit nur Flusssand zeigte die Struktur mehr leere Räume und ein lockereres Gefüge gehärteter Zementprodukte. Bei einer moderaten Zugabe von Quarzstaub schoben sich die feinen, kantigen Körner zwischen die Sandpartikel, schlossen Lücken und trugen zur Entstehung eines kompakteren, gesteinsähnlichen Gefüges der Zementbildungsprodukte bei. Bei etwa 10 % Ersatz erschien diese innere Struktur am dichtesten und gleichmäßigsten, mit weniger sichtbaren Poren und besserem Partikelkontakt. Bei noch höheren Staubanteilen neigten die scharfen Körner dazu, zu verklumpen und nicht vollständig von der Paste umhüllt zu werden, wodurch Schwachstellen und verstreute Hohlräume entstanden, die die Vorteile wieder abschwächten.

Welche Bedeutung das für den Alltag hat

Für Nicht‑Fachleute ist die Botschaft einfach: Eine kleine Dosis Steinbruchsstaub – etwa ein Zehntel des Sandes in einer Standardmörtelmischung – kann das Material stärker und etwas weniger wasseraufnehmend machen, gleichzeitig ein Abfallprodukt wiederverwenden und den Druck auf Flusssandvorräte verringern. Weitaus höhere Anteile verschlechtern die Verarbeitung und bringen nur noch geringe Vorteile. Zwar sind noch Langzeit‑Feldversuche und Dauerhaftigkeitsuntersuchungen erforderlich, doch zeigt diese Forschung einen praktischen Weg, ein staubiges Nebenprodukt in einen verlässlichen Bestandteil für umweltfreundlichere, ressourceneffizientere Bauweisen zu verwandeln.

Zitation: Ngayakamo, B.H., Ikotun, B.D. Utilization of quartz quarry dust as a sustainable partial sand replacement in cement mortar. Sci Rep 16, 7031 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37993-y

Schlüsselwörter: nachhaltiges Bauen, Zementmörtel, Steinbruchsstaub, Sandersatz, Quarz