Mechanische Eigenschaften und Dauerhaftigkeit von Beton mit Zeolith und Abfallkeramikpulver: Experimentelle Untersuchung und Machine‑Learning‑Analyse

Aus Abfallfliesen wird widerstandsfähigerer Beton

Beton ist überall: in unseren Wohnungen, auf Brücken und Stadtstraßen. Die Herstellung von Zement, dem Bindemittel im Beton, verbraucht jedoch viel Energie und ist eine bedeutende Quelle von Kohlendioxid. Gleichzeitig landen Berge zerbrochener Keramikfliesen aus Bau und Rückbau auf Deponien. Diese Studie untersucht einen Ansatz, der beide Probleme zugleich angeht — indem ein Teil des Zements durch natürliche vulkanische Mineralien und fein gemahlene Abfallkeramik ersetzt wird, und mithilfe von Machine Learning vorhergesagt wird, wie gut dieser umweltfreundlichere Beton abschneidet.

Warum die Bestandteile von Beton neu denken?

Zement ist der teuerste und umweltbelastendste Bestandteil von Beton. Seine Produktion verbrennt große Mengen Brennstoffe und setzt CO₂ frei. Gleichzeitig erzeugt die Fliesenindustrie jährlich Millionen Tonnen Abfall, die sich mit herkömmlichen Methoden nur schwer recyceln lassen. Die Forschenden betrachteten zwei vielversprechende Ersatzstoffe, die einen Teil des Zements ersetzen können: natürlichen Zeolith, ein reaktives vulkanisches Mineral, und Abfallkeramikpulver aus ausgesonderten Fliesen. Beide sind reich an Silicium‑ und Aluminiumverbindungen, die mit Nebenprodukten der Zementhydratation reagieren können, um zusätzliche Bindegels zu bilden — was den Beton potenziell stärker und weniger durchlässig für Wasser und Salze macht.

Entwurf und Prüfung der neuen Mischungen

Das Team stellte dreizehn verschiedene Betonrezepte her. Wassergehalt sowie Sand und Kies wurden konstant gehalten, während systematisch ein Teil des Zements durch Zeolith (5 %, 10 % oder 15 %) und Keramikpulver (0 %, 10 %, 20 % oder 30 %) ersetzt wurde. Für jede Mischung wurden standardisierte Probekörper hergestellt und bis zu 91 Tage im Wasser nachgehärtet. Anschließend wurden zentrale Eigenschaften gemessen, die für reale Bauwerke wichtig sind: Druckfestigkeit (wie viel Last der Beton im Druck aushält), Zug‑ und Biegezugfestigkeit (Widerstand gegen Rissbildung und Biegung), Wasseraufnahme und die Anfälligkeit für Chloridionen — etwa aus Streusalz oder Meerwasser. Die Chloridbeständigkeit wurde mit einem standardisierten Schnelltest bewertet, der die elektrische Ladung misst, die in sechs Stunden durch eine Betonscheibe fließt.

Stärkerer, weniger durchlässiger und dauerhafterer Beton

Die Experimente zeigten, dass Mischungen aus Zeolith und Keramikpulver den herkömmlichen Beton übertreffen können, wenn die Anteile sorgfältig gewählt werden. Eine Mischung mit 15 % Zeolith und 10 % Keramikpulver lieferte das beste Gesamtleistungsbild und erhöhte die Druck‑, Zug‑ und Biegezugfestigkeit in allen Prüfzeiten im Vergleich zur konventionellen Mischung. Gleichzeitig nahm dieser Hybridbeton deutlich weniger Wasser auf — nach 91 Tagen bis zu etwa drei Viertel weniger — was auf ein deutlich verfeinertes Porensystem hindeutet. Zum Schutz gegen korrosive Salze ergab ein noch aggressiverer Ersatz (15 % Zeolith und 30 % Keramikpulver) das beeindruckendste Resultat: Die gemessene elektrische Ladung im Zusammenhang mit Chlorideindringung sank von etwa 3200 Coulomb im Kontrollbeton auf rund 425 Coulomb, wodurch das Material in die von Ingenieuren verwendete Kategorie "sehr geringe" Durchlässigkeit eingeordnet wurde.

Was im Beton passiert

Mikroskopische Chemie erklärt diese Verbesserungen. Sowohl Zeolith als auch Keramikpulver enthalten fein verteilte, amorphe Silicium‑ und Aluminiumverbindungen. Im feuchten Beton reagieren sie mit Calciumhydroxid, einem relativ schwachen und löslichen Nebenprodukt der Zementhydratation. Diese Reaktion bildet zusätzliches Calcium‑silicat‑hydrate und verwandte Gele — dasselbe Bindemittel, das dem Beton seine Festigkeit verleiht. Diese Gele füllen und verfeinern das Porensystem, verdicken die Übergangszone zwischen Bindemittelmatrix und Zuschlagstoff und reduzieren die Anzahl der Wege, entlang derer Wasser und Chloridionen transportiert werden können. Effektiv wirken die Abfallkeramikpartikel sowohl als Mikrofüller als auch als reaktive Bestandteile, während der Zeolith hochaktive Oberflächen liefert, die die chemischen Reaktionen vorantreiben.

Computer zur Vorhersage der Betonleistung

Um über Versuch‑und‑Irrtum im Labor hinauszukommen, trainierten die Forschenden mehrere Machine‑Learning‑Modelle mit ihren Testdaten. Die Modelle nutzten als Eingangsgrößen die Nachhärtezeit sowie die Prozentsätze von Zeolith und Keramikpulver und lernten, die Druckfestigkeit vorherzusagen. Unter den getesteten Verfahren lieferte ein Algorithmus namens XGBoost — eine Form des gebootstrappten Entscheidungsbaum‑Verfahrens — die genauesten Vorhersagen mit hoher Übereinstimmung zwischen prognostizierten und gemessenen Festigkeiten. Das deutet darauf hin, dass solche Modelle, einmal an einen moderaten experimentellen Datensatz angepasst, Ingenieuren helfen können, schnell viele mögliche Kombinationen natürlicher und abfallbasierter Zusatzstoffe zu erkunden und vielversprechende Mischungen vor dem Gießen einzugrenzen.

Was das für alltägliche Bauwerke bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten ist die Quintessenz: Diese Studie weist auf ein praktisches Rezept für grüneren, langlebigeren Beton hin. Durch den Austausch eines erheblichen Anteils des Zements durch natürlichen Zeolith und fein gemahlene Abfallfliesen lässt sich Zementverbrauch reduzieren, ein industrielles Nebenprodukt recyceln und gleichzeitig Beton erzeugen, der weniger zum Rissbild neigt, deutlich weniger Wasser aufnimmt und wesentlich widerstandsfähiger gegen Salzeinwirkung ist. In Kombination mit Machine‑Learning‑Werkzeugen, die zukünftige Mischungsentwürfe lenken können, bietet dieser Ansatz einen Weg zu Straßen, Brücken und Küstenbauwerken, die über ihre Nutzungsdauer sowohl nachhaltiger als auch dauerhafter sind.

Zitation: Nasr, D., Babagoli, R. & Bidabadi, P.S. Mechanical properties and durability of concrete with zeolite and waste ceramic powder through experimental investigation and machine learning analysis. Sci Rep 16, 7413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38184-5

Schlüsselwörter: nachhaltiger Beton, Abfallkeramik, Zeolith, Dauerhaftigkeit, Machine Learning