Das Verhältnis LS/CS zur Leistungsfähigkeit in DG-aktivierten Hybridzementen

Industrielle Abfälle in stärkeren, umweltfreundlicheren Zement verwandeln

Berge von Abfall aus Metallraffinerien – Materialien wie Lithiumschlacke und Kupferschlacke – häufen sich weltweit und bedrohen Boden, Wasser und Luftqualität. Diese Studie untersucht einen Weg, diese problematischen Nebenprodukte in nützliche Bestandteile für Zement zu verwandeln, Abfall zu reduzieren und den ökologischen Fußabdruck des Bauens zu verringern, ohne an Festigkeit einzubüßen. Durch das Feintuning der Schlackenmischungen und ein sanftes „Wecken" mit einem milden Zusatzstoff zeigen die Forschenden, dass Beton sowohl grüner als auch robust genug für den praktischen Einsatz sein kann.

Warum diese Abfälle zu einem wachsenden Problem werden

Die Produktion von Lithium für Batterien und von Kupfer für Leitungen erzeugt für jede Tonne wertvollen Metalls große Mengen an Schlacke. Lithiumschlacke ist reich an Kieselsäure und Alumina, während Kupferschlacke viel Eisen und Kieselsäure, aber nur sehr wenig Kalk enthält. Für sich genommen reagieren diese Materialien im Zement langsam und lassen sich nur schwer effizient nutzen. Gleichzeitig ist gewöhnlicher Portlandzement, das Rückgrat des modernen Bauens, für einen großen Anteil der industriellen CO2‑Emissionen verantwortlich. Einen Weg zu finden, diese Schlacken in Zement einzubringen und sie ohne aggressive Chemikalien richtig hart werden zu lassen, könnte den Umweltdruck sowohl auf die Metall- als auch auf die Zementindustrie verringern.

Ein sanfter Anstoß statt harter Chemikalien

Das Team entwickelte einen hybriden Bindemittelansatz, bei dem 30 Prozent des Zements durch eine Mischung aus Lithiumschlacke und Kupferschlacke ersetzt werden, während eine kleine Dosis entsalzter Gips – ein Nebenprodukt der Rauchgasreinigung in Kraftwerken – als milde Aktivator wirkt. Anstatt starke Alkalien zu verwenden, die korrosiv und teuer sein können, setzen sie auf diese niedrig‑alkalische, sulfatreiche Umgebung, um die Abfallpulver zur Reaktion zu bewegen. Die Lithiumschlacke wird durch Nasskugelmahlen sehr fein vermahlen, wodurch winzige Partikel entstehen, die als Keime für das Kristallwachstum dienen können. Die Kupferschlacke mit größeren, kantigeren Körnern hilft, Räume zu füllen, und liefert eisenreiche Komponenten, die später in das aushärtende Netzwerk eintreten.

Den idealen Mix finden

Um zu untersuchen, wie Rezepturänderungen die Leistung beeinflussen, bereiteten die Forschenden mehrere Pasten und Mörtel mit unterschiedlichen Lithium‑zu‑Kupfer‑Schlacke‑Verhältnissen zu, wobei der Gesamtersatz stets gleich blieb. Sie maßen die Fließfähigkeit der frischen Mischungen, die Festigkeit nach 3, 7 und 28 Tagen sowie die Art der sich bildenden Kristalle und Gele. Außerdem setzten sie Techniken wie Röntgenbeugung, Infrarotspektroskopie, Elektronenmikroskopie und Quecksilberintrusion ein, um die innere Struktur und das Porensystem zu untersuchen. Eine Mischung stach besonders hervor – mit 20 Prozent Kupferschlacke und 10 Prozent Lithiumschlacke. Nach 28 Tagen erreichte ihre Druckfestigkeit mehr als 95 Prozent des reinen Zements, und die Biegezugfestigkeit war deutlich höher als bei Mischungen mit nur einer Schlackeart.

Wie die Schlacken zusammenwirken

Die Daten zeigen, dass Lithiumschlacke und Kupferschlacke zusammen mehr erreichen, als jede für sich allein könnte. Lithiumschlacke verbraucht Calciumhydroxid, ein Nebenprodukt der Zementhydratation, und fördert dadurch die Bildung zusätzlicher Bindungsgele, die reich an Kieselsäure und Alumina sind. Diese Gele begünstigen zudem die weitere Reaktion mineralischer Phasen innerhalb der Kupferschlacke, einschließlich eisenhaltiger Phasen, die langsam aufbrechen und in das gehärtete Netzwerk eingebunden werden. Gleichzeitig ermöglichen die unterschiedlichen Partikelgrößen von Zement, feiner Lithiumschlacke und gröberer Kupferschlacke eine dichtere Packung und damit weniger Hohlraum. Porenmessungen zeigen, dass die optimierte Mischung das Material in Richtung kleinerer, weniger schädlicher Poren und einer dichteren, komplexeren Mikrostruktur verschiebt, was eng mit verbesserter Festigkeit und Haltbarkeit verknüpft ist.

Was das für zukünftige Gebäude bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt die Studie, dass sorgfältig abgestimmte Mischungen aus Lithiumschlacke und Kupferschlacke, sanft mit entsalztem Gips aktiviert, einen bedeutenden Anteil des traditionellen Zements ersetzen können und dennoch starke, kompakte Baustoffe liefern. Die beste Mischung erreicht nahezu die Festigkeit von Standardzement, verbessert die innere Dichte und verwandelt problematischen Industrieabfall in eine Ressource. Zwar bleiben Fragen zum sehr langfristigen Verhalten und zur Beständigkeit gegenüber besonders harten Umgebungen offen, doch diese Arbeit weist auf einen praktischen Weg zu nachhaltigerem Beton hin, der die heute weggeworfenen Industriewerte klüger nutzt.

Zitation: Xiang, B., Zhang, Z., Yang, G. et al. The LS/CS ratio-performance relationship in DG-activated hybrid cements. Sci Rep 16, 8865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38577-6

Schlüsselwörter: grüner Zement, Recycling industrieller Abfälle, Lithiumschlacke, Kupferschlacke, nachhaltiger Beton