Auswirkung des CaO-Gehalts in Flugasche der Klasse C auf die Verformungseigenschaften von vollkörnigem Beton

Aus Abfall aus Kraftwerken stärkere Staudämme machen

Moderne Staudämme und andere massige Betonbauwerke verbrauchen enorme Materialmengen. Gleichzeitig produzieren kohlebefeuerte Kraftwerke Berge von Flugasche, ein feines graues Pulver, das meist als Abfall behandelt wird. Diese Studie untersucht, ob eine calciumreiche Form von Flugasche sicher einen Teil des Zements in Beton für große Staudämme ersetzen kann, um Kosten zu senken, die Umweltbelastung zu verringern und gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit der Bauwerke gegen Rissbildung über Jahrzehnte zu erhalten.

Warum diese Asche für große Betonbauwerke wichtig ist

Flugasche entsteht beim Verbrennen von Kohle, wenn Mineralpartikel zu winzigen, glasigen Kugeln verschmelzen. Ingenieure nutzen bereits eine verbreitete Sorte, bekannt als Klasse-F-Flugasche, um Beton zu verbessern und Zementverbrauch zu reduzieren. In Regionen Chinas wie Xinjiang ist jedoch die verfügbare Asche meist calciumreich. Diese Klasse-C-Flugasche verhält sich anders: Ihr zusätzlicher Calciumanteil kann die Reaktion mit Zement stärker fördern, gleichzeitig können darin instabile Formen von freiem Kalk verborgen sein, die langfristig zu Ausdehnung oder Rissbildung führen können. Um diese lokale Ressource in großen Dammprojekten sinnvoll zu verwenden, muss ihr Einfluss auf Dehnung, Schwinden und Volumenstabilität des Betons gründlich verstanden werden.

Wie das Team den Beton getestet hat

Die Forschenden sammelten Flugasche aus mehreren Kraftwerken mit Calciumoxid (CaO)-Gehalten von sehr gering bis etwa 16,5 Prozent und bestimmten außerdem, wie viel dieses Calcium in einer besonders reaktiven „freien“ Form vorlag. Sie mischten diese Aschen in zwei Arten von Damm-Beton: einen mit vier Korngrößen von Kies und Gestein und einen weiteren mit drei Korngrößen. Diese vollkörnigen Mischungen sind so konzipiert, dass die Gesteins- und Kiespartikel dicht zusammengepackt werden, was wichtig ist, um innere Hohlräume und Risse zu reduzieren. Anschließend führte das Team eine Reihe von Laborprüfungen durch, um die Volumenstabilität (Schalldichtigkeit/Soundness), die erreichbare Zugverformung bis zum Riss (maximale Zugdehnung), die Steifigkeit (Elastizitätsmodul), das natürliche Volumenverhalten ohne Austrocknung (autogene Verformung) und die Volumenänderung bei Austrocknung (Trocknungsschwinden) zu verfolgen.

Was sie über Stabilität und Rissbildung herausfanden

Eine zentrale Sorge war, ob ein höherer Calciumgehalt instabile Ausdehnungen auslösen würde. Die Studie ergab, dass wenn Klasse-C-Flugasche einen CaO-Gehalt zwischen etwa 5,1 und 16,5 Prozent hat und sogar bis zu 70 Prozent des Zements ersetzt, der Beton dennoch die Normgrenzen für Volumenstabilität erfüllt. In mechanischen Prüfungen zeigte Beton mit höheren CaO-Gehalten in der Flugasche eine leicht größere Zugdehnungsfähigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul, was bedeutet, dass er etwas widerstandsfähiger gegen Rissbildung und zugleich etwas steifer wurde. Gleichzeitig neigte die selbstgetriebene Volumenänderung, die während der inneren Reaktionen von Zement und Asche auftritt, mit steigendem CaO eher zum Schwinden, insbesondere beim Beton mit vier Korngrößen. Trotz dieser Tendenzen blieb der Gesamteinfluss des CaO-Gehalts auf die Verformung moderat.

Warum die Kornabstufung einen Unterschied macht

Der Vergleich zwischen vier- und dreiabgestuften Betonen zeigte, dass die Korngrößenverteilung ebenso wichtig sein kann wie die Aschezusammensetzung. Die vierabgestuften Mischungen mit einer breiteren Partikelgrößenverteilung tolerierten höhere Zugdehnungen vor dem Riss und zeigten leicht geringeres Trocknungsschwinden als die dreiabgestuften Mischungen. Ihre Steifigkeit veränderte sich im Zeitverlauf gleichmäßiger, was auf eine stabilere innere Struktur hindeutet. Bei der autogenen Volumenänderung hingegen schrumpfte der vierabgestufte Beton etwas stärker als die dreiabgestufte Variante, insbesondere bei höheren CaO-Gehalten in der Flugasche. Mikroskopische Aufnahmen bestätigten, dass calciumreichere Aschen dichtere Reaktionsprodukte erzeugen können, aber auch winzige Defekte um unverbrauchte Partikel herum entstehen lassen können, wenn der Calciumgehalt zu hoch ist.

Welche Bedeutung das für künftige Staudämme hat

Für Nichtfachleute ist die Hauptaussage beruhigend: Innerhalb eines klar definierten Calciumbereichs kann die hier untersuchte lokale Klasse-C-Flugasche sicher einen großen Anteil des Zements im Damm-Beton ersetzen, ohne gefährliche Ausdehnungen oder übermäßige Rissbildung zu verursachen. Sorgfältig gewählte CaO-Gehalte in Verbindung mit gut gestalteter Kornabstufung ermöglichen es Ingenieuren, massive, stabile Bauwerke zu errichten, gleichzeitig Industrie-Nebenprodukte besser zu nutzen und die Nachfrage nach frischem Zement zu senken. Die Arbeit unterstreicht auch den Bedarf an weiteren Prüfungen unter realistischeren Temperatur-, Feuchtigkeits- und Belastungsbedingungen, zeigt aber den Weg zu einer Zukunft, in der einstige Kohleabfälle zu verlässlichen Bestandteilen langlebiger hydraulischer Infrastruktur werden.

Zitation: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

Schlüsselwörter: Flugasche-Beton, Staudammbau, Schwinden und Rissbildung, Zementersatz, kalziumreicher Industrieschrott