Auswirkungen des Anteils von Stahlschlacke auf das Verhalten von alkalisch aktiviertem Kohlegangue-Schlacken-Mörtel

Aus Abfall werden stärkere, umweltfreundlichere Gebäude

Moderne Städte sind auf Beton und Mörtel angewiesen, doch die Herstellung von herkömmlichem Zement setzt große Mengen Kohlendioxid frei, und die fertigen Materialien können im Laufe der Zeit reißen und schrumpfen. Diese Studie untersucht einen Ansatz, der beide Probleme zugleich angeht: Industrielle Abfälle aus Kohle- und Stahlerzeugung werden in einen neuen Mörtel recycelt, der nicht nur die Emissionen senkt, sondern auch stärker ist und weniger zum Schrumpfen und Rissbildungen neigt.

Warum Risse eine unterschätzte Gefahr sind

Viele umweltfreundliche Zementalternativen, zusammengefasst als alkalisch aktivierte Materialien, zeigen beachtliche Festigkeit und Dauerhaftigkeit. Sie leiden jedoch häufig unter einem gravierenden Nachteil: Beim Trocknen schrumpfen sie stärker als gewöhnlicher Portlandzement. Dieses Schrumpfen kann ein Netz winziger Risse verursachen. Im Laufe der Zeit ermöglichen diese Risse Wasser und korrosive Stoffe den Eintritt in Wände und Fundamente und schwächen so Sicherheit und Lebensdauer von Bauwerken. Die Lösung dieses Problems erfordert meist spezielle Zusätze oder strenge Nachbehandlungsbedingungen, was Kosten erhöht und die allgemeine Anwendung einschränkt.

Einem zweiten Leben für Stahl- und Kohleabfälle

Die Forscher konzentrierten sich auf drei pulverförmige Nebenprodukte der Schwerindustrie: Stahlschlacke aus der Stahlherstellung, Kohlegangue aus dem Kohlebergbau und gemahlene Hochofenschlacke aus der Eisenproduktion. Diese Materialien werden oft zu großen Halden aufgetürmt, beanspruchen Landflächen und bergen Umweltgefahren. In dieser Arbeit wurde die Hochofenschlacke auf die Hälfte des gesamten Bindemittels festgelegt, um eine Basisfestigkeit sicherzustellen, während der Kohlegangue schrittweise durch unterschiedliche Anteile Stahlschlacke ersetzt wurde. Mit einer alkalischen Flüssigkeit als Aktivator wurden diese Pulver zu einem Mörtel vermischt, in kleine Probekörper gegossen und auf Fließfähigkeit, Festigkeit und Trocknungsschrumpfung geprüft sowie mit verschiedenen mikroskopischen und chemischen Methoden untersucht.

Den optimalen Anteil an Stahlschlacke finden

Die Versuche zeigten, dass die Zugabe von Stahlschlacke die Frischmörtel-Fließfähigkeit verbessert, was das Einbringen in Formen erleichtert, und die Festigkeit über die Zeit deutlich erhöht. Bei einem Austausch von 40 % des Kohlegangues durch Stahlschlacke stieg die 28-Tage-Druckfestigkeit um etwa 42 % und erreichte über 70 Megapascal, während die Trocknungsschrumpfung im Vergleich zu Mischungen ohne Stahlschlacke um nahezu 29 % sank. Unter diesem Wert waren die Verbesserungen geringer; oberhalb dieses Werts verschlechterte sich die Leistung. Bei 50 % Stahlschlacke nahm die Festigkeit ab und die Schrumpfung verringerte sich nicht mehr. Die Autoren führen diesen Rückgang auf einen Mangel an reaktivem Silizium und Aluminium zurück, die als Bausteine für die Bindungsgels wesentlich sind.

Was im ausgehärteten Mörtel passiert

Um zu verstehen, warum 40 % Stahlschlacke so gut funktionierte, betrachtete das Team den ausgehärteten Mörtel auf mikroskopischer Ebene. Sie stellten fest, dass Stahlschlacke die Entwicklung der inneren Struktur im Zeitverlauf verändert. Anfangs verlangsamt sie die Reaktion leicht, wodurch das Material Wasser besser zurückhält und schnelles Austrocknen reduziert wird. Später reagiert sie jedoch stärker und liefert zusätzlich Calcium in das System. Das führt zu zusätzlichen gelartigen Bindungsphasen und zahlreichen nadelförmigen Kristallen, dem Ettringit. Zusammen durchziehen diese Produkte das Material, füllen Poren, verbinden Partikel und leisten Widerstand gegen Verformung. Messungen der Porengrößen bestätigten, dass die optimale Mischung weniger mittelgroße Poren aufwies, die maßgeblich für Schrumpfung verantwortlich sind, und so ein dichteres, stabileres Gefüge ergab.

Vom Labor-Mörtel zur praktischen Anwendung

Kurz gesagt zeigt die Studie, dass ein sorgfältig austarierter Anteil an Stahlschlacke in diesem abfallbasierten Mörtel ein rissanfälliges grünes Material in ein widerstandsfähigeres, verlässlicheres verwandeln kann. Etwa 40 % Stahlschlacken-Ersatz bieten eine Kombination aus hoher Festigkeit, reduziertem Rissrisiko und besserer Verarbeitbarkeit, während weiterhin große Mengen industrieller Abfälle verwertet und die hohen CO2-Bilanzen konventionellen Zements vermieden werden. Obwohl die Untersuchung auf einen 28-Tage-Zeitraum fokussierte, liefert sie praktische Ansätze für grünere Baustoffe, die Abfallströme der Industrie besser nutzen.

Zitation: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

Schlüsselwörter: Stahlschlacke, grüner Beton, Recycling industrieller Abfälle, Trocknungsschrumpfung, alkalisch aktivierter Mörtel