Der Zusammenhang von Aushärtemethoden und Aushärtetemperaturen mit NaOH-Molarität und deren Auswirkungen auf das Verhalten von Geopolymerbeton

Stärkerer, umweltfreundlicherer Beton für Alltagsbauten

Beton ist allgegenwärtig – von Häusern und Brücken bis hin zu Gehwegen. Die Herstellung herkömmlichen Betons setzt jedoch große Mengen Kohlendioxid frei. In dieser Studie wird eine Alternative untersucht: Geopolymerbeton, der aus industriellen Nebenprodukten wie Flugasche und Hochofenschlacken hergestellt werden kann. Die Forschenden wollten herausfinden, wie man diesen grüneren Beton am besten „aushärtet“ – entweder im heißen Ofen oder bei normaler Raumtemperatur –, damit er für reale Bauwerke ausreichend fest wird und gleichzeitig Energieverbrauch und Umweltauswirkung gering bleiben.

Zwei Wege, eine neue Betonsorte zu verfestigen

Das Team stellte zahlreiche Mischungen von Geopolymerbeton her, wobei Flugasche die Hauptzutat, natürliches Sand und Kies als Zuschläge und eine stark alkalische Flüssigkeit auf Basis von Natriumhydroxid und Natriumsilikat verwendet wurden. Einige Mischungen enthielten zudem gemahlene Hochofenschlacke, ein weiteres industrielles Nebenprodukt mit hohem Kalziumgehalt. Der Frischbeton wurde anschließend auf zwei unterschiedliche Arten verfestigt. Bei der einen Methode kamen Proben in einen Ofen bei Temperaturen zwischen 45 °C und 120 °C. Bei der anderen wurden Mischungen mit Schlacke einfach im Labor bei etwa 23 °C ausgehärtet, vergleichbar mit einer typischen Innenraumtemperatur. Dadurch war ein direkter Vergleich zwischen energieintensiver Wärmebehandlung und energiearmer Aushärtung bei Raumtemperatur möglich.

Das richtige Maß an Hitze und Chemie finden

Bei den ofenbehandelten Proben maßen die Forschenden nach dem Aushärten die Tragfähigkeit des Betons in Druck-, Biege- und indirekter Zugbeanspruchung. Es zeigte sich ein deutliches Muster: Eine Erhöhung der Ofentemperatur von 45 °C auf 90 °C steigerte die Festigkeit stark, während eine weitere Erhöhung auf 120 °C den Beton wieder schwächte. Mikroskopische Aufnahmen erklärten das Phänomen – hohe Temperaturen beschleunigen die chemischen Reaktionen, die das Material binden, aber zu viel Hitze treibt Wasser aus und erzeugt feine Risse. Auch die Konzentration der alkalischen Lösung war relevant: Mit einer stärkeren Natriumhydroxid-Lösung (12 mol statt 8 oder 10) wurden die höchsten Festigkeiten erzielt, mit Druckfestigkeiten von etwa 60–65 MPa bei 90 °C, was vergleichbar ist mit hochleistungsfähigem konstruktivem Beton.

Raumtemperatur-Aushärtung praktikabel machen

Aushärtung bei Raumtemperatur ist auf Baustellen deutlich praktischer, daher prüfte das Team, wie viel Schlacke hinzugefügt werden sollte, um das Material ohne zusätzliche Wärme auszuhärten. Unter Umgebungsbedingungen hing die Festigkeit stark sowohl vom Schlackenanteil als auch von der Alkalinität ab. Mäßige Schlackenmengen – typischerweise um 10–15 % des Bindemittels – erhöhten die Festigkeit deutlich, indem sie zusätzliche kalziumreiche Bindungsgels bildeten, die Poren füllten und eine dichtere innere Struktur erzeugten. Zu wenig Schlacke führte zu langsamerer Festigkeitsentwicklung, während zu viel die reaktive Flugasche verdünnte und die Verarbeitbarkeit verschlechterte, wodurch die Festigkeiten wieder sanken. Eine Erhöhung der Natriumhydroxid-Konzentration von 8 auf 12 mol steigerte die Festigkeit über alle Schlackenniveaus hinweg konstant, selbst ohne Ofenbehandlung.

Was sich im Inneren des Betons abspielt

Um die Vorgänge auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen, nutzten die Forschenden hochauflösende Bildgebung und chemische Analysen. In den bei Raumtemperatur ausgehärteten Mischungen mit Schlacke erschien die innere Struktur relativ kompakt, mit einer Mischung verschiedener Gelphasen, die Partikel zusammenbanden und nur wenige Poren hinterließen. Im Gegensatz dazu zeigten ofenbehandelte Proben ohne Schlacke sehr dichte Netzwerke aus Aluminosilikat-Gel, jedoch auch mehr Mikro­risse bei zu hohen Temperaturen. Elementanalysen bestätigten diese Unterschiede: schlackenhaltige Mischungen enthielten mehr Kalzium und bildeten kalziumreiche Gels, die für das Aushärten bei Raumtemperatur geeignet sind, während ofenbehandelte, schlackenfreie Mischungen hauptsächlich auf natriumbasierte Aluminosilikat-Gele setzten, die stark auf Wärme reagieren.

Stärke, Energieverbrauch und Nachhaltigkeit in Einklang bringen

Die Zusammenführung aller Daten, einschließlich statistischer Auswertung, zeigt, dass sowohl die Aushärtemethode als auch die Alkalinität die Leistungsfähigkeit von Geopolymerbeton stark beeinflussen. Die einzeln stärkste Mischung wurde mit einer 12‑molarigen Natriumhydroxid‑Lösung hergestellt und bei 90 °C ausgehärtet. Eine optimierte Mischung für Raumtemperatur mit derselben Alkalität und etwa 10 % Schlacke erreichte jedoch mehr als drei Viertel dieser Festigkeit – ausreichend für viele konstruktive Anwendungen – ganz ohne externe Erwärmung. Für Laien ist die Botschaft klar: Durch sorgfältiges Abstimmen von Temperatur, chemischer Konzentration und Schlackenanteil können Ingenieurinnen und Ingenieure Geopolymerbetone entwerfen, die für reale Bauaufgaben stark genug sind und gleichzeitig den Brennstoffverbrauch und die Klimawirkung im Vergleich zu herkömmlichem zementbasiertem Beton reduzieren.

Zitation: Özkılıç, Y.O., Mohamud, M.A., Yılmaz, F. et al. The relationship of curing methods and curing temperatures with NaOH molarity and their effects on the behavior of geopolymer concrete. Sci Rep 16, 8346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4

Schlüsselwörter: Geopolymerbeton, klimafreundlicher Bau, Aushärtetemperatur, Hochofenschlacken, nachhaltige Baustoffe