Optimierung der Zementpartikelgröße zur Steigerung der Festigkeit und Reduktion von CO₂ in Leichtmörteln

Warum Zementkörner für Klima und Bauwesen wichtig sind

Von Brücken bis zu Wohnblöcken stützt sich das moderne Leben stark auf Zement. Zugleich ist die Zementherstellung eine der größten industriellen Quellen von Kohlendioxid weltweit. Diese Studie untersucht einen überraschend einfachen Hebel, um stärkere, leichtere Bauteile mit geringerem CO₂-Fußabdruck zu erzeugen: die Feinheit der Zementkörner zu verändern — nicht durch intensives Mahlen, sondern vor allem durch Aussieben der gröberen Partikel. Die Arbeit zeigt, wie die Abstimmung der Korngröße die Festigkeit erhöhen, das Rissverhalten verändern und die Emissionen pro Festigkeitseinheit in Leichtmörteln senken kann, die für dünnere, leichte Bauteile verwendet werden.

Kleinere Körner, leichtere Mischungen und alltägliche Bauanforderungen

Die Autoren konzentrieren sich auf „Leichtmörtel“, bei denen ein Teil des schweren Sandes durch Blähton ersetzt wird. Diese Mischungen verringern das Gewicht von Wänden und Platten, was besonders für Hochhäuser und Renovierungen attraktiv ist. Allerdings benötigen leichtere Mischungen oft mehr Zement, um die gleiche Festigkeit zu erreichen, was Kosten und Emissionen erhöht. Um dem zu begegnen, verglich das Team drei Varianten desselben Portlandzements: eine Standardmischung, einen „feinen“ Zement, bei dem Partikel über 50 Mikrometer ausgesiebt wurden, und einen „superfeinen“ Zement mit nur Partikeln unter 25 Mikrometern. Wichtig ist, dass sie den Zement nicht weiter gemahlen haben — ein energieintensiver Prozess — sondern gezielt die größten Agglomerate entfernten.

Was feiner Zement am Frisch- und Festmörtel bewirkt

Im Labor mischten die Forschenden vier Mörtel: einen standardmäßigen dichten Mörtel, eine Leichtversion und zwei Leichtversionen mit dem feinen bzw. superfeinen Zement. Sie hielten Wassergehalt und chemische Zusatzmittel im Wesentlichen konstant, sodass nur die Partikelgröße das Verhalten veränderte. Mit feinerem Zement flossen die Frischmischungen leichter und wurden leicht dichter — ein Zeichen besserer Packung der Körner. Nach dem Erstarren stieg die Druckfestigkeit deutlich: Die feinen und superfeinen Mischungen gewannen bis zu 40–45 % mehr Festigkeit nach drei Tagen und 15–21 % mehr nach sieben Tagen im Vergleich zum ungeseihten Leichtmörtel. Als Kompromiss nahm die Biegezugfestigkeit leicht ab und die Schwindung zu; beides hängt mit einer steiferen, spröderen inneren Struktur und einer höheren Neigung zu feinen Rissen zusammen.

Ein Blick ins Korn: Reaktionen laufen schneller ab

Um zu verstehen, warum feiner Zement so reagiert, verfolgte das Team die frühen Reaktionen in den ersten 12 Stunden. Mit Röntgendiffraktion, thermogravimetrischer Analyse und Transmissionselektronenmikroskopie beobachteten sie die Bildung wichtiger Reaktionsprodukte — insbesondere des kleberähnlichen Calcium-Silikat-Hydrat-Gels — schneller und in größerer Menge bei den feineren Zementen. Mikroskopische Bilder zeigten, wie der innere „Klebstoff“ sich von verstreuten nadelartigen Haufen zu dichten, folienartigen und kompakten Massen entwickelte, und zwar früher bei kleineren Körnern. Gewichtsmessungen beim Erhitzen bestätigten mehr gebundenes Wasser und mehr Hydrate in den feinen und superfeinen Pasten, was mit dem beobachteten Anstieg der Druckfestigkeit übereinstimmt. Anders gesagt: Mehr Oberfläche durch feinere Körner bietet dem Wasser mehr Reaktionsorte, sodass das innere Gerüst des Materials schneller und dichter aufgebaut wird.

Abwägung von Energieverbrauch, Emissionen und Strukturleistung

Da die Zementproduktion bereits große Energiemengen verbraucht und nahe einer Tonne CO₂ pro Tonne Produkt emittiert, fragten die Autoren, ob feiner Zement dem Klima wirklich hilft, wenn die Verarbeitung mitgerechnet wird. Sie erstellten eine Lebenszyklusanalyse, die drei Wege verglich: gewöhnlicher Zement, zusätzliches Mahlen zur Erhöhung der Oberfläche und einfaches Aussieben von Standardzement in feinere Fraktionen. Mahlen erhöht zwar Emissionen und Stromverbrauch, steigert aber auch die Festigkeit so weit, dass für eine gegebene Entwurfsfestigkeit weniger Zement nötig ist — wodurch die CO₂-Emissionen pro Festigkeitseinheit leicht sinken. Das Aussieben erwies sich als noch attraktiver. Das Durchlassen des Zements durch ein 50-Mikrometer-Sieb benötigte nur etwa 1 % mehr Energie, ermöglichte aber bis zu 14 % niedrigere CO₂-Emissionen pro Festigkeitseinheit in Leichtmörteln; das Übersieben auf 25 Mikrometer brachte nur noch bescheidene zusätzliche Festigkeitsgewinne bei höheren Verarbeitungskosten und stärkerer Schwindung.

Was das für umweltfreundlichere, leichtere Gebäude bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Schlussfolgerung: „Wie klein die Körner sind“ kann genauso wichtig sein wie „wie viel Zement man verwendet“. Durch gezieltes Entfernen nur der gröbsten Partikel können Hersteller Mörtel erzeugen, die sich leichter verarbeiten lassen, deutlich höhere Druckfestigkeiten aufweisen und pro Festigkeitseinheit weniger CO₂-intensiv sind — ohne den Fabrikenergieverbrauch massiv zu erhöhen. Die Studie warnt jedoch, dass sehr feine Zemente stärker schrumpfen und eher rissanfällig sein können, was die Dauerhaftigkeit beeinflussen könnte. Insgesamt deutet die Arbeit darauf hin, dass eine relativ niedrig-technische Anpassung — industrielles Sieben des Zements bei etwa 50 Mikrometern — einen praktischen Weg zu leichteren, stärkeren und etwas saubereren betonbasierten Materialien bietet.

Zitation: Nieświec, M., Chajec, A., Walendzik, I. et al. Optimizing cement particle size for strength enhancement and CO₂ reduction in lightweight mortars. Sci Rep 16, 8418 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39546-9

Schlüsselwörter: Feinheit des Zements, Leichtmörtel, Druckfestigkeit, CO2-Emissionen, Lebenszyklusanalyse