Nachhaltige Verbesserung der chemischen Beständigkeit und mikrostrukturellen Stabilität von Zementmörtel mit Natriumsilikat–Silicastaub-behandeltem recyceltem Feinkorn

Warum die Umwandlung alten Betons in Neues wichtig ist

Weltweit entstehen durch den Abriss von Gebäuden riesige Mengen an Bruchbeton. Ein großer Teil dieses Materials landet auf Deponien, obwohl es Sand und Kies enthält, die in neuen Bauprojekten wiederverwendet werden könnten. Das Problem ist, dass die aus altem Beton zurückgewonnenen Feinkörner oft den neuen Mörtel schwächen und anfälliger für aggressive Umgebungen machen, insbesondere dort, wo Abwassersysteme, Industrie oder salzhaltige Böden Bauwerke angreifen. Diese Studie untersucht eine einfache Behandlung, mit der sich diese problematischen recycelten Partikel in zuverlässige Baustoffbestandteile verwandeln lassen, sodass Städte nachhaltiger bauen können, ohne die Dauerhaftigkeit zu opfern.

Vom Abrissabfall zum feinen Baustandsand

Beim Zerkleinern von altem Beton entsteht recyceltes Feinkorn — sandkörnige Partikel, die noch von Überresten alter Zementpaste überzogen sind. Diese Körner nehmen mehr Wasser auf und enthalten viele winzige Poren und Risse. Folglich ist Mörtel aus diesem Material tendenziell durchlässiger und weniger widerstandsfähig gegen Schäden durch Säuren und Salze als Mörtel aus natürlichem Flusssand. Die Autor:innen wollten prüfen, ob ein kurzes Vorsiegelungsbad mit zwei weit verbreiteten Stoffen — Natriumsilikat (flüssiges „Wasserglas“) und Silicastaub (ein ultrafeines Mineralpulver) — die anhaftende Mörtelschicht stärken und die Leistungsfähigkeit des recycelten Korns in neuen Mischungen verbessern kann.

Ein einfaches Bad, das Poren verschließt

Die Forschenden sammelten Bau- und Abrissabfälle, zerkleinerten sie und separierten die Feinkornfraktion. Diese recycelten Feinkörner wurden dann 24 Stunden lang in wässrigen Lösungen mit unterschiedlichen Anteilen an Natriumsilikat und Silicastaub eingeweicht. Nach dem Trocknen ersetzten die behandelten Partikel den gesamten Sand in Standardzementmörteln, die anschließend zu kleinen Würfeln vergossen wurden. Verglichen wurden fünf Mischungen: eine mit natürlichem Sand, eine mit unbehandeltem recyceltem Feinkorn und drei mit behandelten recycelten Körnern bei steigenden Chemikaliendosierungen. Nachdem der Mörtel ausgehärtet war, wurden die Würfel über mehrere Monate in starken Schwefelsäure- und Magnesiumsulfatlösungen getaucht — Bedingungen, die schwere Kanal- und sulfatreiche Bodenumgebungen nachbilden. In regelmäßigen Abständen maß das Team Gewichtsverlust, Festigkeit, Wasseraufnahme und innere Tragfähigkeit mittels Ultraschallimpulsen und untersuchte die innere Struktur mit fortgeschrittener Bildgebung und Spektroskopie.

Standhalten gegen Säuren und Salze

Unbehandeltes recyceltes Feinkorn zeigte die schlechteste Leistung unter Säure- und Sulfatexposition. Die entsprechenden Mörtel verloren am meisten Masse, erlitten die stärksten Festigkeitsverluste, nahmen am meisten Wasser auf und zeigten die stärkste Abnahme der Ultraschallgeschwindigkeit — Anzeichen umfangreicher Rissbildung und innerer Schädigung. Mörtel aus natürlichem Sand schnitten besser ab, zeigten jedoch dennoch sichtbare Oberflächenabtragung und eine langsame Schwächung über die Zeit. Im Gegensatz dazu widerstanden Mörtel mit behandeltem recyceltem Feinkorn Schäden deutlich besser. Besonders hervorzuheben ist die Mischung, die in einem mittelstarken Bad mit 20 % Natriumsilikat und 2 % Silicastaub eingeweicht wurde: In Säure verlor sie etwa 40 % weniger Masse und behielt rund 30 % mehr Festigkeit als die unbehandelte recycelte Mischung; in der Sulfatlösung begrenzte sie ähnlich den Gewichtsverlust und Festigkeitsabfall und hielt gleichzeitig höhere Ultraschallgeschwindigkeiten aufrecht.

Was sich im Materialinneren ändert

Mikroskopische und chemische Untersuchungen zeigten, warum die Behandlung wirkte. In unbehandelten recycelten Mörteln drangen aggressive Lösungen leicht ein, lösten calciumreiche Verbindungen auf und bildeten expansive Kristalle aus Gips und Ettringit, die die Mikrostruktur auseinanderdrückten. Bilder zeigten poröse Kontaktzonen um die recycelten Körner und weitverbreitete Rissbildung. Nach der Behandlung war die anhaftende Mörtelschicht um jedes Korn deutlich dichter und fester mit der neuen Bindematrix verbunden. Die Natriumsilikatlösung war in die Poren eingedrungen und hatte mit Calcium reagiert, um zusätzlichen Bindungsgel zu bilden, während der Silicastaub freies Calcium weiter verbrauchte und ein silikareicheres, stabileres Netzwerk aufbaute. Röntgen- und Infrarotanalyse bestätigten, dass schädliche Nebenprodukte stark reduziert waren und die Hauptbindungsphase selbst nach langer Exposition stabiler blieb.

Ein praktischer Weg zu grünerem, widerstandsfähigerem Mörtel

Für Nicht-Spezialist:innen ist die wichtigste Erkenntnis, dass ein vergleichsweise einfacher, energiearmer Einweichschritt problematisches recyceltes Feinkorn in einen leistungsfähigen Bestandteil für neuen Mörtel verwandeln kann. Indem Poren verschlossen und die Chemie der alten Zementbeschichtung umgestaltet werden, erlaubt das kombinierte Natriumsilikat–Silicastaub-Bad, 100 % recyceltes Feinkorn mit natürlichem Sand zu konkurrenzieren und ihn in einigen Aspekten unter sehr aggressiven chemischen Bedingungen sogar zu übertreffen. Dieser Ansatz bietet einen realistischen Weg, mehr Abrissabfälle in dauerhafte Baustoffe zu recyceln, den Druck auf Flusssandressourcen zu reduzieren und die Lebensdauer von Betonbauten in aggressiven Umgebungen zu verlängern.

Zitation: Shaju, A.C., Nagarajan, P., Sudhakumar, J. et al. Sustainable enhancement of chemical durability and microstructural stability in cement mortar incorporating sodium silicate–silica fume treated recycled fine aggregate. Sci Rep 16, 9380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40549-9

Schlüsselwörter: recycelter Beton, Zementbeständigkeit, nachhaltiges Bauen, Kornbehandlung, Säure- und Sulfatangriff