Bewertung von Graphitschiefer als zusätzliches pozzolanisches Material im Beton hinsichtlich antifungaler Aktivität, Festigkeit, Hydratation, Mikrostruktur und Strahlenschutz

Sauberer Beton für eine sich erwärmende Welt

Beton ist allgegenwärtig in unserer gebauten Umwelt, doch die Herstellung seines Hauptbestandteils, Portlandzement, setzt große Mengen Kohlendioxid frei. Diese Studie untersucht, ob ein natürlich vorkommendes Gestein, der Graphitschiefer, Zement im Beton teilweise ersetzen kann. Wenn das gelingt, könnten wir die Emissionen aus dem Bauwesen senken, eine Resistenz gegen schädliche Pilze gewinnen und sogar gezielt beeinflussen, wie Beton in Krankenhäusern und nuklearen Einrichtungen Strahlung abschirmt.

Ein gewöhnliches Gestein als nützlicher Zusatzstoff

Graphitschiefer ist ein geschichtetes metamorphes Gestein, das in Ägyptens Ostdünens steht vorkommt. Die Forschenden zerkleinerten und mahlten dieses Gestein zu einem feinen Pulver und mischten es in den Beton, wobei sie entweder 10 oder 15 Prozent des Zements nach Gewicht ersetzten. Diese Mischungen verglichen sie mit herkömmlichem Beton und prüften nicht nur Festigkeit und Dauerhaftigkeit, sondern auch das Verhalten des Betons bei Hitze, Pilzbefall und der Exposition gegenüber unterschiedlichen Strahlungsarten. Da die Hauptminerale des Schiefers geringe Dichte und glatte, plättchenartige Formen aufweisen, erwartete das Team, dass er eher als raumfüllender Zusatz denn als stark reaktiver Zementersatz wirkt.

Was im Beton passiert

Auf mikroskopischer Ebene waren die Partikel des Graphitschiefers kleiner und hatten etwa die doppelte Oberfläche von Zementkörnern. Dadurch konnten sie in Lücken zwischen den Zementpartikeln rutschen und die Mischung dichter packen. Chemische Tests zeigten jedoch, dass sich der Schiefer selbst nicht wesentlich an den erstarrungsreaktionen des Zements beteiligte. Stattdessen verhielt er sich hauptsächlich als inertes Füllmaterial. Bei Mischungen mit 10 Prozent Ersatz verbesserte dieser Packungseffekt die innere Struktur um Sand‑ und Gesteinskörner moderat, insbesondere in der dünnen Grenzregion, in der Risse häufig entstehen. Bei 15 Prozent Ersatz überwogen die Nachteile: mehr unreaktierte Zementkörner, zusätzliche Poren und mikroskopische Risse, die das Material schwächen.

Balance zwischen Festigkeit, Pilzen und Feuerbeständigkeit

Der Beton mit 10 Prozent Graphitschiefer verlor anfangs etwas an Festigkeit gegenüber Normalbeton, doch die Differenz verringerte sich über sechs Monate, während der verbleibende Zement weiter hydrierte. Dagegen zeigte die 15‑Prozent‑Mischung einen deutlich sichtbaren Festigkeitsabfall. Trotz dessen brachte das Gesteinspulver bemerkenswerte Vorteile: Es blieb stabil bei Erwärmung bis 800 Grad Celsius, was darauf hindeutet, dass Beton mit diesem Zusatzstoff bei schweren Bränden besser bestehen könnte. In getrennten Petrischalentests hemmte der Graphitschiefer das Wachstum mehrerer problematischer Pilze stark, oft wirksamer als reiner Zement. Dieses antifungale Verhalten scheint aus seiner großen Oberfläche und seinem Mineralgehalt zu resultieren, die zusammen Pilzzellen stressen und schädigen.

Wie Beton Strahlung abschirmt

Da Beton häufig zum Schutz von Menschen und Geräten vor Strahlung verwendet wird, prüfte das Team auch, wie die neuen Mischungen schnelle Neutronen und Gammastrahlung abfangen. Die Zugabe von Graphitschiefer verbesserte leicht die Abschirmung schneller Neutronen, was auf leichte Elemente wie Wasserstoff und Kohlenstoff in seinen Mineralen zurückzuführen ist, die diese Teilchen gut abbremsen. Gleichzeitig reduzierte die Zugabe jedoch die Dichte des Betons und erhöhte dessen Porosität, was die Fähigkeit beeinträchtigte, hochdurchdringende Gammastrahlen zu stoppen. Die 10‑Prozent‑Mischung bot nur einen geringen Gewinn beim Neutronenschutz, erlitt dafür aber einen spürbaren Verlust beim Gammaschutz; die 15‑Prozent‑Mischung schnitt diesbezüglich noch schlechter ab.

Wo dieser neue Beton passen könnte

Insgesamt legt die Studie nahe, dass Graphitschiefer als multifunktionaler mineralischer Zusatzstoff dienen kann, wenn er bei etwa 10 Prozent Zementersatz eingesetzt wird. In diesem Bereich hilft er, Zementverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren, bringt vielversprechende antifungale und feuerbeständige Eigenschaften mit und liefert einen leichten Vorteil beim Neutronenschutz, allerdings zulasten des Gammaschutzes und einer etwas geringeren Festigkeit. Solcher Beton eignet sich am ehesten für nicht‑tragende Bauteile oder spezielle Anwendungen, bei denen Pilzresistenz und Brandsicherheit wichtiger sind als maximale Festigkeit oder erstklassiger Strahlenschutz. Mit weiterer Abstimmung der Mischung und des Wassergehalts könnte Graphitschiefer ein nützliches Werkzeug sein, um intelligenteren, nachhaltigeren Beton herzustellen.

Zitation: Serry, M., Zayed, A.M., Tagyan, A.I. et al. Assessing graphite schist as a supplementary cementitious material in concrete for antifungal activity, strength, hydration, microstructure, and radiation shielding. Sci Rep 16, 12019 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40900-0

Schlüsselwörter: niedrig‑CO2‑Beton, Zementersatz, antifungale Materialien, Strahlenschutz, Graphitschiefer