Entwurf und Charakterisierung nachhaltiger Mörtel unter Einbeziehung industriewertiger Abfallstoffe

Bauen mit Abfall statt mit frischem Gestein

Beton und Mörtel prägen unaufdringlich unsere Städte, doch die Herstellung des Zements, der sie zusammenhält, ist eine bedeutende Quelle klimaschädlicher Kohlendioxid‑Emissionen. Diese Studie verfolgt einen anderen Weg: Mörtel, die weitgehend aus industriellen Abfallstoffen bestehen, etwa Flugasche aus Kraftwerken und Schlacke aus der Stahlproduktion. Durch das gezielte Aktivieren dieser Pulver mit alkalischen Lösungen zeigen die Autorinnen und Autoren, dass sich starke, langlebige Baustoffe herstellen lassen, während der Klimaeinfluss reduziert und der Bedarf an neuen Rohstoffen verringert wird.

Warum ein Umdenken beim Zement wichtig ist

Traditioneller Portlandzement wird in riesigen Öfen hergestellt, in denen Kalkstein und Ton auf etwa 1450 °C erhitzt werden – ein Verfahren, das viel Energie verbraucht und CO₂ sowohl aus den Brennstoffen als auch aus dem Kalkstein freisetzt. Da die weltweite Nachfrage nach Gebäuden und Infrastruktur wächst, entfallen auf Zement allein etwa 7 % der globalen CO₂‑Emissionen. Viele Länder suchen deshalb nach saubereren Baustoffen, die die für die Praxis notwendige Festigkeit und Dauerhaftigkeit bieten, aber mit geringeren Emissionen und einer besseren Nutzung industrieller Nebenprodukte, die andernfalls deponiert würden.

Flugasche und Schlacke zu neuem Mörtel verarbeiten

Die Forschenden entwickelten drei Mörtelrezepte, die Portlandzement durch Mischungen aus Flugasche (ein feines Pulver aus der Kohleverbrennung), gemahlener Hochofenschlacke aus der Stahlherstellung und Silikastaub ersetzen, jeweils kombiniert mit Sand. Diese Pulver wurden nicht durch Hochtemperaturbrennen „aktiviert“, sondern durch das Mischen mit einer Kaliumhydroxid‑Lösung und flüssigem Natriumsilikat, gefolgt von der Aushärtung der Mörtel bei normaler Raumtemperatur und moderater Luftfeuchte. Eine Mischung verwendete Flugasche aus einem rumänischen Kraftwerk, eine andere Flugasche aus Kanada, und eine dritte kombinierte die kanadische Flugasche mit Schlacke. Zum Vergleich bereitete das Team außerdem einen standardmäßigen zementbasierten Mörtel als Kontrolle vor.

Wie stark sind diese abfallbasierten Mörtel?

Über 28 Tage wurden die Mörtel auf Druckfestigkeit (wie viel Last sie vor dem Zerbrechen tragen können) und Biegezugfestigkeit (Widerstand gegen Biegung) geprüft. Die Art der Flugasche und die genauen Verhältnisse des flüssigen Aktivators erwiesen sich als sehr einflussreich. Mörtel mit rumänischer Flugasche erreichte in der Druckprüfung nur etwa 8 MPa, während die kanadische Flugasche diese Leistung fast verdreifachte und etwa 26 MPa erzielte. Anpassungen des Flüssig‑zu‑Pulver‑Verhältnisses zeigten, dass zu viel Aktivator das Material porös und schwach macht, während eine ausgewogene Menge eine dichtere, stärkere Matrix erzeugt. Die Erhöhung der Konzentration der Kaliumhydroxid‑Lösung von 3,8 auf 5,1 molar steigerte die Festigkeit weiter, wahrscheinlich weil sie die Aschepartikel effektiver auflöste und neu anordnete.

Leistungssteigerung durch Stahlwerkschlacke

Das herausragende Ergebnis lieferte die Mischung, die kanadische Flugasche mit Hochofenschlacke und einer kleinen Menge Silikastaub verband. Dieses Rezept erreichte nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von etwa 44 MPa und eine Biegezugfestigkeit von 7,4 MPa – Werte, die mit oder besser als die des Kontrollmörtels auf Portlandzementbasis vergleichbar sind. Mikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die leistungsstärkste Mischung ein dichtes, kontinuierliches Gelnetzwerk bildete, das verbliebene Partikel und Sand umhüllte und deutlich weniger Risse und Hohlräume zeigte. Thermische Tests deuteten darauf hin, dass diese Mörtel bei hohen Temperaturen nur wenig Masseverlust aufweisen, was auf eine gute Stabilität bei Feuer- oder Hitzeeinwirkung schließen lässt.

Klimawirkung und praktisches Potenzial

Neben der mechanischen Leistung schätzte das Team den CO₂‑Fußabdruck ihrer abfallbasierten Mörtel. Da Flugasche, Schlacke und Silikastaub Nebenprodukte anderer Industrien sind, bedürfen sie keiner neuen hochtemperaturigen Verarbeitung, um im Mörtel verwendet zu werden. Unter Einbeziehung der Aktivatorproduktion, jedoch ohne Transport, emittieren die resultierenden Mörtel etwa 220 Kilogramm CO₂ pro Kubikmeter. Das ist etwa 30 % weniger als typische Betone nur mit Portlandzement und rund 45 % weniger als einige in der Literatur berichtete Zement‑Schlacke‑Mörtel. Anders gesagt: Diese Mischungen können hohe Festigkeit liefern und gleichzeitig die Emissionen bedeutend senken.

Was das für zukünftige Gebäude bedeutet

Kurz gefasst zeigt die Studie, dass sorgfältig konzipierte Mörtel aus industriellen Abfallpulvern, die bei Raumtemperatur mit moderaten alkalischen Lösungen aktiviert werden, konventionelle Zementmörtel in puncto Festigkeit erreichen oder übertreffen und zugleich die CO₂‑Emissionen erheblich reduzieren können. Bei einer Skalierung könnten solche Materialien es Bauherren ermöglichen, Asche und Schlacke in wertvolle Zutaten statt in teure Abfälle zu verwandeln und damit den Druck auf Steinbrüche und Öfen zu verringern. Zwar müssen Langzeitbeständigkeit und großtechnische Produktion noch geprüft werden, doch die Arbeit weist in Richtung einer Zukunft, in der Gebäude buchstäblich auf recycelten Grundlagen stehen.

Zitation: Caftanachi, M., Vrabie, M., Harja, M. et al. Design and characterization of sustainable mortars incorporating industrial waste–derived materials. Sci Rep 16, 12145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41743-5

Schlüsselwörter: nachhaltiger Mörtel, alkalisch aktivierte Materialien, Flugasche, Hochofenschlacke, kohlenstoffarme Bauweise