Vergleich der Wirkungen verschiedener Expansionsmittel auf alkalisch aktivierte Schnellreparaturmörtel: Verarbeitbarkeit, mechanische Eigenschaften, Trocknungsschwinden

Warum das Ausbessern rissiger Straßen ein Update bekommt

Von Autobahnen bis zu Brücken altern viele Betonbauwerke und bekommen Risse schneller, als wir sie reparieren können. Herkömmliche Reparaturmischungen härten oft langsam und neigen beim Austrocknen zu neuen Rissen. Diese Studie untersucht eine neuere Klasse „grüner“ Reparaturmörtel aus Industrie­nebenprodukten und stellt eine praktische Frage: Welcher Zusatzstoff verhindert am besten Schrumpfung und Rissbildung bei Reparaturen, während er dennoch schnell genug erhärtet, damit Straßen rasch wieder freigegeben werden können?

Grünere Reparaturmischungen aus industriellen Reststoffen

Die hier untersuchten Reparaturmörtel basieren auf gemahlenem Schlacke, Flugasche und Metakaolin – pulverförmigen Reststoffen aus der Stahlherstellung, Kohlekraftwerken und der Tonaufbereitung. Werden diese Pulver mit einer alkalischen Flüssigkeit aktiviert, bilden sie einen harten, steinähnlichen Bindemittelkörper, ohne viel traditionellen Zement zu benötigen. Das reduziert das Klima­einfluss und kann sehr schnelle Festigkeitszunahmen liefern, ideal für Reparaturen über Nacht oder am selben Tag. Allerdings neigen diese alkalisch aktivierten Mischungen beim Austrocknen stark zum Schrumpfen, was feine Risse öffnen und die Haftung am vorhandenen Beton schwächen kann.

Drei Ansätze gegen das Schwinden

Um dieses Schrumpfen zu kontrollieren, verglichen die Forschenden drei Expansionsmittel, die dem Mörtel beigemischt wurden: eines hauptsächlich auf Magnesiumoxidbasis (MEA), eines auf Calciumoxidbasis (CSEA) und eines aus Calcium‑sulfoaluminat (SEA). Jedes wurde in mehreren Dosierungen zugegeben und hinsichtlich Frischverarbeitbarkeit, Abbindezeit, Druckfestigkeit, Haftung an altem Beton und Schrumpfung über zwei Monate geprüft. Zudem nutzten sie Röntgenverfahren, thermische Analysen und Elektronenmikroskopie, um zu beobachten, welche Kristalle und Gele sich bildeten und wie sich die Mikrostruktur entwickelte.

Was gut funktionierte und was nicht

Alle drei Zusätze verkürzten die Abbindezeit, was für schnelle Reparaturen hilfreich ist, aber innerhalb der Verarbeitbarkeitsgrenzen bleiben muss. MEA zeigte insgesamt die schwächste Wirkung: in der hier verwendeten stark alkalischen Mischung reagierte das Magnesium kaum, bildete nur wenig der quellenden Produkte, die das Schrumpfen ausgleichen, und ließ Festigkeit und Schrumpfung nahezu unverändert. CSEA verhielt sich sehr unterschiedlich. Bei höheren Dosierungen verkürzte es die Abbindezeit deutlich, steigerte die sehr frühe Festigkeit und verringerte entscheidend das langfristige Trocknungsschwinden um nahezu die Hälfte. Es verbesserte außerdem die Haftfestigkeit zum Altbeton durch dichtere Haftzonen. Der Preis dafür war, dass die rasche Wärmeentwicklung und Kristallbildung mit der Zeit feine innere Risse einführten, sodass die 28‑Tage‑Druckfestigkeit im Vergleich zu Mischungen ohne Zusatz leicht zurückging.

Frühe Hilfe, die mit der Zeit nachlässt

Der SEA‑Zusat zerschien anfangs vielversprechend: er bildete expansive nadelartige Kristalle, die Hohlräume füllten, dem frühen Schrumpfen entgegenwirkten und sowohl die frühe Festigkeit als auch die Anfangshaftung zum Altbeton erhöhten. Unter den stark alkalischen Bedingungen dieser Mörtel verwandelten sich diese Nadeln jedoch allmählich in flachere Kristalle und andere Gele. Als sich die innere Struktur umformte und Wasser freigesetzt wurde, schrumpfte das Material in höheren Altersstufen stärker als die Referenzmischung. Dieses zusätzliche Schwinden führte zu Mikro­rissen und einem deutlichen Verlust an langfristiger Festigkeit und Haftleistung, weshalb SEA für dauerhafte Reparaturen in diesem System weniger geeignet erscheint.

Was das für zukünftige Betoninstandsetzungen bedeutet

Für Ingenieurinnen und Ingenieure, die schnelle, dauerhafte und kohlenstoffärmere Betoninstandsetzungen anstreben, zeigt die Studie, dass Expansionsmittel im Zusammenspiel mit alkalisch aktivierten Mörteln nicht gleichwertig sind. Magnesiumbasierte Zusätze zeigten in diesen hochalkalischen Mischungen nur geringe Wirkung, und sulfoaluminatbasierte Mittel halfen nur kurzfristig, bevor sie zusätzliches Schwinden und Rissbildung verursachten. Calciumbasierter CSEA bot die beste Balance: sehr schnelle Festigkeitsentwicklung, stärkere Bindung zum Altbeton und deutlich geringeres langfristiges Schwinden, auch wenn die Endfestigkeit etwas zurückging. Kurz gesagt: Sorgfältig abgestimmte calciumbasierte Expansionsmittel erscheinen der vielversprechendste Weg zu rissresistenten, schnell abbindenden und nachhaltigeren Reparaturmaterialien für Beton.

Zitation: Luo, X., Xi, M., Huang, L. et al. Comparison of the effects of different expansion agents on alkali-activated rapid repair mortars: workability, mechanical properties, drying shrinkage. Sci Rep 16, 13791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43508-6

Schlüsselwörter: Betoninstandsetzung, alkalisch aktivierter Mörtel, Schwindmaßkontrolle, Expansionsmittel, Beständigkeit der Infrastruktur