Festigkeits- und Kostenanalyse von Geopolymerbeton mit Reisspelzenasche und HGBS als nachhaltige Zementalternativen

Aus Abfall stärkere Gebäude machen

Beton ist das Rückgrat moderner Städte, doch die Herstellung seiner Hauptkomponente – Portlandzement – setzt große Mengen Kohlendioxid frei. Diese Untersuchung erforscht einen saubereren Weg zu bauen: den Ersatz eines Großteils dieses Zements durch Industrie- und Agrarabfälle, konkret durch gemahlenen, granulierten Hochofenschlacke (HGBS), ein Nebenprodukt der Stahlherstellung, und Reisspelzenasche (RHA), die nach dem Verbrennen von Reisspelzen zur Energieerzeugung zurückbleibt. Die Forschenden stellen eine einfache, aber entscheidende Frage: Können diese Abfälle Beton erzeugen, der stark, langlebig, wirtschaftlich und umweltverträglicher ist?

Warum Reisspelzen und Stahlschlacke wichtig sind

Reis wird weltweit in großen Mengen angebaut, besonders in Ländern wie Indien, und hinterlässt große Mengen an Spelzen, die oft verbrannt werden und deren Asche meist auf Deponien landet. Gleichzeitig erzeugt die Stahlproduktion feines Schlackenpulver, das im Beton reagieren kann. Sowohl RHA als auch HGBS sind reich an den grundlegenden Bestandteilen, die Beton verbinden, und eignen sich daher vielversprechend als Ersatz für Zement. Die Verwendung dieser Materialien recycelt nicht nur Abfälle, sondern verringert auch den Bedarf an neuem Zement, was potenziell die CO2-Emissionen deutlich senken und die Belastung von Deponien verringern kann.

Entwurf einer neuen Art von grünem Beton

Das Team stellte eine Art Bindemittel her, das als Geopolymerbeton bekannt ist und alkalische Flüssigkeiten anstelle von Zement verwendet, um Pulver wie HGBS und RHA zu aktivieren. Sie entwickelten Mischungen für drei gängige Festigkeitsklassen, bezeichnet als M40, M50 und M60, die grob normalen bis hochfesten Baustoffen entsprechen. Für jede Klasse ersetzten sie HGBS durch Reisspelzenasche in vier Stufen: 0 %, 10 %, 20 % und 30 %. Anschließend variierten sie die Konzentration der Natriumhydroxid-Lösung, die die Pulver aktiviert, und härteten die Prüfwürfel bei Raumtemperatur. Durch sorgfältige Messung der Festigkeitsentwicklung nach 1, 3, 7 und 28 Tagen konnten sie erkennen, welche Kombinationen die beste Leistung erbrachten.

Das Optimum für Festigkeit finden

Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster. Beton, der ausschließlich mit HGBS hergestellt wurde, gewann bereits schnell an Festigkeit, doch die Zugabe von moderaten 10 % RHA verbesserte die Werte noch weiter. Über alle drei Klassen hinweg erreichten Mischungen mit 90 % HGBS und 10 % RHA nach 28 Tagen die höchsten Druckfestigkeiten und lagen leicht über den Mischungen ohne Reisspelzenasche. Die feine, siliziumreiche Asche füllt feine Hohlräume und reagiert mit der Schlacke, um zusätzlichen Bindungsgehalt zu bilden, was zu einem dichteren, stärkeren Material führt. Wenn jedoch der RHA-Anteil auf 20 % bzw. 30 % anstieg, fiel die Festigkeit stark ab – um bis zu 30–60 % verglichen mit der 10 %-Mischung –, weil zu viel HGBS, das entscheidendes Kalzium für frühe Festigkeit liefert, entnommen worden war.

Widerstandsfähigkeit unter rauen Bedingungen

Festigkeit allein reicht nicht; Beton muss auch rauen Umgebungen standhalten. Um die Dauerhaftigkeit zu prüfen, tauchten die Forschenden die Würfel bis zu 60 Tage in eine starke Schwefelsäurelösung und verfolgten sowohl Festigkeitsverluste als auch Massenverluste. Alle Mischungen verloren im Säureangriff mit der Zeit etwas an Festigkeit, doch jene mit 10 % RHA schnitten durchweg am besten ab, mit nur etwa 2 % Festigkeitsverlust und rund 1,9 % Masseverlust nach 60 Tagen. Mischungen mit 20 % und 30 % RHA erlitten deutlich stärkere Schäden, was bestätigt, dass ein übermäßiger Ascheanteil das Material anfälliger für chemische Angriffe macht. Die Studie untersuchte außerdem, wie die Konzentration des alkalischen Aktivators die Leistung beeinflusst, und stellte fest, dass Lösungen höherer Molarität generell zu höheren Festigkeiten führten, insbesondere bei den höherklassigen Mischungen.

Grüner bauen zu geringeren Kosten

Neben der Leistungsbewertung verglich das Team die Materialkosten für Geopolymerbeton und konventionellen Zementbeton für die gleichen Festigkeitsklassen. Obwohl Geopolymermischungen alkalische Lösungen und geringfügig mehr Zuschlagstoffe benötigen, verwenden sie deutlich weniger Zement, der der teuerste und CO2-intensivste Bestandteil ist. Bei Optimierung mit 10 % RHA-Ersatz senkten die grünen Betonmischungen die Produktionskosten um etwa 13 %, 16 % bzw. 30 % für die Klassen M40, M50 und M60 im Vergleich zu herkömmlichem Zementbeton. Anders gesagt: Die umweltfreundlichere Option ist auch kostengünstiger, besonders bei Anwendungen mit höherer Festigkeit.

Was das für den Alltag im Bauwesen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Botschaft klar: Durch eine sorgfältige Mischung aus Stahlschlacken und Abfällen aus dem Reisanbau in Geopolymerbeton können Ingenieure Baustoffe herstellen, die fest, verhältnismäßig säurebeständig und deutlich wirtschaftlicher sind als konventioneller Zementbeton. Die Studie identifiziert einen praktischen "Sweet Spot" bei etwa 10 % Reisspelzenasche-Ersatz, wo Leistung und Dauerhaftigkeit maximiert und Kosten sowie Umweltbelastung minimiert werden. Wenn diese Vorgehensweise großflächig übernommen wird, könnten zwei bedeutende Abfallströme in wertvolle Baustoffressourcen verwandelt werden, was Städten beim Wachsen hilft und zugleich sowohl Verschmutzung als auch Baukosten senkt.

Zitation: Reddy, N.G., Karikatti, V.B., Pratap, B. et al. Strength and cost analysis of geopolymer concrete using rice husk ash and GGBS as sustainable cement alternatives. Sci Rep 16, 12922 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43705-3

Schlüsselwörter: Geopolymerbeton, Reisspelzenasche, HGBS, nachhaltiges Bauen, Zementalternativen