Eine vergleichende Analyse der Auswirkungen grüner Kombinationsaktivatoren auf die Haltbarkeit und mechanische Leistung von schlackenbasiertem Geopolymerzement

Stärkerer, umweltfreundlicherer Beton

Zement ist allgegenwärtig: in unseren Häusern, Brücken und Gehwegen. Die Herstellung von herkömmlichem Portlandzement setzt jedoch große Mengen Kohlendioxid frei und trägt so zum Klimawandel bei. Diese Studie untersucht ein vielversprechendes alternatives Bindemittel – sogenannten schlackenbasierten Geopolymerzement –, das Industrieabfälle wiederverwenden und Emissionen reduzieren kann. Die Forschenden stellen eine praktische Frage für künftige Gebäude und Infrastruktur: Können wir einige der aggressiven, ätzenden Chemikalien, die normalerweise zur Herstellung dieser Bindemittel verwendet werden, durch schonendere, günstigere "grüne" Pulver ersetzen, ohne Festigkeit und Haltbarkeit zu opfern?

Von Stahlabfall zum Bindemittel der nächsten Generation

Der hier untersuchte Zement wird aus gemahlener Granulatschlacke aus Hochöfen hergestellt, einem feinen Pulver, das bei der Stahlproduktion anfällt. Wenn diese Schlacke mit speziellen alkalischen Pulvern und Wasser gemischt wird, härtet sie zu einem Feststoff aus, der Beton ähnelt, dabei aber deutlich geringere Klimaauswirkungen hat. Das Team verglich drei Arten von Aktivatoren: eine Standarddosis Natriumsilikat (eine starke, aber korrosive Chemikalie), Mischungen aus Natriumsilikat und Calciumcarbonat (dem Hauptbestandteil von Kalkstein) sowie Mischungen aus Natriumsilikat und Natriumcarbonat (gewöhnliches Soda). Alle Zutaten wurden in Trockenform verwendet, sodass die Anwender wie bei normalem Zement nur vor Ort Wasser hinzufügen müssten.

Die richtige chemische Rezeptur finden

Die Wissenschaftler maßen, wie schnell jede Mischung abbindet, wie stark sie mit der Zeit wird und wie leicht Wasser in sie eindringen kann. Der Ersatz eines Teils des Natriumsilikats durch Calciumcarbonat verlangsamte das Erhärten und führte zu einem erheblichen Festigkeitsverlust – bis zu 70 % weniger nach 90 Tagen bei Mischungen mit dem höchsten Calciumcarbonatanteil. Das Material wurde außerdem poröser, mit höherer Wasseraufnahme und geringerer Rohdichte, ein Hinweis auf eine schwächere innere Struktur. Im Gegensatz dazu verbesserte der Ersatz eines kleinen Anteils Natriumsilikat durch Natriumcarbonat die Leistung tatsächlich. Eine Mischung mit 7 % Natriumsilikat und 3 % Natriumcarbonat entwickelte 10–12 % höhere Druckfestigkeit als die reine Natriumsilikat-Kontrollmischung über 3 bis 90 Tage hinweg, bei gleichzeitig geringerer Porosität und höherer Dichte.

Beständig gegen Salze und Feuer

Haltbarkeit unter rauen Bedingungen ist entscheidend, wenn solche Bindemittel herkömmlichen Zement ersetzen sollen. Das Team setzte Proben bis zu sechs Monate lang einer Magnesiumsulfat-Lösung aus – einer aggressiven Umgebung, die Beton in Böden und Grundwasser oft schädigt. Mischungen mit hohem Calciumcarbonatanteil verschlechterten sich stark, wobei die Festigkeit auf bis zu 3,1 MPa sank, was auf schwere innere Risse und den Verlust von Bindegel hinweist. Dagegen hielten die natriumcarbonathaltigen Mischungen einen Großteil ihrer Festigkeit und lagen nach derselben Exposition im Bereich von 34–40 MPa. Die Forschenden erhitzten Proben außerdem auf 300, 600 und 800 °C, um intensive Hitze und Brand zu simulieren. Auch hier zeichnete sich die Natriumcarbonat-Mischung mit 7 % Natriumsilikat und 3 % Natriumcarbonat aus: Sie behielt etwa 70 %, 51 % bzw. 39 % ihrer ursprünglichen 28-Tage-Festigkeit bei diesen Temperaturen – deutlich besser als die Calciumcarbonat-Mischungen, die Festigkeitsverluste von 32–84 % erlitten.

Ein Blick ins Material

Um zu verstehen, warum einige Mischungen besser abschnitten, untersuchten die Forschenden ihre innere Struktur mit Röntgendiffraktion, Infrarotspektroskopie und Elektronenmikroskopie. Diese Methoden zeigten, dass Mischungen mit Natriumcarbonat dichtere, kontinuierlichere Bindegel bildeten, die Schlackenpartikel zu einem kompakten Netzwerk mit weniger Rissen und Poren zusammenfügten. Die Chemie begünstigte starke Aluminosilikat- und Calcium‑Aluminosilikat-Gele, die Hitze und sulfatreiche Wässer widerstehen. Im Gegensatz dazu wiesen Mischungen mit hohem Calciumcarbonatanteil mehr unverbrauchtes Pulver und calciumreiche Phasen auf, die leicht von Sulfaten angegriffen und bei hohen Temperaturen destabilisiert wurden, was eine schwächere, stärker zerstückelte Mikrostruktur hinterließ.

Was das für den Bau der Zukunft bedeutet

Insgesamt zeigt die Studie, dass Natriumcarbonat ein technisch solides, sichereres und wirtschaftlicheres partielles Ersatzmittel für Natriumsilikat in schlackenbasiertem Geopolymerzement ist. Eine sorgfältig austarierte Mischung – insbesondere die mit 7 % Natriumsilikat und 3 % Natriumcarbonat – liefert starke, dichte und haltbarere Bindemittel, die sowohl Sulfatangriff als auch hoher Hitze besser standhalten als herkömmliche Systeme mit reinem Natriumsilikat und deutlich besser als solche mit Calciumcarbonat. Für Laien lautet die Quintessenz einfach: Durch eine Anpassung des Pulverrezepts mit einer weit verbreiteten, relativ milden Chemikalie (Soda) können wir Stahlabfall in einen grüneren Zement verwandeln, der nicht nur schonender für Arbeiter und Umwelt ist, sondern auch robust genug für langlebige Gebäude und Infrastrukturen.

Zitation: Hashem, F.S., Fadel, O., Hassan, H.S. et al. A comparative analysis of the effects of green blended activators on the durability and mechanical performance of slag-based geopolymer cement. Sci Rep 16, 12752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44669-0

Schlüsselwörter: grüner Zement, Geopolymer, Schlackenbindemittel, Natriumkarbonat-Aktivator, dauerhafter Beton