Leistungsbewertung von Superplastifizierern in einteiliger Geopolymermörtel

Sauberere Gebäude für einen sich erwärmenden Planeten

Beton ist das Rückgrat moderner Städte, aber der Zement, der ihn zusammenhält, verursacht erhebliche Klimakosten. Diese Studie untersucht eine neue Art pulverförmigen, kohlenstoffarmen „Wasser-zugeben“-Produkts, das in vielen Anwendungen herkömmlichen Zement ersetzen könnte. Durch die Anpassung der Rezeptur mit speziellen fließverbessernden Pulvern zeigen die Forschenden, dass sich ein umweltfreundlicherer Bindemitteltyp herstellen lässt, der auf der Baustelle leichter zu verarbeiten, ausreichend druckfest für tragende Bauteile und kostengünstiger als heutiger Standardzement ist.

Aus Fabrikabfall zu Bausteinen

Anstelle frisch gebrannten Kalksteins setzt das Team sein Bindemittel aus industriellen Reststoffen zusammen: gemahlenem Hochofenschlacken-Gebläsegranulat aus der Stahlproduktion sowie natürlich vorkommender Kieselgur (Diatomit) und Feldspat. Diese Pulver werden mit festen Natriumsalzen aktiviert, sodass sie bei Zugabe von Wasser ein hartes, steinähnliches Netzwerk – einen Geopolymer – bilden. Entscheidend ist, dass alle Zutaten werkseitig trocken vermischt werden. Vor Ort müssen die Arbeiter nur Wasser hinzufügen, ähnlich wie beim Anrühren einer herkömmlichen Trockenmörtelmischung. Dieser „einteilige“ Ansatz vermeidet den Umgang mit aggressiven Flüssigchemikalien, vereinfacht die Logistik und eignet sich besser für große oder abgelegene Projekte.

Eine zähe Mischung wie frischen Teig fließen lassen

Ein Hauptproblem bei Geopolymeren ist, dass sie oft zäh sind und sich nur schwer verarbeiten lassen. Zur Lösung testeten die Forschenden zwei pulverförmige Superplastifizierer – chemische Hilfsmittel, die üblicherweise verwendet werden, um Beton flüssiger zu machen, ohne zusätzliches Wasser zuzugeben. Einer basierte auf sulfoniertem Naphthalinformaldehyd (SNF), der andere war ein moderner Polycarboxylatether (PCE). Sie wurden dem trockenen Bindemittel in Dosierungen zwischen 0,5 % und 2,5 % des Pulvers beigemischt. Anschließend maßen sie, wie leicht der frische Mörtel auf einer Fließtafel verstreicht und wie lange das Erstarren dauert. Bereits mit 1 % SNF breitete sich die Mischung fast dreimal weiter aus als die Variante ohne Zusatzstoffe und erreichte eine Fließigkeit, die mit normalem Portlandzementmörtel vergleichbar ist, während die Abbindezeit nur leicht verlängert wurde.

Festigkeit und Zähigkeit, die mit gewöhnlichem Zement konkurrieren

Das Team goss kleine Würfel und Balken, um Druck-, Biege- und Spaltzugfestigkeiten nach 7 und 28 Tagen zu prüfen, und setzte zerstörungsfreie Methoden wie Ultraschallpulse und Rückprallhammer ein, um die innere Qualität zu beurteilen. Spitzenreiter war erneut die Mischung mit 1 % SNF: Ihre 28-Tage-Druckfestigkeit erreichte etwa 54 Megapascal, rund 15 % höher als derselbe Geopolymer ohne Zusatzstoffe und deutlich über der 43-Megapascal-Marke, die für eine gängige tragende Zementklasse typisch ist. Biege- und Zugfestigkeiten stiegen ebenfalls leicht an, und Ultraschallmessungen zeigten ein dichteres, gleichmäßigeres Inneres. Bei höheren SNF-Gehalten begann die Festigkeit zu sinken, was darauf hindeutet, dass jenseits einer optimalen Dosierung eine Überdispergierung zusätzliche Poren und Mikro­risse erzeugt. Im Gegensatz dazu verloren alle Mischungen mit PCE an Festigkeit – bis fast zur Hälfte bei der höchsten Dosierung – und zeigten geringere Ultraschallgeschwindigkeiten und Rückprallwerte, was auf eine schwächere, porösere Matrix hindeutet.

Warum ein Helfer wirkt und der andere versagt

Um die Chemie hinter diesen Leistungsunterschieden zu verstehen, untersuchten die Forschenden das Verhalten der Additive in der stark alkalischen Geopolymerumgebung. Messungen der Oberflächenladung (Zeta-Potenzial) und des Kohlenstoffgehalts in Lösung zeigten, dass SNF sich stark an die reaktiven Partikel anlagerte und dadurch eine gute Dispergierung förderte. Infrarotspektroskopie bestätigte, dass die wichtigsten funktionellen Gruppen des SNF in der ätzenden Mischung intakt blieben. Im Gegensatz dazu trug PCE eine stärkere negative Ladung, die ein Anlagern an die bereits negativ geladenen Partikel verhinderte, und seine molekulare Struktur brach teilweise in der alkalischen Lösung zusammen. Röntgendiffraktion und Elektronenmikroskopie untermauerten diese Befunde: Die SNF-modifizierten Mörtel bildeten ein kontinuierliches, gelreiches Netzwerk mit relativ wenigen Hohlräumen, während PCE-Mischungen fragmentierte Gele, unreaktive Körner und viele Poren zeigten.

Niedrigere Kosten und ein Weg zu grünerem Bauen

Da das optimierte einteilige Geopolymerbindemittel stark auf kostengünstige Nebenprodukte und moderate Mengen an chemischen Aktivatoren und SNF setzt, wurde sein Preis pro Kilogramm auf 16–25 % unter dem von Standard-Portlandzement geschätzt, während es dessen Festigkeit erreicht oder übertrifft. Gleichzeitig vermeidet es die energieintensiven Klinkeröfen, die den CO2-Fußabdruck von Zement antreiben. Die Studie zeigt, dass trockenmischbare Geopolymere mit dem richtigen pulverförmigen Zusatzstoff und sorgfältiger Dosierung stark, verarbeitbar und praktisch genug für reale Baustellen werden können – und so eine sauberere, erschwinglichere Art bieten, den Beton herzustellen, auf den unsere Infrastruktur angewiesen ist.

Zitation: Poojalakshmi, E.S., Nagarajan, P., Sudhakumar, J. et al. Performance evaluation of superplasticizers in one part geopolymer mortar. Sci Rep 16, 10892 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45408-1

Schlüsselwörter: Geopolymerzement, kohlenstoffarmer Beton, Superplastifizierer, Bauwerkstoffe, industrielle Nebenprodukte