Untersuchung karbonatbedingter mikrostruktureller Veränderungen in niedrigzementigem Beton unter Verwendung nachhaltiger Bindemittel: Hüttensand (GGBS) und Calciumcarbonat

Stärkerer Beton mit kleinerer CO2-Bilanz

Beton trägt fast unbeachtet nahezu jedes moderne Gebäude, jede Straße und Brücke, doch die Herstellung seines zentralen Bestandteils, des Zements, setzt große Mengen Kohlendioxid frei. Diese Studie untersucht, wie ein weit verbreitetes Mineral, Calciumcarbonat, zusammen mit einem Industriebeiprodukt, dem fein gemahlenen Hochofenschlackenmehl (GGBS), einen erheblichen Teil des Zements ersetzen kann und dabei dennoch starken, langlebigen Beton liefert. Die Arbeit zeigt, wie einfache, pulverartige Veränderungen in der Mischung Emissionen reduzieren und sogar die Leistungsfähigkeit verbessern können.

Warum man die Zusammensetzung von Beton neu bedenken sollte

Die Zementproduktion ist für einen bedeutenden Anteil der menschengemachten CO2-Emissionen verantwortlich, da dabei Kalkstein auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden muss. Gleichzeitig wächst der weltweite Bedarf an Beton kontinuierlich. Die Forscher wollten prüfen, ob sich ein großer Teil des Zements durch nachhaltigere Materialien ersetzen lässt, ohne Festigkeit oder Dauerhaftigkeit zu opfern. Sie konzentrierten sich auf zwei Zutaten: Schlacke aus der Stahlproduktion, die bereits als geeigneter Zusatzstoff bekannt ist, und fein gemahlenes Calciumcarbonat, ein weit verbreitetes Mineral, das oft als Füllstoff in anderen Produkten eingesetzt wird.

Herstellung und Prüfung der neuen Betonmischungen

Das Team entwarf Beton, bei dem nur die Hälfte des Bindemittels aus gewöhnlichem Zement bestand, während die andere Hälfte aus Schlacke bestand. Von dieser Schlacke wurde dann ein Teil durch Calciumcarbonat im Bereich von 5 bis 20 Prozent ersetzt, wobei der Wassergehalt konstant gehalten wurde. Zur Untersuchung von Fließverhalten und frühem Verhalten wurden außerdem einfachere Mörtelmischungen hergestellt. Frische Mischungen wurden in Standard-Slump- und Fließtests auf Verarbeitbarkeit geprüft. Ausgehärtete Proben wurden über drei Monate auf Druckfestigkeit, Spalt- und Biegezugfestigkeit sowie Karbonatisierungstiefe getestet, die mit dem Schutz des in Beton eingebetteten Stahls zusammenhängt. Zerstörungsfreie Methoden wie Ultraschall-Pulsgeschwindigkeit und Rückprallhammertests bewerteten die innere Qualität und Oberflächenhärte, und mikroskopische sowie elektrische Untersuchungen zeigten, was sich in den Poren des Materials abspielte.

Was sich in der mikroskopischen Struktur abspielt

Mikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die winzigen Calciumcarbonatpartikel sich in die Zwischenräume zwischen Zement- und Schlackekörnern einlagern und wie mikroskopische Steine wirken, die das Gefüge dichter packen. Diese dichtere Packung reduziert Hohlräume und erschwert Wasser und Gas das Eindringen in den Beton. Unter kontrollierter CO2-Belastung wandeln sich einige Reaktionsprodukte im Beton allmählich in zusätzliche Calciumcarbonatkristalle um. Diese neuen Kristalle tragen zur Abdichtung von Poren und Haarrissen bei und verdichten das Material weiter. Elektrische Impedanzmessungen, die verfolgen, wie leicht Ionen durch den Beton wandern, bestätigten, dass Mischungen mit Calciumcarbonat im Laufe der Zeit ein feineres, weniger verbundenes Porennetz entwickelten.

Wie Festigkeit und Dauerhaftigkeit verbessert wurden

Die Ergebnisse zeigten einen klaren optimalen Bereich. Bei einem Ersatz von 15 Prozent der Schlacke durch Calciumcarbonat erreichte der Beton die beste Gesamtleistung. Nach 90 Tagen erzielte diese Mischung eine Druckfestigkeit von über 70 Megapascal sowie höhere Widerstände gegen Spalt- und Biegebeanspruchung als die Standardmischung ohne Calciumcarbonat. Sie zeigte außerdem geringere Karbonatisierungstiefe, höhere Pulsgeschwindigkeit und größere Rückprallwerte — alles Anzeichen einer dichteren, besser verbundenen inneren Struktur. Bei höheren Ersatzanteilen nahm die Verarbeitbarkeit ab und sehr feine Partikel begannen zu verklumpen, wodurch die Festigkeit leicht abnahm und die Vorteile der dichteren Packung teilweise aufgehoben wurden.

Was das für künftiges Bauen bedeutet

Für Laien lautet die Botschaft: Eine moderate Zugabe von fein gemahlenem Calciumcarbonat in Kombination mit Schlacke kann Beton sowohl grüner als auch robuster machen. Durch den teilweisen Ersatz von Zement durch diese Materialien können Bauherren die CO2-Belastung des Bauens reduzieren und gleichzeitig stärkere, langlebigere Bauwerke erzielen. Die Studie legt nahe, dass rund 15 Prozent Calciumcarbonat in diesem niedrigzementigen Rezept ein praktisches Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit bieten — ein Weg zu alltäglichem Beton, der die Umwelt schont, ohne an Leistung einzubüßen.

Zitation: Kumar, B.N., Neelamegam, P., Sai, A.P.D. et al. Investigation of carbonation-induced microstructural changes in low-cement concrete using sustainable binders: GGBS and calcium carbonate. Sci Rep 16, 14847 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45725-5

Schlüsselwörter: kohlenstoffarmer Beton, Calciumcarbonat, GGBS, Mikrostruktur, Karbonatisierung