Ein Polymer aus Calciumaluminat und Wasserglas als Zementersatz

Mit weniger Kohlenstoff bauen

Beton ist allgegenwärtig: in unseren Wohnungen, auf Brücken und in den Skylines der Städte. Die Herstellung des Zements, der den Beton zusammenhält, setzt jedoch große Mengen Kohlendioxid frei und trägt mit rund 8 % zu den globalen CO2‑Emissionen bei. Diese Studie stellt eine neue Art mineralischer „Klebstoff“ für Beton vor, der die Klimabelastung deutlich verringern könnte und trotzdem für Bauhandwerker leicht anwendbar bleibt.

Eine neue Art Stein‑Kleber

Die Autorinnen und Autoren untersuchen ein Bindemittel aus zwei Hauptbestandteilen: Calciumaluminatzement, einem spezialisierten Zement mit hohem Aluminiumanteil, und „Wasserglas“, der flüssigen Form von Natriumsilikat. Unter stark basischen (alkalischen) Bedingungen reagieren diese beiden Komponenten zu einem kohlenstofffreien, gesteinsartigen Polymer, das nur aus Silizium, Aluminium, Sauerstoff und Metallionen wie Natrium und Calcium besteht. Anders als beim heute üblichen Portlandzement benötigt dieses Bindemittel keine kohlenstoffreiche Kalksteinquelle als Hauptcalciumlieferant und umgeht so einen großen Teil des bei der traditionellen Zementproduktion entstehenden CO2. Die Mischung ist eine gießbare Suspension, die mit denselben Werkzeugen und Verfahren wie gewöhnlicher Beton verarbeitet werden kann.

Wie das mineralische Netzwerk entsteht

Um die Reaktion zu verstehen und zu optimieren, verwendeten die Forschenden Infrarotspektroskopie und Kernspinresonanz (NMR), Methoden, die zeigen, wie Atome in Feststoffen gebunden sind. Sie zeigten, dass nur Aluminiumatome in tetraedrischer Koordination in Calciumaluminaten an der Reaktion teilnehmen; oktaedrisches Aluminium, wie es in bestimmten Aluminiumoxiden vorkommt, bleibt bei Raumtemperatur inert. Mit fortschreitender Reaktion verschieben sich Bindungen von Silizium‑Sauerstoff‑Silizium‑Verknüpfungen hin zu gemischten Silizium‑Sauerstoff‑Aluminium‑Bindungen, wodurch lange –O–Si–O–Al–O–‑Ketten und Netzwerke aufgebaut werden. Die Daten deuten darauf hin, dass die stabilste und effizienteste Struktur entsteht, wenn die Anzahl reaktiver Silizium‑ und reaktiver Aluminium‑Bausteine ungefähr gleich ist — ein eins‑zu‑eins‑Verhältnis, das mit Vorhersagen aus früheren Arbeiten zu natürlichen Mineralen und antiken Bindemitteln übereinstimmt.

Den optimalen Mischpunkt finden

Die Praxis im Bauwesen verlangt ein Material, das ausreichend schnell erhärtet und zugleich hohe Festigkeit erreicht. Das Team variierte Menge und Typ des Calciumaluminatzements sowie die Menge an zugefügtem Natriumhydroxid zur „Aktivierung“ des Wasserglases. Durch Gießen von Prüfwürfeln und Messen der Druckfestigkeit fanden sie einen optimalen Bereich für die Zugabe von Calciumaluminat, in dem die Festigkeit steil ansteigt und anschließend abflacht — darüber hinaus steigert zusätzliches Zement nur die Kosten, nicht die Leistung. Ebenso kartierten sie, wie die Abbindezeit von der Menge an Natrium im Verhältnis zu Silizium in der Flüssigkeit abhängt. Unterhalb eines bestimmten Natriumspiegels tritt keine Erhärtung ein; bei einem etwa eins‑zu‑eins Verhältnis von Natrium zu Silizium härtet das Material innerhalb weniger Stunden aus, ein praktisch brauchbares Zeitfenster für Bauarbeiten.

Von Wüstensand zu langlebigen Ziegeln

Da die Frischmischung fließfähig und wenig viskos ist, kann sie eine breite Palette an Füllstoffen und Zuschlägen binden. Die Autorinnen und Autoren zeigen, dass Dünen‑Sand, Kies, Steine, expandierte Minerale wie Perlit und Vermiculit und sogar organische Materialien wie Holzspäne und Biokohle in feste Verbundstoffe eingebunden werden können. Ziegel aus ungespültem Dünen‑Sand und Kies erreichten Druckfestigkeiten über 40 Megapascal, vergleichbar mit konstruktivem Beton, über einen weiten Temperaturbereich von 4 °C bis 65 °C. Bemerkenswert ist, dass Mischungen, die bei –21 °C eingefroren gelagert wurden, nach dem Auftauen weiterhin verarbeitbar waren und anschließend ordnungsgemäß erhärteten, was Flexibilität für den Einsatz in kalten Klimazonen bietet. Mit Biokohle hergestellte, leichte Blöcke können sogar mehr Kohlenstoff speichern, als bei ihrer Herstellung freigesetzt wird.

Die CO2‑Bilanz von Beton senken

Die Studie schätzt auch den Klimaeffekt eines Umstiegs vom herkömmlichen Portlandzement auf dieses neue Bindemittelsystem. Typischer konstruktiver Beton verursacht allein durch die unvermeidliche Zersetzung von Kalkstein im Ofen etwa 140 Kilogramm CO2 pro Kubikmeter, noch bevor der Brennstoffverbrauch berücksichtigt wird. Im Gegensatz dazu stammen die Emissionen des neuen Systems hauptsächlich aus der Freisetzung von CO2 bei der Erzeugung von Calciumaluminaten und aus Natriumhydroxid, das aus Natriumcarbonat gewonnen wird. Bei optimierten Mischungen mit hohem Zuschlagstoffanteil können die Gesamtemissionen gegenüber Portlandzementbeton um etwa zwei Drittel reduziert werden. Kombiniert mit der Möglichkeit, Rohstoffproduktion und Mischprozesse mit Solarstrom zu betreiben, argumentieren die Autorinnen und Autoren, dass die zementbedingten globalen Emissionen vom gegenwärtigen Anteil von etwa 8 % auf unter 2 % der weltweiten Emissionen sinken könnten.

Ein vertrauter Prozess mit saubereren Ergebnissen

Für Bauleute ist eine der wichtigsten Erkenntnisse, dass dieser polymerbasierte Beton sich wie konventioneller Beton verhält: Er wird aus einer flüssigen Komponente und festen Pulvern gemischt, gegossen und über ungefähr zehn Tage bei Feuchthaltung ausgehärtet. Vorhandene Mischer, Pumpen und Formen können weiterverwendet werden, und Arbeiterinnen und Arbeiter benötigen keine spezielle Umschulung. Im Kern ähnelt die Chemie den langlebigen mineralischen Netzwerken, die bereits in antikem römischem Beton vorkommen, allerdings mit klar definierten, weit verfügbaren Rohstoffen. Würde dieses Calciumaluminat‑/Wasserglas‑Bindemittel in großem Maßstab eingesetzt, könnte die Bauindustrie moderne Baupraktiken beibehalten und gleichzeitig die Klimawirkung eines der wichtigsten Materialien der Welt deutlich reduzieren.

Zitation: Spangenberg, B., Epping, J.D. A polymer of calcium aluminate and water glass as cement substitute. Sci Rep 16, 14042 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50294-8

Schlüsselwörter: klimaarmer Beton, Alternativen zu Zement, Geopolymerbindemittel, Calciumaluminatzement, Wasserglas