Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

Technische Zusammenfassung: Bewertung der technischen Eigenschaften von Beton mit zerbrochenem Tongeschirr als teilweiser Ersatz für grobe Zuschlagstoffe

Problemstellung
Die Bauindustrie steht vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich der schnellen Erschöpfung natürlicher Ressourcen und der steigenden Kosten im Zusammenhang mit dem Abbau von Zuschlagstoffen. Beton, das nach Wasser weltweit am zweithäufigsten verbrauchte Material, ist stark auf Zuschlagstoffe angewiesen, die 75–80 % seines Volumens ausmachen. In Entwicklungsländern wie Ghana führt übermäßiger Steinbruch zu Umweltdegradierung und Ökosystemverschmutzung. Gleichzeitig erzeugen die Keramik- und Tongeschirrindustrien beträchtliche Abfälle; etwa 30 % der Rohstoffe in der Keramikproduktion und 2 % der Fertigprodukte werden als Ausschuss entsorgt. Dieser Abfall landet oft auf Deponien, wo er negativ mit dem Grundwasser interagieren kann. Die Studie adressiert die doppelte Notwendigkeit, Baukosten zu senken und die Umweltauswirkungen zu mildern, indem sie die Lebensfähigkeit der Verwendung von zerbrochenen Tonschalen als teilweisen Ersatz für traditionelle grobe Zuschlagstoffe (Granitbruch) in der Betonproduktion untersucht.

Methodik
Die Forschung verwendete einen experimentellen Ansatz, um die mechanischen, physikalischen und Dauerhaftigkeitseigenschaften des Betons zu bewerten.

• Materialien: Die Studie verwendete Ordinary Portland Cement (GHACEM Super Strong 42.5R), Gritsand, Granitbruch und zerbrochene Tonschalen. Das Wasser entsprach den BS EN 1008:2002 Standards.
• Mischungsdesign: Eine Zielfestigkeit von 25 N/mm² wurde unter Verwendung eines Mischungsverhältnisses von 1:2:4 mit einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,55 festgelegt.
• Probenpräparation: Betonproben wurden in Stahlwürfeln (100 mm³) und Zylindern (100 mm Durchmesser × 200 mm Höhe) gegossen. Der Granitbruch wurde durch das Gewicht der zerbrochenen Tonschalen zu 0 % (Kontrolle), 10 %, 20 %, 30 % und 40 % teilweise ersetzt.
• Aushärtung und Prüfung: Die Proben wurden für 7, 14, 21 und 28 Tage ausgehärtet. Die Tests umfassten:
  • Dichte: Gemessen nach BS EN 12390-7:2019.
  • Druckfestigkeit: Getestet mittels einer Universalprüfmaschine (UTM) nach BS EN 12390-3:2019.
  • Spaltzugfestigkeit: Durchgeführt nach BS EN 12390-6:2009.
  • Wasseraufnahme: Bestimmt nach 28 Tagen gemäß BS EN 1881-122:2011.
  • Magnesiumsulfat (MgSO₄)-Angriff: Die Proben wurden 28 Tage lang in einer MgSO₄-Lösung ausgehärtet und anschließend nach BS EN 206-1:2000 auf Druckfestigkeit getestet.
• Datenanalyse: Die Ergebnisse wurden mit Microsoft Excel und der einfaktoriellen Varianzanalyse (One-Way ANOVA) analysiert, um die statistische Signifikanz (P < 0,05) zu bestimmen.

Wichtigste Ergebnisse

• Dichte: Die Dichte nahm ab, wenn der Prozentsatz des Ersatzes durch Tongeschirr stieg. Die Kontrollprobe (0 %) erreichte die höchste Dichte (2486,67 kg/m³ nach 28 Tagen), während der 40 %-Ersatz die niedrigste verzeichnete (2276,67 kg/m³). Der 10 %-Ersatz ergab eine Dichte von 2432,00 kg/m³, was 2,2 % niedriger als die Kontrolle ist, aber im Bereich für Normalgewichtbeton (1842–2483 kg/m³ gemäß ASTM C138) liegt.
• Druckfestigkeit: Die Festigkeit stieg mit dem Aushärtungsalter, nahm jedoch mit höheren Ersatzprozenten ab. Nach 28 Tagen verzeichnete die Kontrolle 27,13 N/mm². Der 10 %-Ersatz verzeichnete 26,39 N/mm² (2,7 % niedriger als die Kontrolle), während der 40 %-Ersatz 24,76 N/mm² erreichte. Trotz der Reduktion erfüllten alle Proben außer dem 40 %-Ersatz die Zielfestigkeit von 25 N/mm² und lagen alle innerhalb des akzeptablen Standards für tragende Mauerwerkseinheiten (Minimum 13,8 MPa gemäß ASTM C90-22).
• Spaltzugfestigkeit: Die Trends spiegelten die Druckfestigkeit wider und nahmen mit steigenden Ersatzprozenten ab. Nach 28 Tagen reichten die Werte von 2,769 N/mm² (Kontrolle) bis zu 2,487 N/mm² (40 %-Ersatz). Die Spaltzugfestigkeit blieb zwischen 8 % und 15 % der Druckfestigkeit, was konsistent mit dem Standardverhalten von Beton ist.
• Wasseraufnahme: Die Wasseraufnahme stieg mit höheren Ersatzprozenten an. Die Kontrolle zeigte eine Aufnahme von 2,44 %, während der 10 %-Ersatz 2,52 % aufwies (3,2 % höher als die Kontrolle). Der 40 %-Ersatz erreichte 3,19 %. Alle Werte blieben unter dem Schwellenwert von 5 %, der oft für hochwertigen Beton zitiert wird, und im optimalen Bereich von 4–6 %.
• Magnesiumsulfat-Angriff: Die Einwirkung von MgSO₄ verursachte Festigkeitsverluste bei allen Proben. Interessanterweise zeigte der 40 %-Ersatz den höchsten Widerstand mit nur einem Festigkeitsverlust von 0,3 %, verglichen mit 2,5 % bei der Kontrolle. Der 10 %-Ersatz wies einen Verlust von 1,6 % auf.

Schlussfolgerungen und Bedeutung
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass zerbrochene Tongescherr-Zuschlagstoffe ein lebensfähiger teilweiser Ersatz für grobe Zuschlagstoffe in Beton sind.

• Einhaltung von Standards: Der mit bis zu 40 % Ersatz hergestellte Beton erfüllt die technischen Standards bezüglich Dichte, Festigkeit und Wasseraufnahme gemäß BS EN 12390:2019 und BS 1881-122:2011.
• Empfohlene Anwendungen: Die Autoren empfehlen einen 10 %-Ersatz für Standardbetonarbeiten, da dieser ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Dauerhaftigkeit mit minimaler Abweichung von den Kontrolleigenschaften bietet. Ein 40 %-Ersatz wird speziell für Umgebungen mit hoher Magnesiumsulfat-Exposition empfohlen, da die 40 %-Mischung eine überlegene Beständigkeit gegen chemische Angriffe zeigte.
• Ökonomische und ökologische Auswirkungen: Die Verwendung von zerbrochenem Tongeschirr reduziert die Baukosten durch die Substitution teurer natürlicher Zuschlagstoffe durch kostengünstige Industrieabfälle. Darüber hinaus fördert es die ökologische Nachhaltigkeit, indem Keramikabfälle von Deponien ferngehalten und der ökologische Fußabdruck durch den Abbau von Zuschlagstoffen reduziert wird.

Die Forschung bestätigt, dass die Wiederverwendung von Keramikabfällen sowohl die Kosteneffizienz als auch die ökologische Nachhaltigkeit in der Bauindustrie verbessert, ohne die für tragende Anwendungen erforderliche strukturelle Integrität zu gefährden.