Mechanical Strength Assessment of Eco-Friendly Bricks Produced Using Waste Marble Dust and Crushed Stone Dust as Partial Cement Replacements

Technische Zusammenfassung: Bewertung der mechanischen Festigkeit von umweltfreundlichen Ziegeln unter Verwendung von Marmormehl und Gesteinsstaub als Abfallprodukten

Problemstellung
Die Bauindustrie steht vor einer doppelten Herausforderung: der Entstehung massiver Mengen an Industrieabfällen, insbesondere Marmormehl (MD) und Gesteinsstaub (CSD), sowie dem hohen ökologischen Fußabdruck der Zementproduktion. Die Marmorverarbeitung in Indien erzeugt jährlich etwa 12 Millionen Tonnen Abfall, was erhebliche Risiken für die Boden- und Wasserverunreinigung birgt. Gleichzeitig trägt die Zementherstellung etwa 5 % der weltweiten anthropogenen CO₂-Emissionen bei. Während frühere Studien die Einzelverwendung von MD oder CSD als teilweisen Zementersatz untersucht haben, bleibt der synergistische Effekt der Kombination dieser beiden Abfallmaterialien in der Ziegelherstellung eine signifikante Forschungslücke. Diese Studie adresset die Notwendigkeit, diese lokal verfügbaren Abfallmaterialien zu nutzen, um den Zementverbrauch zu senken, Umweltgefahren zu mindern und nachhaltige Baumaterialien ohne Einbußen bei der mechanischen Leistung herzustellen.

Methodik
Die Forschung verwendete ein experimentelles Design, um die Eignung von MD und CSD als teilweisen Ersatz für puzzolanischen Portlandzement (PPC) in der Ziegelproduktion zu bewerten.

• Materialien: Die Studie verwendete PPC (35 % Flugasche), natürlichen Sand (Zone I), Marmormehl und Gesteinsstaub.
• Mischungsdesign: Die Ziegel wurden in einem Verhältnis von 1:4 (Zement:Sand) mit einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,45 gegossen. Die Kontrollmischung (M0) enthielt 100 % Zement. In den experimentellen Mischungen wurde der Zement durch gleiche Anteile von MD und CSD auf drei Stufen ersetzt:
  • M10: 10 % MD + 10 % CSD (insgesamt 20 % Ersatz).
  • M20: 20 % MD + 20 % CSD (insgesamt 40 % Ersatz).
  • M30: 30 % MD + 30 % CSD (insgesamt 60 % Ersatz).
• Probenpräparation: Die Ziegel mit den Maßen 230 mm x 90 mm x 80 mm wurden in Holzformen gegossen, mittels eines Tischvibrators verdichtet und über 7, 14 und 28 Tage in Wasser ausgehärtet.
• Testprotokolle: Die Studie führte Siebanalysen, Bestimmungen der spezifischen Dichte, Siltgehaltsprüfungen, Wasseraufnahmtests und Dichtemessungen durch. Die Druckfestigkeit wurde mit einer Druckprüfmaschine (CTM) nach 7, 14 und 28 Tagen ermittelt.
• Statistische Analyse: Die Daten wurden mittels deskriptiver Statistik (Mittelwert, Standardabweichung, Variationskoeffizient) und einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) analysiert, um die Signifikanz von Aushärtungsalter und Ersatzniveau auf die Festigkeit zu bestimmen (p < 0,05).

Hauptergebnisse

• Druckfestigkeit: Die Kontrollmischung (M0) erreichte die höchste 28-Tage-Druckfestigkeit von 24,56 MPa. Die M10-Mischung (20 % Gesamtersatz) verzeichnete 20,62 MPa, was eine praktikable Alternative darstellt. Höhere Ersatzgrade führten jedoch zu einer signifikanten Festigkeitsminderung: M20 (40 % Ersatz) sank auf 8,61 MPa und M30 (60 % Ersatz) fiel auf 6,37 MPa.
• Statistische Signifikanz: Die ANOVA bestätigte, dass sowohl das Aushärtungsalter als auch das Ersatzniveau einen statistisch signifikanten Effekt auf die Druckfestigkeit hatten (p < 0,001). Die Festigkeitsentwicklung über die Zeit (7 bis 28 Tage) war für alle Mischungen signifikant.
• Wasseraufnahme: Es wurde eine inverse Beziehung zwischen Festigkeit und Wasseraufnahme beobachtet. Mit steigendem Ersatzgrad nahm die Wasseraufnahme von 5,66 % (M0) auf 9,81 % (M30) zu, was auf eine erhöhte Porosität und eine reduzierte Bindung bei höheren Ersatzraten hindeutet.
• Dichte: Die Dichte der Ziegel nahm mit zunehmendem Ersatz schrittweise ab, von 2698,87 kg/m³ (M0) bis zu 2491,14 kg/m³ (M30). Die M10-Mischung behielt eine Dichte bei, die mit Standardbaumaterialien konsistent ist.
• Materialeigenschaften: Marmormehl wies eine spezifische Dichte von 2,63 auf und Gesteinsstaub 2,57, beide niedriger als Zement (3,1), was zur beobachteten Reduktion der Dichte beitrug.

Wesentliche Beiträge und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass der teilweise Ersatz von Zement durch eine Kombination aus Marmormehl und Gesteinsstaub eine tragfähige Strategie für nachhaltiges Bauen ist, sofern das Ersatzniveau optimiert wird.

• Optimales Ersatzniveau: Die Studie identifiziert das 20 %-Gesamtersatzniveau (10 % MD + 10 % CSD) als den optimalen Kandidaten. Diese Mischung erreichte eine durchschnittliche Druckfestigkeit von 20,62 MPa, was den Autoren zufolge ausreicht, um bei spezifischen Bauanwendungen mit der Kontrollmischung zu konkurrieren, während gleichzeitig ökologische Vorteile geboten werden.
• Synergistische Nutzung: Die Forschung hebt das Potenzial hervor, zwei unterschiedliche industrielle Abfallströme gleichzeitig zu nutzen, womit eine Lücke in der Literatur bezüglich der kombinierten Abfallverwertung geschlossen wird.
• Umweltbezogene und wirtschaftliche Auswirkungen: Durch den Ersatz von Zement beansprucht die Studie eine Reduzierung der CO₂-Emissionen und des Energieverbrauchs im Zusammenhang mit der Zementherstellung. Darüber hinaus reduziert die Nutzung lokal bezogener Abfälle die Transportkosten und Entsorgungsverpflichtungen der Marmor- und Gesteinsverarbeitungsindustrie.

Bedeutung
Die Autoren positionieren diese Arbeit als einen Beitrag zu den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) 9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur) und 11 (Nachhaltige Städte und Gemeinden). Die Studie zeigt, dass industrielle Nebenprodukte zu funktionalen Baumaterialien entwickelt werden können, wodurch der CO₂-Fußabdruck der gebauten Umwelt verringert und feste Abfälle verwaltet werden können. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass, obwohl ein übermäßiger Ersatz die Dauerhaftigkeit und Festigkeit beeinträchtigt, ein kontrollierter, niedriger Ersatz (speziell der 20 %-Gesamtersatz) einen ausgewogenen Ansatz darstellt, um Kosteneinsparungen, ökologische Nachhaltigkeit und akzeptable mechanische Leistung zu erreichen. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Langzeitleistung und die Standardisierung der Eigenschaften der Abfallmaterialien konzentrieren.