Synergistic effects of recycled concrete aggregate and spherical nickel slag on abrasion resistance, acoustic attenuation, and environmental efficiency of porous concrete

Städte gestalten sich ständig neu, und mit jedem neuen Gebäude und jeder neuen Straße werden gewaltige Mengen an altem Beton abgerissen und entsorgt. Gleichzeitig produziert die Schwerindustrie Berge von Abfallmaterialien, wie etwa den Schlacke, der beim Schmelzen von Metallen übrig bleibt. Traditionell landen diese Materialien auf Deponien, nehmen Platz ein und bergen Umweltrisiken, während die Bauindustrie weiterhin frische Flusssteine und Kies ausgräbt, um neuen Beton herzustellen. Dieser Kreislauf ist nicht nachhaltig. Ingenieure suchen nun nach Wegen, diese Abfallströme in wertvolle Bausteine zu verwandeln und Materialien zu schaffen, die nicht nur Ressourcen sparen, sondern auch besser abschneiden als die traditionellen Optionen. Ein solches Material ist poröser Beton, eine spezielle Art von Pflaster, das wie ein Schwamm aussieht. Anstatt einer soliden, undurchlässigen Oberfläche ist er mit winzigen, miteinander verbundenen Löchern gefüllt, die es Regenwasser ermöglichen, direkt durchzusickern, was Überschwemmungen reduziert und das Grundwasser regeneriert. Aufgrund dieser Löcher wirkt er zudem als natürliche Schallbarriere, da er den Verkehrslärm aufsaugt, anstatt ihn zurück in die Luft zu reflektieren. Die Herstellung dieses Materials ist jedoch knifflig. Genau die Löcher, die ihn gut für Wasser und Schall machen, machen ihn auch schwach, was dazu führt, dass die Oberfläche unter dem Gewicht von Reifen zerbröckelt.

Forscher der Hasanuddin University in Indonesien machten sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem sie ein neues Rezept für porösen Beton testeten. Sie wollten sehen, ob sie zwei Arten von Abfallmaterialien mischen konnten, um einen Straßenbelag zu kreieren, der stabil genug ist, um zu halten, aber porös genug, um zu funktionieren. Das Team nahm zwei spezifische Abfallprodukte: recycelten Betonzuschlag, also alten Beton, der zu kleinen Steinen zerkleinert wurde, und sphärische Nickelschlacke, ein Nebenprodukt der Nickelverhüttung, das in Wasser schnell abgekühlt wurde, um glatte, runde Kugeln zu bilden. Sie erstellten sechs verschiedene Chargen von Beton. Einige verwendeten nur natürliche Flusssteine, einige nur recycelten Beton, einige nur die Nickelschlacke und der Rest verwendete verschiedene Kombinationen dieser Materialien. Um einen fairen Test zu gewährleisten, hielten sie die Menge an Zement und Wasser für jede Charge exakt gleich und änderten nur die Art der verwendeten Steine. Sie unterzogen diese Betonzylinder einer Reihe strenger Tests, um zu sehen, wie schwer sie waren, wie viele Löcher sie enthielten, wie gut sie dem Abrieb durch Reibung widerstanden und wie effektiv sie Schall absorbierten. Sie berechneten auch die Umweltkosten der Herstellung jeder Charge, indem sie die Kohlenstoffemissionen und den Energieaufwand von dem Moment an maßen, in dem die Rohstoffe gewonnen wurden, bis der Beton die Fabrik verließ.

Die Ergebnisse zeigten ein klares Bild darüber, wie die Form und Dichte der Steine den Beton veränderten. Wenn die Forscher die glatte, schwere Nickelschlacke verwendeten, wurde der Beton deutlich dichter und schwerer, verlor aber auch einen großen Teil seiner Porosität. Die runden Kugeln ließen sich so eng zusammenpacken, dass weniger Platz für den Wasserfluss blieb. Im Gegensatz dazu schuf die Mischung, die natürliche Steine mit dem rauen, kantigen recycelten Beton kombinierte, die poröseste Struktur mit dem höchsten Volumen an miteinander verbundenen Löchern. Diese hohe Porosität erwies sich als der Schlüssel zur akustischen Leistung. Die Mischung mit den meisten Löchern absorbierte den Schall besser als jede andere und erreichte ein Niveau, auf dem sie bei bestimmten Frequenzen fast die gesamte auftreffende Schallenergie erfassen konnte. Dies deutet darauf-hin, dass für die Reduzierung des Verkehrslärms eine offenere, luftigere Struktur überlegen ist. Diese Offenheit ging jedoch mit einem Kompromiss einher. Die poröseste Mischung war auch die schwächste, wenn es darum ging, dem Abrieb zu widerstehen. Wenn sie in einer Maschine platziert wurde, die die schleifende Wirkung von Reifen simulierte, verlor diese Mischung am meisten Masse und stieß Stücke von Stein und Mörtel ab.

Die überraschendste Erkenntnis kam von der Mischung, die den recycelten Beton mit der sphärischen Nickelschlacke kombinierte. Diese spezifische Mischung, die die Forscher als RS50 bezeichneten, erreichte das beste Gleichgewicht von allem. Sie war weder die poröseste noch die leichteste, erwies sich jedoch als die widerstandsfähigste. Wenn sie demselben Schleiftest unterzogen wurde, verlor sie am wenigsten Material und behielt ihre Form weitaus besser bei als die anderen Mischungen. Die glatten, harten Kugeln der Nickelschlacke schienen wie ein starkes Skelett zu wirken, das die rauen recycelten Steine an ihrem Platz hielt und verhinderte, dass sie herausgeschlagen wurden. Diese Kombination schuf eine Struktur, die robust genug war, um Verschleiß standzuhalten, während sie gleichzeitig genügend Porosität behielt, um funktional zu sein. Aus ökologischer Sicht senkte der Ersatz der natürlichen Flusssteine durch recycelten Beton und industrielle Schlacke den CO2-Fußabdruck und den Energieaufwand des Betons erheblich. Die recycelten Materialien erforderten weitaus weniger Energie für die Herstellung als das Bergbauwesen und das Brechen neuer Steine. Die Studie stellte jedoch auch fest, dass der zur Bindung verwendete Zement weiterhin die größte Quelle der Umweltauswirkungen blieb und den weitaus größten Teil der Kohlenstoffemissionen in jeder Charge ausmachte, unabhängig von den verwendeten Steinen.

Letztlich zeigte die Studie, dass es nicht die eine „perfekte“ Mischung für jeden Job gibt. Wenn das Ziel darin besteht, einen leisen Gehweg oder eine Lärmschutzwand zu bauen, bei der die Schallabsorption im Vordergrund steht, ist die Mischung mit dem meisten recycelten Beton und natürlichen Steinen die beste Wahl, da sie den effektivsten schallabsorbierenden Schwamm bildet. Aber wenn der Straßenbelag schweren Verkehr oder häufige Nutzung bewältigen muss, bei der die Haltbarkeit entscheidend ist, ist die Mischung aus recyceltem Beton und sphärischer Nickelschlacke die überlegene Option. Diese Kombination bietet die beste Umweltleistung, wenn die Haltbarkeit berücksichtigt wird, und beweist, dass Abfallmaterialien so konstruiert werden können, dass sie zusammenarbeiten. Durch die sorgfältige Auswahl und Mischung dieser industriellen Nebenprodukte können Ingenieure porösen Beton schaffen, der nicht nur freundlicher zur Erde ist, sondern auch stärker und effektiver als traditionelle Materialien. Die Forschung zeigt, dass der Weg zu einer nachhaltigen Infrastruktur nicht nur darin liegt, Abfall zu verwenden, sondern zu verstehen, wie verschiedene Abfallmaterialien interagieren, um ein Ganzes zu schaffen, das größer ist als die Summe seiner Teile.