Melbourne, Australien (abki) – Ein Forschungsteam der RMIT University hat ein Verfahren entwickelt, bei dem minderwertiger Ton als leistungsfähiger Zementersatzstoff eingesetzt werden kann – und damit einen potenziellen neuen Anwendungsbereich für nachhaltige Baustoffe erschlossen.
Die weltweite Zementproduktion – ein Hauptbestandteil von Beton – verursacht rund 8 % der globalen CO₂-Emissionen. Durch den teilweisen Ersatz von Zement durch Ton lässt sich die Umweltbelastung deutlich senken. Der dafür besonders geeignete, hochreine Kaolinit-Ton ist jedoch stark nachgefragt, unter anderem in der Keramik-, Farben-, Kosmetik- und Papierindustrie.
Die Forschenden der RMIT University zeigen nun, dass sich der kostengünstigere und weltweit reichlich verfügbare Illit-Ton in Kombination mit niedrigwertigem Kaolinit-Ton effizient zur Herstellung von hochleistungsfähigem Beton nutzen lässt.
Neuer technologischer Ansatz für CO₂-reduzierte Baustoffe
Die im Fachjournal Construction and Building Materials veröffentlichte Studie beschreibt ein neues Verfahren, bei dem Illit- und Kaolinit-Ton im Verhältnis 1:1 gemischt und bei 600 °C gemeinsam kalziniert werden.
Die gemeinsame thermische Aktivierung – im Gegensatz zur separaten Verarbeitung – führte zu mehreren Verbesserungen der Materialeigenschaften. Projektleiter Dr. Chamila Gunasekara betont, dass Illit-Ton allein nur eine geringe Bindungsfähigkeit gegenüber Zement und Wasser aufweist. Die sogenannte Co-Kalzinierung erhöhe jedoch signifikant die pozzolanische Reaktivität des Illit-Tons.
„Mit dieser Methode können wir bis zu 20 % des Zementanteils durch eine Mischung aus Illit- und Kaolinit-Ton ersetzen und erzielen gleichzeitig eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Endprodukts“, so Gunasekara von der School of Engineering der RMIT.
Die Untersuchung ergab unter anderem eine Zunahme des Anteils ungeordneter Phasen um 18 %, was die mechanische Festigkeit und Dauerhaftigkeit begünstigt. Zudem kann die Tonmischung mehr Wasser in chemisch gebundener Form speichern – ein Hinweis auf langfristig stabilisierende Reaktionen im Beton.
„Die Porosität reduziert sich um 41 %, während die Druckfestigkeit um 15 % steigt – begünstigt durch veränderte Eisenverbindungen, die eine dichtere Mikrostruktur bewirken“, so Gunasekara.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Co-kalzinierte Illit-Kaolinit-Gemische in ihrer Leistungsfähigkeit mit klassischen, kaolinitbasierten Zementersatzstoffen mindestens gleichziehen, diese sogar übertreffen können.
Angesichts der wachsenden Nachfrage nach Kaolinit – mit einem prognostizierten Marktvolumen von 6 Mrd. US-Dollar bis 2032 – eröffnen sich durch die Nutzung von Illit neue Potenziale für ressourcenschonende Baustoffe.
Energieeffizientes Verfahren und digitale Modellierung
Der Hauptautor der Studie, Dr. Roshan Jayathilakage, verweist zudem auf die energieeffiziente Prozessführung.
„Die gemeinsame Verarbeitung der Rohstoffe vereinfacht industrielle Abläufe und reduziert den Energiebedarf gegenüber Verfahren mit mehrfachen Kalzinierungsschritten erheblich“, so Jayathilakage.
„Das Verfahren ist somit nicht nur technisch leistungsfähig, sondern auch ökonomisch und ökologisch skalierbar.“
Begleitend zur experimentellen Forschung wurde ein fortschrittliches Simulationswerkzeug für die Entwicklung nachhaltiger Betonmischungen entwickelt – in Kooperation mit der Hokkaido University (Japan). Es ermöglicht die präzise Analyse verschiedener aktivierter Tone hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Dauerhaftigkeit und Energieeffizienz.
Dr. Yuguo Yu von der RMIT School of Engineering betont die Vorteile für die Materialentwicklung:
„Durch simulationsgestützte Vorhersagen zum Materialverhalten lassen sich energieeffiziente Rezepturen entwickeln, die auf lokal verfügbare Tone und spezifische Umweltbedingungen abgestimmt sind“, so Yu.
„Dieses virtuelle Planungswerkzeug kann die Einführung umweltfreundlicher Materialien in der Bauindustrie wesentlich beschleunigen – und damit den Weg zu einer nachhaltigen Transformation ebnen.“
Das Forschungsvorhaben ist eingebettet in das ARC Industrial Transformation Research Hub for Transformation of Reclaimed Waste Resources to Engineered Materials and Solutions for a Circular Economy (TREMS).
Unter der Leitung von Professorin Sujeeva Setunge (RMIT) vereint TREMS Wissenschaftler:innen und Industriepartner von neun australischen Universitäten sowie 36 staatlichen, industriellen und internationalen Institutionen. Ziel ist es, Abfälle zu minimieren und rückgewonnene Ressourcen für Bauwesen und industrielle Anwendungen nutzbar zu machen.
“A combination technique to improve natural low-grade illite as supplementary cementitious material for concrete” is published in Construction and Building Materials(DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2025.141334)
Other relevant research includes “On the hydration of limestone calcined kaolinitic clay cement and energy-efficient production”, published in Cement and Concrete Composites(DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2024.105698).
Quelle: RMIT University, Hilfsmittel: KI, Lektorat: Architekturblatt
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