Trwałe zwiększenie odporności chemicznej i stabilności mikrostruktury w zaprawie cementowej z recyklowanym drobnym kruszywem traktowanym szkłem wodnym i pyłem krzemionkowym

Dlaczego przekształcanie starego betonu ma znaczenie

Na całym świecie rozbiórki generują góry pokruszonego betonu. Duża część tego materiału trafia na składowiska, mimo że zawiera piasek i kruszywo, które mogłyby zostać ponownie użyte w nowych konstrukcjach. Problem w tym, że drobne cząstki odzyskane ze starego betonu często osłabiają nowe zaprawy i czynią je bardziej podatnymi na agresywne środowiska, szczególnie tam, gdzie kanały, przemysł lub zasolone gleby atakują konstrukcje. W tym badaniu zbadano prostą obróbkę, która może przekształcić te problematyczne odpady w wiarygodny składnik budowlany, pomagając miastom budować bardziej zrównoważenie bez utraty trwałości.

Z odpadów rozbiórkowych do drobnego piasku budowlanego

Gdy stary beton jest kruszony, powstaje recyklowane drobne kruszywo — ziarna wielkości piasku wciąż oblepione resztkami starej zaprawy cementowej. Ziarna te pochłaniają więcej wody i zawierają liczne drobne pory i spękania. W efekcie zaprawy z ich udziałem są zwykle bardziej przepuszczalne i mniej odporne na działanie kwasów i soli niż zaprawy wykonane z naturalnego piasku rzecznego. Autorzy postawili sobie za cel sprawdzić, czy szybki krok wstępnego namaczania przy użyciu dwóch powszechnie dostępnych materiałów — szkła wodnego (roztwór krzemianu sodu) i pyłu krzemionkowego — może wzmocnić przylegającą warstwę zaprawy i poprawić zachowanie recyklowanego kruszywa w nowych mieszankach.

Prosta kąpiel, która uszczelnia pory

Naukowcy zebrali odpady z budów i rozbiórek, skruszyli je i wydzielili frakcję drobną. Następnie namaczali te recyklowane drobiny przez 24 godziny w wodnych roztworach zawierających różne dawki krzemianu sodu i pyłu krzemionkowego. Po wysuszeniu traktowane ziarna zastąpiły cały piasek w standardowych zaprawach cementowych, które następnie odlewano w małe kostki. Porównano pięć mieszanek: jedną z piaskiem naturalnym, jedną z nieleczonymi drobinami recyklowanymi oraz trzy z drobinami poddanymi obróbce przy rosnących dawkach chemikaliów. Gdy zaprawa związła, kostki zanurzono na miesiące w silnych roztworach kwasu siarkowego i siarczanu magnezu — warunkach mających naśladować ostre środowiska kanalizacyjne i gleby bogate w siarczany. W odstępach czasu zespół mierzył utratę masy, wytrzymałość, chłonność wody i wewnętrzną spójność za pomocą impulsów ultradźwiękowych, a także badał strukturę wewnętrzną za pomocą zaawansowanego obrazowania i spektroskopii.

Opór wobec kwasów i soli

Nieleczone drobiny recyklowane wykazały najsłabsze wyniki przy ekspozycji zarówno na kwasy, jak i siarczany. Ich zaprawy traciły najwięcej masy, doświadczały najbardziej gwałtownych spadków wytrzymałości, wchłaniały najwięcej wody i wykazywały największy spadek prędkości impulsu ultradźwiękowego — objawy rozległego pękania i uszkodzeń wewnętrznych. Zaprawy z piaskiem naturalnym radziły sobie lepiej, ale nadal wykazywały widoczne erozje powierzchni i stopniowe osłabienie z czasem. Natomiast zaprawy z traktowanymi drobinami recyklowanymi konsekwentnie skuteczniej opierały się uszkodzeniom. Wyróżniała się mieszanka namaczana w kąpieli o średniej sile, zawierającej 20% krzemianu sodu i 2% pyłu krzemionkowego: w kwasie traciła ona około 40% mniej masy i zachowywała około 30% więcej wytrzymałości niż nieleczona mieszanka recyklowana, a w roztworze siarczanowym podobnie ograniczała utratę masy i spadek wytrzymałości, utrzymując jednocześnie wyższe prędkości ultradźwięków.

Co zmienia się wewnątrz materiału

Badania mikroskopowe i chemiczne ujawniły, dlaczego zabieg działał. W nieleczonych zaprawach recyklowanych agresywne roztwory łatwo penetrowały, rozpuszczając związki bogate w wapń i tworząc ekspansywne kryształy gipsu i ettringitu, które rozrywały mikrostrukturę. Obrazy pokazywały porowate strefy kontaktowe wokół ziaren recyklowanych i rozległe spękania. Po obróbce przylegająca zaprawa wokół każdego ziarna była zauważalnie gęstsza i lepiej związana z nową masą. Roztwór krzemianu sodu wniknął w pory i zareagował z wapniem, tworząc dodatkowy żel wiążący, podczas gdy pył krzemionkowy dalszym zużyciem luźnego wapnia budował bardziej krzemionkową, stabilną sieć. Analizy rentgenowskie i w podczerwieni potwierdziły, że szkodliwe produkty uboczne zostały znacząco zredukowane, a główna faza wiążąca pozostała bardziej zachowana nawet po długotrwałej ekspozycji.

Praktyczna droga do zielonejszej, mocniejszej zaprawy

Dla osoby niebędącej specjalistą kluczowy wniosek jest taki, że stosunkowo prosty, niskoenergetyczny etap namaczania może przekształcić problematyczne drobiny z betonu z recyklingu w wysokowydajny składnik nowej zaprawy. Uszczelniając pory i przekształcając chemię starej powłoki cementowej, kąpiel ze szkła wodnego i pyłu krzemionkowego pozwala na użycie w 100% recyklowanego drobnego kruszywa konkurującego z, a w pewnych aspektach przewyższającego, piasek naturalny w bardzo agresywnych warunkach chemicznych. Podejście to oferuje realistyczny sposób na przetworzenie większej ilości odpadów rozbiórkowych w trwałe materiały budowlane, zmniejszając presję na zasoby piasku rzecznego i jednocześnie wydłużając żywotność konstrukcji betonowych w agresywnych środowiskach.

Cytowanie: Shaju, A.C., Nagarajan, P., Sudhakumar, J. et al. Sustainable enhancement of chemical durability and microstructural stability in cement mortar incorporating sodium silicate–silica fume treated recycled fine aggregate. Sci Rep 16, 9380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40549-9

Słowa kluczowe: beton z recyklingu, trwałość cementu, zrównoważone budownictwo, obróbka kruszywa, atak kwasowy i siarczanowy