Введение щелочнокатализированного нано-диоксид кремния в шликер для повышения долговечности шлакового раствора, активированного карбонатом натрия, в агрессивных средах

Почему важен более прочный и более экологичный бетон

Современные города, мосты и порты зависят от бетона, но традиционный цемент несет значительные климатические издержки и может быстро разрушаться в суровых условиях, таких как прибрежные и холодные районы. В этом исследовании рассматривается перспективная альтернатива вяжущему веществу для бетона, которая производит меньше диоксида углерода, но при этом устойчива к соленой воде, замерзанию и коррозионноактивным химикатам. Добавив особый наноразмерный компонент кремнезема в новый тип шлакового раствора, исследователи показывают, как можно строить более долговечные морские и инфраструктурные сооружения, снижая нагрузку на планету.

Новый вид низкоуглеродного строительного материала

Обычный бетон опирается на портландцемент, производство которого составляет значительную долю глобальных выбросов углерода. Один из более экологичных путей — использование промышленных побочных продуктов, таких как гранулированный доменный шлак, «активируемый» щелочными химикатами для образования прочного камнеподобного вяжущего. В этой работе внимание сосредоточено на шлаковом растворе, активированном карбонатом натрия — относительно климатически благоприятном и недорогом веществе, которое также уменьшает усадку и растрескивание. Но у этого подхода есть компромисс: такой раствор имеет более пористую внутреннюю структуру, что делает его уязвимым к воздействию солей, воды и циклов замораживания–оттаивания — условиям, распространённым в морской и дорожной среде.

Как помогают крошечные капли кремнезема

Чтобы устранить эту слабость, исследователи добавили разное количество щелочнокатализированного нано-силика геля — жидкости, содержащей ультратонкие частицы кремнезема, хорошо диспергированные в среде. В отличие от сухого нано-кремнезема в порошке, этот гель равномерно распространяется по свежему раствору. В процессе затвердевания нано-силика реагирует с кальцием, выделяющимся из шлака, образуя дополнительный связывающий гель, а оставшиеся частицы заполняют поры. Команды приготовили растворы с разным содержанием нано-силики и затем измеряли щелочность поверхности, водопоглощение, стойкость к замораживанию и способность сульфатных и хлоридных ионов проникать внутрь. Для исследования внутренней структуры использовали микроскопию, рентгеновскую дифракцию и измерения распределения пор.

Противостоять воде, соли и льду

Во всех испытаниях растворы с нано-силикой показали явно лучшие результаты по сравнению с контрольным материалом. Добавленная нано-силика снизила поверхностную щелочность, уменьшила общую пористость и сократила капиллярное водопоглощение, то есть влага проникала хуже. При многократных циклах замораживания–оттаивания смеси с большим содержанием нано-силики теряли меньше массы и сохраняли большую прочность, а их поверхности демонстрировали значительно меньше отслоений и трещин. При многомесячном воздействии растворов сульфатов натрия и магния — веществ, которые часто разрушают бетон в грунтах и морской воде — растворы с примерно 8% нано-силики испытывали существенно меньшие потери прочности, причем повреждения от более агрессивного сульфата магния заметно сократились. В испытаниях, имитирующих циклы увлажнения и высыхания в соленой воде и прямое проникновение хлоридов, смеси, богатые нано-силикой, снова лучше сопротивлялись проникновению ионов: глубины проникновения и скорости миграции уменьшались более чем вдвое по сравнению с необработанным вариантом.

Что меняется внутри материала

Микроскопические и структурные анализы объяснили причины таких улучшений. Нано-силика гель формирует более плотную внутреннюю сеть: многие крупные и средние поры превращаются в гораздо более мелкие гелевые поры, и при этом их становится меньше непрерывных путей. Такое уплотнение микроструктуры затрудняет движение воды и агрессивных ионов через раствор. Одновременно добавленная кремнезема стимулирует образование более обширных и стабильных связывающих гелей, которые сцепляют шлаковые зерна в трёхмерный каркас. Количество объемных, вызывающих растрескивание кристаллов — таких как эттрингит, гипс, бруцит и соли, содержащие хлориды — было ниже в смесях с нано-силикой, потому что меньше ионов проникало внутрь, а большее их количество удерживалось безвредно на поверхностях гелей и наночастиц.

Что это значит для будущего строительства

Для неспециалиста главный вывод таков: крошечные, хорошо диспергированные капли кремнезема способны превратить относительно хрупкий, пористый низкоуглеродный раствор в более прочный и плотный материал, который лучше выдерживает суровые условия. Уточняя сеть пор и стабилизируя внутренний гель, щелочнокатализированный нано-силика гель значительно повышает сопротивляемость воде, соли и повреждениям от замерзания; в этом исследовании оптимальным оказалось примерно 8% добавки. Такой подход предлагает практичный и недорогой путь к созданию более долговечных и экологичных растворов и бетонов для морских сооружений, дорог и другой инфраструктуры, подверженной агрессивным воздействиям.

Цитирование: Zheng, X., Hu, Z., Liu, H. et al. Incorporating alkali-catalyzed nano-silica sol to enhance the durability of sodium carbonate-activated slag mortar in aggressive environments. npj Mater Degrad 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00763-2

Ключевые слова: шлакоактивированный материал, нано-силика гель, долговечность бетона, атакa сульфатами и хлоридами, низкоуглеродное строительство