Влияние зольной пыли и шлака на микроскопический интерфейс переработанного бетона и эволюцию его разрушения

Преобразование строительных отходов в новые конструкции

По мере роста городов и сноса старых зданий горы разбитого бетона и промышленного шлака — таких как зольная пыль и доменные шлаки — накапливаются. В то же время производство нового бетона является одним из крупнейших источников выбросов углерода в строительстве. В этом исследовании задается простой, но актуальный вопрос: можно ли безопасно превращать эти отходы обратно в прочный и долговечный бетон, и что при этом происходит внутри материала? Заглянув глубоко в крошечные зоны контакта между старым и новым бетоном и смоделировав рост трещин, авторы показывают, как сочетать переработанные компоненты, не жертвуя эксплуатационными характеристиками.

Почему скрытая граница важна

Бетон — это не единый монолит; он напоминает каменистый кекс, где камни и песок связаны затвердевшей пастой. Самые уязвимые места часто находятся в тонких слоях на стыке камня и пасты, называемых интерфейсными зонами. В переработанном бетоне эти зоны становятся сложнее, потому что фрагменты старого бетона уже несут свои тонкие слои пережжённой пасты. Когда вокруг них заливают новую пасту, возникают множественные границы. Исследование сосредоточено на том, как эти пограничные слои ведут себя, когда природный щебень частично заменяют кусками старого бетона и когда в пасту добавляют зольную пыль и шлак — порошки, остающиеся после сжигания угля и производства стали.

Испытание разных рецептур на прочность

Исследователи приготовили 24 различных бетонных смеси, изменяя три компонента: долю переработанных фрагментов, количество зольной пыли и количество шлака. Во всех смесях использовалось одинаковое количество воды и песка, чтобы любые изменения свойств можно было связать с этими заменами. Они измеряли максимальное давление, которое выдерживали бетонные кубы перед дроблением, и насколько легко цилиндры раскалывались при растяжении. В целом большая доля переработанных фрагментов как правило снижала прочность по сравнению с обычным бетоном. Добавление зольной пыли или шлака также во многих случаях уменьшало прочность, особенно при высоких дозах, потому что они замедляли полное отверждение пасты. Тем не менее были ‘‘сладкие точки’’: при 40% замене камня переработанными фрагментами и 10% шлака потеря прочности составляла лишь около 5%, что ставит материал очень близко к стандартному бетону.

Заглядывая внутрь бетона

Чтобы понять, почему некоторые смеси работали лучше, команда отполировала тонкие срезы бетона и изучила их под микроскопом. Снимки показали, что в переработанном бетоне больше пор и более грубая граница между камнем и пастой, чем в обычном бетоне. Вокруг переработанных фрагментов тонкие интерфейсные зоны были более рыхлыми и пористыми, с не прореагировавшими частицами цемента, зольной пыли и шлака. Такая открытая структура ослабляет «клей», скрепляющий все вместе. Обычный бетон из свежего щебня демонстрировал более плотную, непрерывную границу и меньшие поры, что объясняет его более высокую прочность. Исследование показало, что и зольная пыль, и шлак увеличивают пористость этих зон, но зольная пыль делает это сильнее, чем шлак.

Наблюдение за образованием и ростом трещин

Помимо статичных снимков, авторы хотели увидеть, как переработанный бетон фактически разрушается. Они создали компьютерную модель, которая рассматривает тонкие интерфейсные зоны как хрупкие слои, способные открываться и расслаиваться под нагрузкой. При симуляции давления на бетонный блок крошечные трещины сначала появлялись во внешних интерфейсных зонах, где поры были крупнейшими. По мере увеличения нагрузки эти трещины распространялись внутрь и сливались, в конечном счете пересекая образец и вызывая разрушение. Фотографии реальных раздавленных образцов соответствовали модели: смеси с большим содержанием переработанных фрагментов и зольной пылью формировали широкие, извилистые трещины, тогда как смеси с умеренным содержанием переработанного материала и шлаком показывали более узкие, прямолинейные трещины, что указывает на более плотную внутреннюю структуру.

Что это значит для более экологичных зданий

Для неспециалистов ключевое сообщение обнадёживает: при тщательном выборе компонентов бетон, изготовленный из строительного мусора и промышленных побочных продуктов, может быть очень близок по прочности к традиционному материалу. Работа показывает, что самым слабым звеном является тонкая пограничная зона вокруг переработанных фрагментов, особенно при избытке зольной пыли или шлака. Сдерживая долю переработанного щебня на умеренном уровне и используя умеренное содержание шлака, инженеры могут ограничить повреждения в этих зонах и замедлить рост трещин. Это указывает на практические рецептуры низкоуглеродного бетона, который безопасно «поглощает» отходы, не становясь ломким, открывая путь к более прочным и устойчивым зданиям и дорогам.

Цитирование: Chen, C., Wei, Z., Zhang, J. et al. The impact of fly ash and slag on the microscopic interface of recycled concrete and its destruction evolution. Sci Rep 16, 9565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17035-9

Ключевые слова: переработанный бетон, зольная пыль, шлаки, переходная зона интерфейса, устойчивое строительство