К более экологичному строительству: всесторонняя оценка экологичного УВПБ, армированного гибридными волокнами

Создание более прочных и экологичных сооружений

Бетон — основа современных городов, но его производство выделяет огромные количества диоксида углерода. Ультра‑высокопрочный бетон (УВПБ) — особенно прочный и долговечный вариант, применяемый в мостах, башнях и других ответственных конструкциях — однако он обычно содержит так много цемента, что далёк от экологичности. В этом исследовании рассматривают, как переработать состав УВПБ так, чтобы сократить долю цемента и использовать более разумную смесь тонких волокон, получая бетон, который одновременно и «зеленее», и прочнее там, где это важно: при сопротивлении трещинообразованию, ударам и воздействию огня.

Чем этот бетон отличается

Традиционный УВПБ часто содержит около 1000 килограммов цемента на кубический метр, что влечёт за собой серьёзные экологические издержки. Исследователи сократили содержание цемента до 700 килограммов и частично заменили его тонкоизмельчёнными промышленными побочными продуктами, такими как дымка кремнезёма и метакаолин. Эти порошки уплотняют пространство между зернами песка и цемента, заполняют микроскопические пустоты и способствуют формированию плотной, камнеподобной структуры. Чтобы бороться с природной хрупкостью УВПБ, добавили два типа коротких волокон: жёсткие стальные и лёгкие, похожие на пластик, полипропиленовые волокна. Волокна использовали поодиночке и в комбинациях, при этом общий объём волокон всегда удерживали на уровне 3%, чтобы выяснить, какая смесь даст наилучший баланс прочности, вязкости и устойчивости к воздействию на окружающую среду.

Как микроволокна укрощают трещины

Бетон разрушается, когда мелкие трещины превращаются в крупные. В этом исследовании стальные волокна выступали как миниатюрные арматурные стержни, перекрывая более широкие трещины и неся нагрузки после того, как сам бетон начал разрушаться. Полипропиленовые волокна, намного тоньше и легче, превосходили в контроле очень тонких ранних трещин и в создании каналов для выхода пара при высоком нагреве, что помогает предотвращать взрывное отслоение при пожаре. В комбинации два типа волокон создавали трёхмерную сеть внутри бетона, которая задерживала начало трещинообразования, замедляла рост трещин и позволяла материалу поглощать значительно больше энергии при ударе. Наиболее удачная рецептура содержала 0,75% стальных волокон и 0,25% полипропиленовых волокон по объёму.

Прочность, вязкость и долговечность в цифрах

Гибридная смесь с 0,75% стали и 0,25% полипропилена достигла примерно 155 мегапаскалей при сжатии — значительно выше типичного конструкционного бетона — и немного превзошла смесь с 3% только стальных волокон. Она также показала наивысшие показатели на растяжение и изгиб, то есть могла выдерживать большие разрывающие и изгибающие усилия до образования трещин. В испытаниях на удар, где многократно сбрасывали груз, этот гибридный бетон выдерживал гораздо больше ударов до первой трещины и окончательного разрушения, поглощая до 47% больше кинетической энергии, чем смесь только со стальными волокнами. Тесты на долговечность показали, что та же гибридная смесь имела наименьшую пористость и водопоглощение — оба ключевых индикатора долгого срока службы, поскольку они ограничивают движение воды и солей, разрушающих бетон и внедрённую сталь.

Поведение при пожаре и в микроскопе

Испытания на огнестойкость показали, как волокна меняют поведение бетона при нагреве. При умеренных температурах (около 200 °C) все составы кратковременно набирали прочность по мере испарения оставшейся воды, но при 400 °C и выше цементная структура начинала деградировать. Смеси со стальными волокнами лучше удерживали целостность при более высоких температурах, в то время как полипропиленовые волокна плавились и оставляли крошечные каналы, которые снижали внутреннее паровое давление и уменьшали риск взрывного отслоения поверхности. Микроскопические изображения подтвердили, что смеси, богатые стальными волокнами, имели более плотную внутреннюю структуру с меньшим числом пор и лучшим сцеплением между волокнами и матрицей. В противоположность этому, смеси, доминируемые полипропиленом, показывали больше мелких пустот вокруг волокон, что способствовало пластичности, но слегка снижало прочность и плотность.

Экологичный бетон по замыслу

Поскольку производство цемента энергоёмко и связано с большими выбросами углерода, снижение его доли критично для более чистого строительства. Низкоцементный УВПБ, разработанный в этой работе, в сочетании с использованием порошков‑побочных продуктов промышленности сократил и энергопотребление, и выбросы углерода по сравнению с типичным УВПБ. Оценка жизненного цикла показала, что простая (без волокон) смесь и смесь только с полипропиленовыми волокнами особенно привлекательны с точки зрения стоимости и выбросов, тогда как гибридные смеси, такие как 0,75% сталь / 0,25% полипропилен, предлагают отличный компромисс: очень высокие механические характеристики и долговечность при значительно меньшем воздействии на окружающую среду, чем у традиционного УВПБ. Для неспециалистов ключевой вывод таков: тщательная настройка типа и количества микроволокон и замена части цемента порошками, полученными из отходов, позволяют инженерам создавать бетоны, которые не только прочнее и безопаснее при ударах и пожаре, но и значительно более дружелюбны к планете.

Цитирование: AL-Tam, S.M., Youssf, O., Mahmoud, M.H. et al. Towards greener construction: a comprehensive evaluation of eco-friendly UHPC reinforced with hybrid fibers. Sci Rep 16, 7196 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-33711-2

Ключевые слова: зеленый бетон, ультра‑высокопрочный бетон, волокноармированный бетон, устойчивое строительство, низкоуглеродные материалы