Синергетическое использование порошка из отходов стекла для огнестойкого и с низким содержанием щелочи активированного бетона

Преобразование битого стекла в более прочные здания

Ежегодно горы стеклянных бутылок и банок оказываются в отходах, в то время как многие бетонные здания остаются уязвимыми к сильным пожарам и имеют высокий углеродный след. В этом исследовании рассматривается способ решения обеих проблем одновременно: измельчение отходов стекла в порошок и использование его для создания нового типа бетона, который не только прочнее, но и лучше выдерживает экстремальные температуры, при этом сокращая количество химикатов и энергию, обычно требуемые для производства.

Почему обычный бетон страдает при пожаре

Бетон, используемый в большинстве зданий, основан на обычном портландцементе — материале, производство которого сопровождается выделением большого количества углекислого газа. При пожаре такой традиционный бетон может трескаться, терять прочность и даже разрушаться, ставя под угрозу безопасность конструкций и людей. Инженеры разрабатывают альтернативные вяжущие, заменяющие цемент промышленными побочными продуктами, такими как золошлаковые материалы из угольных электростанций и шлаки металлургических производств. При «активации» щелочными растворами эти порошки образуют щелочно-активированный бетон, который уже продемонстрировал лучшую устойчивость к высоким температурам по сравнению с традиционным бетоном, но всё ещё имеет ограничения и может требовать больших доз едких химикатов.

Как отходы стекла вливаются в состав

В работе основное внимание уделено тонко измельченному порошку из отходов стекла как третьему компоненту в этом альтернативном бетоне. Стекло богато формой кремнезёма, которая активно реагирует в щелочной среде, помогая связывать частицы в более плотную внутреннюю структуру. Авторы систематически варьировали, какую долю золошлакового материала или шлака заменяет порошок стекла, и сколько гидроксида натрия (распространённой щелочи) требуется. Затем они отливали бетонные кубы и подвергали их нагреву от комнатной температуры до экстремальных 1000 °C, измеряя, какую прочность образцы сохраняют и как деформируются под нагрузкой.

Поиск оптимума между прочностью и термостойкостью

Из пяти ключевых смесей выделилась одна: состав, где 25% золошлака было заменено порошком отходов стекла при сохранённом содержании шлака. Эта смесь, обозначенная в исследовании как M3C5, достигла впечатляющей прочности на сжатие примерно 69 мегапаскалей при нормальной температуре — значительно выше, чем у лучшей контрольной смеси без цемента и без стекла. Важно, что стеклоосновная смесь обеспечила такую производительность при содержании гидроксида натрия всего 8%, тогда как контрольной смеси потребовалось 10% для достижения близких значений. При нагреве до 1000 °C бетон с добавлением стекла сохранил чуть более 40% своей исходной прочности, превзойдя контрольную смесь, и показал лучшую способность к деформации без внезапного разрушения — важное свойство в пожароопасных сценариях, когда конструкции испытывают экстремальные нагрузки.

Взгляд внутрь нового бетона

Чтобы понять, почему бетон с добавлением стекла ведёт себя так хорошо, исследователи изучили его внутреннюю структуру с помощью микроскопии и рентгеновских методов. В контрольной смеси они обнаружили участки не прореагировавшей золошлаковой фракции и более неоднородный, пористый гель, связывающий зерна. В отличие от этого, смесь с порошком стекла продемонстрировала более плотную и однородную матрицу, с меньшим количеством пустот и лучшим контактом между частицами. Богатое кремнезёмом стекло способствовало образованию прочных переплетённых гелей, которые противостоят образованию трещин и ограничивают потерю воды и материала при нагреве. В результате образцы со стеклом теряли меньше массы и образовывали меньше поверхностных трещин по мере повышения температуры.

Что это означает для будущих зданий

Для неспециалистов итог прост: тонко размолотое отходное стекло может помочь создать новый тип бетона, который прочнее, сохраняет большую надёжность при экстремальном нагреве и требует меньше агрессивного активатора. Превращая выброшенные бутылки в часть структуры огнестойких зданий, этот подход поддерживает циркулярную экономику, снижает экологическую нагрузку как производства цемента, так и утилизации стекла и прокладывает путь к более безопасным и устойчивым городам.

Цитирование: Deepti, Y., Kumar, S., Bandyopadhyay, A. et al. Synergic utilization of waste glass powder for fire-resilient and low alkali-activated concrete. Sci Rep 16, 4989 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35338-3

Ключевые слова: бетон из отходов стекла, огнестойкие материалы, низкоуглеродное строительство, щелочно-активированный бетон, циркулярная экономика