Влияние длины кокосового и льняного волокон на сопротивление разрушению геополимерного бетона на основе летучей золы, шлака и микрокремнезёма

Более экологичный бетон, способный выдерживать удары

Бетон повсюду — от мостов и зданий до тротуаров — но традиционное производство выпускает в атмосферу большие объёмы углекислого газа. Инженеры ищут более экологичные варианты, которые при этом выдерживали бы интенсивную эксплуатацию, удары и трещинообразование. В этом исследовании рассматривается перспективная альтернатива — геополимерный бетон, изготовляемый из промышленных отходов вместо портландцемента, и задаётся простой практический вопрос: может ли добавление коротких растительных волокон из кокосовой койры и льна сделать такой экологичный бетон более прочным и устойчивым к трещинам?

От промышленных отходов к строительным блокам

Традиционный цемент отвечает примерно за 8 % мировых выбросов CO₂. Геополимерный бетон решает эту проблему, заменяя значительную часть цемента отходами в виде порошков, такими как летучая зола ТЭС, шлак металлургии и микрокремнезём. При смешивании этих порошков с щелочным раствором образуется плотный, камнеподобный вяжущий состав, который по долговечности может соперничать с обычным бетоном или даже превосходить его. Однако этот материал, как и стекло, имеет склонность к хрупкости: как только появляется трещина, она может быстро распространиться по конструкции, угрожая безопасности и сокращая срок службы. Повышение «сопротивления разрушению» — способности сопротивляться росту трещины — поэтому критически важно для широкого применения геополимерного бетона в реальных конструкциях.

Введение натуральных волокон в смесь

Исследователи сосредоточились на двух растительных волокнах, которые доступны и недороги: койра из кокосовой скорлупы и лён, применяемый в текстиле. Оба вида возобновляемы и лёгки, и предыдущие работы намекали, что они могут помочь бетону поглощать больше энергии при формировании трещин. В этом исследовании доля волокон была невысокой (всего 0,5 % от объёма бетона), но длина волокон варьировалась — 20, 40 или 60 миллиметров. Отливали дисковые образцы геополимерного бетона и в каждом делали надрез, затем разрушали их в тщательно контролируемых испытательных схемах, имитирующих раскрытие трещины (режим I), скольжение при кручении (режим III) или комбинацию этих режимов. Сравнивая, какое усилие выдерживал каждый образец до резкого распространения трещины, исследователи количественно оценили реальную стойкость каждой смеси к разрушению.

Поиск оптимума для сопротивления трещинообразованию

Результаты выявили чёткий «золотой» диапазон. Волокна длиной 40 миллиметров давали наибольший прирост стойкости к разрушению при всех режимах нагружения. При обычном раскрытии трещины кокосовая койра этой длины увеличивала сопротивление разрушению почти на 19 %, тогда как лён улучшал его примерно на 15 %. Когда сочетались растяжение и кручение — ближе к комплексным напряжениям в реальных конструкциях — смесь с койрой 40 мм повысила стойкость более чем на 20 %, при этом лён отставал немного. Более короткие 20 мм волокна давали положительный эффект, но меньший, поскольку они менее эффективно перекрывают трещины. Удивительно, но увеличение длины до 60 мм в некоторых испытаниях ухудшало свойства по сравнению с контрольным образцом без волокон. Такие длинные волокна склонны слипаться, образовывать пустоты и нарушать равномерную передачу нагрузки, действуя скорее как слабые места, чем как усиление.

Что происходит внутри бетона

Микроскопические и химические анализы помогли понять, почему 40 миллиметровые волокна работают лучше всего. Сам геополимерный вяжущий образует плотный, непрерывный гель, заполняющий пространство между частицами песка и заполнителя, а некоторые кристаллические остатки, такие как кварц и муллит, действуют как жёсткие наполнители. Волокна койры с их шероховатой поверхностью и способностью к растяжению хорошо сцепляются с этой матрицей, а затем при нагрузке постепенно отщёлкиваются и выдёргиваются, медленно поддерживая мостик через растущую трещину. Этот контролируемый процесс выдёргивания поглощает энергию и замедляет распространение трещины. Льняные волокна, хотя и прочнее при чистом растяжении, более жёсткие и гладкие; они склонны терять сцепление более внезапно и окружены большим количеством продуктов реакции, что делает интерфейс менее стабильным. Тепловые и инфракрасные измерения дополнительно показали, что матрица относительно плотна и стабильна, с ограниченной пористостью и некоторой полезной карбонизацией, которая уплотняет микроструктуру — но сдвигово‑доминируемое разрушение по‑прежнему остаётся трудноконтролируемым.

Что это значит для будущих конструкций

Для неспециалистов вывод прост: небольшая примесь среднедлинных растительных волокон может заметно повысить стойкость более экологичного геополимерного бетона, не меняя его базовую рецептуру. Койра, в частности, действует как крошечные натуральные «швы», удерживающие трещины вместе после их появления, позволяя материалу поглощать больше повреждений до окончательного разрушения. В то же время слишком длинные волокна дают обратный эффект, поскольку они слипаются и создают слабые зоны. Эта работа предлагает практические рекомендации для проектирования следующих поколений низкоуглеродистых бетонов, которые не только мягче обходятся с климатом, но и лучше сопротивляются растрескиванию в реальных мостах, дорожных покрытиях и зданиях.

Цитирование: Bazarkhankyzy, A., Aibuldinovńska, Y., Iskakova, Z. et al. ​​Influence of coir and flax fiber lengths on fracture toughness of fly ash, slag, and silica fume-based geopolymer concrete. Sci Rep 16, 5596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35731-y

Ключевые слова: геополимерный бетон, армирование натуральными волокнами, кокосовое и льняное волокна, сопротивление разрушению, устойчивые строительные материалы