Повышение морозостойкости бетона с использованием переработанного порошка с помощью химических добавок

Преобразование строительных отходов в бетон, готовый к зиме

Ежегодно в городах накапливаются горы разбитого бетона и кирпича после сносов и ремонтов. Большую часть этого щебня рассматривают как мусор, хотя в нём всё ещё содержатся ценные цементные материалы. Одновременно дороги и здания в холодных регионах разрушаются из‑за повторяющихся циклов замораживания и оттаивания, что обходится в миллиарды на ремонт. В этом исследовании изучается, как тонко измельчённые строительные отходы — так называемый переработанный порошок — можно безопасно повторно использовать в новом бетоне и при этом обеспечить его устойчивость к суровым зимним условиям, открывая путь к более долговечной и устойчивой инфраструктуре.

От обломков к переработанному порошку

Вместо того чтобы отправлять старый бетон и кладку на свалки, инженеры могут дробить и измельчать эти материалы в тонкий переработанный порошок, который частично заменяет свежий цемент в новом бетоне. Такой подход экономит природные ресурсы, сокращает выбросы углекислого газа при производстве цемента и помогает контролировать огромные потоки отходов, особенно в странах, таких как Китай, где строительные отходы превышают два миллиарда тонн в год. Однако есть и проблема: переработанный порошок обычно увеличивает водопотребность бетонной смеси, что часто ведёт к снижению стойкости к замораживанию и оттаиванию. Основной вопрос исследования заключался в том, могут ли подходящие химические добавки преодолеть это слабое место и раскрыть полный потенциал бетона с переработанным порошком в холодном климате.

Тонкая настройка набора химических средств

Исследователи сначала выделили высокоэффективную водоредуцирующую химическую добавку — поли карбоксилатный суперпластификатор, который особенно хорошо работает с переработанным порошком. Эта добавка способствует равномерному разделению частиц цемента, уменьшая дополнительную воду, обычно требуемую при использовании переработанного порошка. На этой базе команда испытала три дополнительных типа добавок, направленных непосредственно на улучшение морозостойкости: комбинированную водоредуцирующую и антифризную добавку (AR), воздухововлекающий агент (AE), намеренно создающий крошечные пузырьки, и неорганический солевой антифризный агент (AF). Образцы бетона с 30% переработанного порошка смешивали при разных водо‑клеевых отношениях, выдерживали и затем подвергали до 200 жёстких циклов замораживания–оттаивания, отслеживая их прочность, повреждение поверхности и внутреннюю жёсткость.

Как бетон вел себя на холоде

Все три стратегии улучшения помогли бетону с переработанным порошком лучше сопротивляться повреждениям от замерзания по сравнению с контрольной смесью без этих добавок, но делали они это разными способами и с разной степенью эффективности. Воздухововлекающий агент работал за счёт образования множества маленьких, равномерно распределённых пузырьков, которые служили камерами облегчения, давая замерзающей воде место для расширения и тем самым замедляя отслоение поверхности и внутренние трещины. Водоредуцирующая антифризная добавка снижала потребность в воде и уплотняла поровую систему, что уменьшало потерю массы и сохраняло жёсткость бетона в циклах. Однако главным победителем оказалась 1% добавка‑антифриз (AF). Она не только повышала раннюю прочность, ускоряя образование связывающих гелей внутри бетона, но и сохраняла наивысшую относительную жёсткость и наименьшие повреждения поверхности после 200 циклов, особенно при нижнем водо‑клеевом отношении.

Взгляд внутрь бетона

Чтобы понять, почему антифризный агент сработал так хорошо, команда исследователей заглянула внутрь бетона с помощью микроскопов и методов измерения пор. Изображения показали, что бетон без специальных добавок содержал много крупных, неравномерных пор и широких трещин на границе между заполнителем и раствором — идеальные пути для проникновения воды и льда, вызывающих повреждения. При добавлении AR, AE или AF эта слабая переходная зона стала плотнее: уменьшилось число крупных пустот и образовалось больше плотно упакованных кристаллов, скрепляющих структуру. Детальные измерения пор подтвердили, что особенно антифризный агент сместил распределение пор во внутренней структуре бетона в сторону меньших, менее вредных размеров, сократив долю крупных пор (более 200 нанометров), подверженных повреждениям, на 8,73%. Хотя общая пористость слегка увеличилась, форма и размеры пор изменились так, что бетон стал значительно более устойчив к замерзанию.

Почему это важно для более зелёных городов

Для неспециалистов вывод прост: исследование показывает, что бетон с существенной долей переработанного порошка может быть достаточно прочным для холодного климата, если он сочетается с правильной химией. Умеренная доза антифриза — примерно 1% от массы вяжущего — превращает уязвимый бетон на основе отходов в долговечный материал, который выдерживает повторяющиеся зимние циклы замерзания с гораздо меньшим количеством трещин и потерь поверхности. Это значит, что города могут с уверенностью превращать строительные отходы в новые дороги, мосты и здания, которые служат дольше в условиях льда и мороза, продвигая одновременно устойчивость и долговечность без ущерба для эксплуатационных характеристик.

Цитирование: Yang, C., Zhou, W., Zhao, H. et al. Frost resistance improvement of recycled powder concrete by chemical admixtures. Sci Rep 16, 6087 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35840-8

Ключевые слова: переработанный бетон, строительные отходы, стойкость к замораживанию-оттаиванию, химические добавки, устойчивая инфраструктура