Моделирование и оптимизация устойчивого тернарного бетона с золью рисовой шелухи и выделенной микросиликой

Преобразование сельскохозяйственных отходов в более прочный и экологичный бетон

Бетон поддерживает наши здания, мосты и дороги, но производство цемента в его составе выделяет огромные объемы углекислого газа. В этом исследовании изучается, как сельскохозяйственный отход — рисовая шелуха — может быть превращен в высокоэффективные компоненты для бетона, сокращая выбросы и одновременно улучшая прочность и долговечность. Для тех, кто интересуется климатически ответственным строительством или возможностями переосмысления привычных материалов, работа показывает, как умная химия и искусственный интеллект могут изменить одно из наиболее используемых в мире материалов.

Почему важно учитывать углеродный след цемента

Производство цемента отвечает примерно за 7% антропогенных выбросов CO₂ в мире, поэтому даже небольшие изменения в составе бетона могут иметь существенный климатический эффект. Одним из перспективных подходов является частичная замена цемента «дополнительными» материалами, происходящими из потоков отходов, а не из энергоемких печей. Зола рисовой шелухи, получаемая при сжигании шелухи, богата диоксидом кремния — ключевым компонентом в химии цемента. При дальнейшем измельчении этой золы в ультратонкий порошок, обозначаемый здесь как выделенная микросилика, материал может активно реагировать с цементным тестом и заполнять микропоры, потенциально делая бетон прочнее и менее проницаемым и одновременно сокращая долю цемента.

Проектирование трехкомпонентной смеси

Исследователи создали «тернарный» бетон — вяжущее которого представляет собой смесь портландцемента, золы рисовой шелухи и выделенной микросилики. Они приготовили 13 различных составов, варьируя содержание золы рисовой шелухи (от 5% до 40% от массы цемента) и микросилики (5%, 10% или 15%). Все прочие ингредиенты и удобоукладываемость поддерживались постоянными, чтобы любые изменения в характеристиках можно было отнести к этим двум материалам. Образцы твердели 14, 28 и 56 дней, после чего измеряли их прочность на сжатие — ключевой показатель несущей способности. Для нескольких смесей также провели испытания на проникновение воды, чтобы оценить, насколько легко жидкости проходят через затвердевший бетон — важный фактор долговечности в агрессивных условиях.

Что происходит внутри бетона

Чтобы понять, почему одни смеси работали лучше других, команда исследовала затвердевший пастообразный материал в сканирующем электронном микроскопе. В лучших смесях умеренные дозы микросилики (приблизительно 5–10%) в сочетании с золой рисовой шелухи (около 15–25%) образовывали плотную, плотно связанную внутреннюю структуру с меньшим количеством пор и трещин. Ультратонкая микросилика действует рано, обеспечивая дополнительные поверхности для гидратации цемента и формируя компактный гель, тогда как зола рисовой шелухи продолжает взаимодействовать со временем, дополнительно заполняя пустоты. Напротив, при чрезмерной замене — особенно при 15% микросилики в сочетании с 35–40% золы рисовой шелухи — на изображениях наблюдались скопления тонких частиц, незреагированные зерна цемента и взаимосвязанные пустоты. Такое перенаселение реактивной кремнеземом фазы фактически замедляло обычные реакции цемента и приводило к более слабой, пористой структуре.

Как умственное моделирование находит оптимум

Вместо того чтобы полагаться только на метод проб и ошибок, исследование использовало два современных инструмента моделирования, чтобы определить лучшие рецептуры. Метод ответной поверхности, статистическая техника, построил уравнения, связывающие количества микросилики и золы рисовой шелухи с измеренной прочностью на разных стадиях твердения. Искусственная нейронная сеть, вдохновленная тем, как биологические нейроны распознают закономерности, также была обучена на экспериментальных данных. Оба подхода с высокой точностью предсказывали прочность на сжатие, но нейронная сеть показала чуть лучшую способность улавливать тонкие нелинейные эффекты. С помощью этих инструментов исследователи выяснили, что смеси с примерно 10–15% микросилики и 15–25% золы рисовой шелухи могут превосходить по прочности традиционный бетон: одна рецептура показала примерно на 18% большую прочность через 56 дней по сравнению с эталоном. Испытания на водопроницаемость подтвердили эти результаты: оптимизированные смеси пропускали значительно меньше воды, чем стандартный бетон, что указывает на повышенную долговечность.

Что это означает для будущего зданий

Для неспециалиста главный вывод прост: при тщательном подборе долей золы из риса и ультратонкой кремнеземистой добавки можно получить бетон, который одновременно экологичнее и эффективнее традиционных смесей. Низкие и умеренные уровни замены уменьшают использование цемента, закрепляют сельскохозяйственные отходы в долговечных конструкциях и создают более плотный, менее водопроницаемый материал. Однако увеличивать долю заменителей без ограничений нельзя — чрезмерные подстановки могут ослабить бетон. Авторы предлагают, что их оптимизированные смеси, основанные на лабораторных испытаниях и моделях искусственного интеллекта, представляют практичный путь к более устойчивым зданиям и инфраструктуре, и призывают к дальнейшим исследованиям долговременной прочности и полного анализа экологического воздействия в реальных проектах.

Цитирование: Ullah, M.F., Tang, H., Ullah, A. et al. Modeling and optimization of sustainable ternary concrete incorporating rice husk ash and extracted micro silica. Sci Rep 16, 5063 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35983-8

Ключевые слова: устойчивый бетон, зола рисовой шелухи, микросилика, замена цемента, модели машинного обучения