К стандартизации цинкового шлака как устойчивой замены мелкого заполнителя в бетоне

Почему отходы могут помочь спасти наши реки

Песок кажется неисчерпаемым, но строительный бум стремительно размывает речные русла и побережья. Одновременно металлургические заводы по всему миру накапливают горы промышленных остатков, которые трудно использовать заново. В этом исследовании задаётся на первый взгляд простой, но важный экологический вопрос: может ли цинковый шлак — широкодоступный побочный продукт рафинирования цинка — безопасно и надёжно заменить природный песок в бетоне, не ухудшая прочности, долговечности и безопасности?

От речного песка до заводских остатков

Бетон состоит из цемента, воды, крупного щебня и, что важно, мелких зерён, таких как песок. С расширением городов спрос на песок вырос, что наносит ущерб рекам, дельтам и прибрежным экосистемам и удорожает материал. Параллельно современные цинковые плавильные заводы, особенно в таких странах, как Южная Корея, производят большие объёмы цинкового шлака. Этот зернистый материал образуется из остывших раздробленных капель при плавке. Его размер, плотность и минералогический состав указывают на то, что он может вести себя похоже на песок в бетонной смеси. Тем не менее стандарты в основных регионах, включая Корею, пока игнорируют цинковый шлак — в основном из-за опасений по поводу тяжёлых металлов и нестабильного качества.

Внимательное изучение самого шлака

Исследователи сначала рассматривали цинковый шлак как новый ингредиент рецепта, который нужно тщательно проверить перед использованием. Они измеряли плотность частиц, водопоглощение, распределение по размерам и внешний вид под электронным микроскопом. Также проанализировали элементный состав и кристаллическую структуру, проверили наличие нежелательных примесей — глины, рыхлой пыли, солей и включений угля. Наконец, оценили как общий содержание, так и выщелачивание опасных элементов — свинца, кадмия и мышьяка — чтобы понять, не может ли что‑то попасть в окружающую среду.

Шлак оказался плотным и хорошо градуированным, с частицами разных размеров, которые эффективно пакуются. Его водопоглощение было очень низким — значительно ниже, чем у природного песка — что означает, что он не отбирает воду у свежего бетонного раствора. Снимки под микроскопом показали в основном угловатые зерна, а также несколько более гладких, округлых крупных частиц, которые способствуют пластичности смеси. По химическому составу шлак напоминал другие металлургические шлаки, уже принятые в стандартах, а испытания на содержание вредных элементов и их выщелачивание вписывались в регламентные пределы. Практически материал вел себя как чистый, стабильный искусственный песок.

Как показал себя бетон со шлаком

Опираясь на эти данные, команда приготовила два класса бетона: обычной прочности и высокопрочный — оба распространённые в реальных проектах. Для каждого из них природный песок заменяли цинковым шлаком в объёмных долях от 10 до 100 процентов. Затем оценивали поведение свежего бетона — удобоукладываемость, сколько воды требуется для достижения стандартной подвижности и сколько воздуха захватывается смесью — и проводили испытания затвердевших образцов на прочность при сжатии, усадку при высыхании и сопротивление проникновению углекислого газа (ключевой фактор коррозии арматуры со временем).

С увеличением доли шлака бетон фактически требовал меньше воды для достижения той же консистенции — благодаря низкому водопоглощению шлака и «шариковому» эффекту округлых частиц. Смеси оставались стабильными, без видимой сегрегации тяжёлых частиц. Прочность при сжатии не только соответствовала проектным значениям, но часто улучшалась: на 28‑й день обычный бетон со шлаком был приблизительно до 8 процентов прочнее, чем контроль с только песком, а высокопрочный — до 6 процентов прочнее. Усадка за 60 дней находилась в том же узком диапазоне, что и у обычного бетона, а глубина карбонизации после ускорённого воздействия CO2 практически не менялась при всех уровнях замены шлаком.

Безопасность, долговечность и значение для стандартов

Для стандартных организаций и регуляторов экологическая безопасность часто является решающим барьером. В этом отношении цинковый шлак показал хорошие результаты. Тяжёлые металлы присутствовали лишь в следовых количествах, а испытания на выщелачивание в стандартизованных условиях обнаружили почти ничего в окружающей жидкости, за исключением небольших количеств бора, значительно ниже предельных значений. Шлак также показал пренебрежимо малую реактивность с щелочами цемента, что означает отсутствие риска медленных разрушающих деформаций, характерных для реактивных заполнителей. В совокупности эти результаты указывают, что с конструкционной и экологической точек зрения цинковый шлак ведёт себя аналогично другим металлургическим шлакам, уже включённым в строительные нормы.

Преобразование промышленных отходов в строительный ресурс

Для неспециалиста главный вывод прост: это исследование показывает, что цинковый шлак, обычно рассматриваемый как отход, может безопасно заменить речной песок в как повседневном, так и высокопрочном бетоне, не ослабляя конструкции и не сокращая срок службы. Во многих случаях смеси на основе шлака чуть прочнее и требуют меньше воды, при этом усадка, захваченный воздух и сопротивление CO2 остаются в допустимых пределах. Поскольку шлак проходит строгие испытания по содержанию тяжёлых металлов и их выщелачиваемости, он не представляет значительного риска загрязнения. Эти результаты предоставляют необходимые количественные данные для будущих обновлений строительных стандартов, потенциально превращая проблемный промышленный побочный продукт в обычный, более устойчивый компонент самого широко используемого в мире строительного материала.

Цитирование: Yoon, J.C., Shivaprasad, K.N., Min, T.B. et al. Towards standardisation of zinc slag as a sustainable fine aggregate substitute in concrete. Sci Rep 16, 5961 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36155-4

Ключевые слова: цинковый шлак, устойчивый бетон, замена песка, промышленные побочные продукты, строительные материалы