Инженерные характеристики геополимерного бетона на основе аграрных остатков с армированием волокном

Преобразование сельскохозяйственных отходов в более прочные здания

Бетон — самый широко используемый человеком материал в мире, но производство его главного компонента — портландцемента — сопровождается большими выбросами углекислого газа. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: можно ли превратить отходы с ферм и животноводства в более чистый тип бетона, который при этом будет сохранять безопасность и долговечность зданий? Смешивая золы сахарного тростника, рисовой шелухи и коровьего навоза с тонкими каменными волокнами, авторы показывают, как вчерашние отходы могут стать низкоуглеродными строительными материалами завтрашнего дня.

От полей и хлева к строительным площадкам

Команда сосредоточилась на связующем типе, называемом «геополимером», который можно получить путем активации материалов, богатых кремнием и алюминием, вместо использования цемента. В качестве основных компонентов использовали три сельскохозяйческих побочных продукта: золу от тростниковой жомовой массы на сахарных заводах, золу рисовой шелухи при переработке зерна и золу коровьего навоза из сельской местности. Эти порошки тщательно сжигали, сушили и просеивали, затем смешивали в фиксированном соотношении 40:30:30. Чтобы получить смесь, похожую на обычный бетон, добавляли песок и щебень, а также химический раствор на основе гидроксида натрия и силикат натрия. Наконец, в смесь вводили короткие базальтовые волокна — нити из расплавленной вулканической породы — в разных дозировках, чтобы выяснить, насколько волокно улучшает или ухудшает свойства.

Как испытывали новый бетон

Чтобы оценить, насколько пригоден этот бетон из сельскохозяйственных отходов, исследователи изготовили образцы и подвергли их различным испытаниям. Свежие замесы проверяли на удобоукладываемость стандартным тестом на осадку — по сути, определяли, насколько легко влажная смесь течет и укладывается в формы. Затвердевшие образцы испытывали на прочность при сжатии (насколько большую нагрузку на сжатие они выдерживают), на прочность при изгибе (поведение при изгибе) и на разделительную растягивающую прочность (как они сопротивляются разрыву). Долговечность оценивали путем выдерживания образцов в кислоте, измерения водопоглощения и проведения ускоренного хлоридного испытания, показывающего, насколько легко соли проникают в бетон — ключевая проблема для мостов и прибрежных сооружений. Эти испытания проводили на разных возрастах образцов — вплоть до 180 дней — чтобы проследить изменение характеристик со временем.

Оптимальная доля каменных волокон

Результаты показали явную «зону оптимума» для базальтовых волокон. Небольшое количество волокна делало бетон прочнее и плотнее, но избыток вызывал проблемы. Без волокон бетон уже достигал примерно 50 мегапаскаль прочности при сжатии через 180 дней — достаточно для многих конструктивных применений. При добавке 1% базальтового волокна (по массе вяжущего) прочность возрастала примерно до 62 мегапаскалей, с сопоставимым увеличением прочности при изгибе и растяжении примерно на 30%. При такой дозировке внутренние волокна действуют как крошечные мостики через микрорастрескивания, помогая материалу нести большую нагрузку и лучше сопротивляться повреждениям. Однако при более высоких содержаниях волокна удобоукладываемость резко падала, смесь становилась труднее уплотнять, волокна сбивались в пучки, и образовывались дополнительные пустоты. Эти дефекты снижали прочность вместо её повышения.

Борьба с водой, солями и агрессивными химикатами

Испытания на долговечность дали похожую картину. Смесь без волокон поглощала около 8% воды и теряла значительную часть массы при выдерживании в концентрированном кислотном растворе в течение 12 недель. При содержании волокна 1% водопоглощение снизилось примерно до 5%, потери массы под действием кислоты упали с примерно 38% в худшей смеси до около 6%, а электрический заряд, прошедший в хлоридном тесте, уменьшился с 3100 до 1600 кулонов — что переводит материал из категории «умеренная» в «низкую» проницаемость для солей. Иными словами, оптимально армированный бетон не только лучше воспринимал нагрузки, но и образовывал более плотную внутреннюю структуру, которая эффективнее блокировала воду и химические вещества. Статистический анализ подтвердил, что зависимость между содержанием волокна и показателями носит параболический характер: свойства улучшались до примерно 1% волокна, а затем снижались при добавлении волокон выше примерно 1,5%.

Что это значит для более экологичного строительства

Для неспециалиста вывод прост: исследование показывает, что возможно получить прочный и долговечный материал, похожий на бетон, из отходов сахарного тростника, риса и животноводства, сокращая при этом зависимость от обычного цемента. При добавке около 1% базальтового волокна материал не только лучше выдерживает нагрузки, но и более устойчив к воде, дорожным солям и агрессивным химикатам — ключевым факторам, угрожающим долговечности. Превышение этой дозы обращает преимущества в недостатки. Работа указывает на перспективу, при которой сельскохозяйственные и агропромышленные потоки отходов могут преобразовываться в надежные строительные блоки, помогая снижать выбросы углерода, уменьшать захоронение отходов и создавать более циркулярные, климатически благоприятные строительные системы.

Цитирование: Ravish, G., Abbass, M. Engineering characteristics of agro-residue–based geopolymer concrete with fibre reinforcement. Sci Rep 16, 5585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36190-1

Ключевые слова: геополимерный бетон, сельскохозяйственные отходы, базальтовое волокно, низкоуглеродное строительство, долговечность бетона