Экспериментальная и численная оценка механического поведения щелочно-активированного шлакового бетона с переработанным стеклом и деалюминированным метакаолином

Более экологичный бетон для растущего мира

Современные города строятся на бетоне, но традиционный цементный бетон оставляет большой углеродный след и требует огромных объемов сырья. В этом исследовании рассматривается новый тип «зеленого» бетона, в котором значительная часть обычного цемента и заполнителей заменена промышленными побочными продуктами и отходами — в том числе шлаком металлургии и мелко измельченным отходным стеклом. Показав, что такие смеси могут соответствовать или даже превосходить традиционный бетон, работа указывает путь к более прочным мостам и зданиям, которые при этом менее вредны для планеты.

Преобразование промышленных отходов в строительные материалы

Исследуемый бетон основан на щелочно-активированном шлаке — вяжущем, получаемом химической активацией молотого доменного шлака вместо использования портландцемента. Авторы частично заменили природный песок и шлак двумя промышленными побочными продуктами: порошком из переработанного стекла и деалюминированным метакаолином — остатком, богатым кремнеземом и глиноземом, от извлечения алюминия. Также были испытаны два типа крупного щебня — доломит и базальт — и в некоторые смеси добавили короткие стальные волокна. В общей сложности были разработаны несколько строго контролируемых рецептур, чтобы выяснить, как каждый ингредиент влияет на прочность, жесткость, трещинообразование и поведение под нагрузкой.

От лабораторных образцов к измеренной прочности

Для оценки характеристик команда отливала и выдерживала бетонные кубы, цилиндры и балки при обычной комнатной температуре, избегая энергоемкого термообработки. Измеряли прочность на сжатие (насколько бетон выдерживает сжатие), распределительную прочность на растяжение (поведение при косвенном растяжении), прочность при изгибе и жесткость. Во всех испытаниях смеси с более твердым базальтовым щебнем показали лучшие результаты по сравнению с доломитовым. При добавлении порошка отходного стекла или деалюминированного метакаолина бетон становился более плотным и прочным. Явным лидером оказалась смесь, объединяющая базальт, 10% деалюминированного метакаолина (взамен части шлака) и 1% стальных волокон: она продемонстрировала наивысшие показатели прочности на сжатие, растяжение и изгиб, а также наибольшую жесткость.

Взгляд внутрь «скелета» бетона

Чтобы выяснить, почему некоторые смеси работали лучше, исследователи изучили тонкие срезы бетона в растровом электронном микроскопе и применили химические зонды для картирования распределения ключевых элементов. Менее удачные смеси имели пористую, неоднородную внутреннюю структуру с слабыми зонами контакта между зернами щебня и пастой. Напротив, лучшие смеси обладали плотно упакованной, равномерной сетью продуктов реакции, связывающих все элементы, особенно вокруг базальтового заполнителя и стальных волокон. Деалюминированный метакаолин способствовал образованию плотного, взаимопереплетенного геля, заполняющего микропустоты, а стальные волокна пересекали зарождающиеся трещины, не давая им внезапно раскрыться. Такая улучшенная микроструктура объясняет скачок в прочности, вязкости и сопротивлении трещинообразованию.

Моделирование балок до их построения

Помимо испытаний небольших образцов, исследование использовало продвинутые конечно-элементные расчеты, чтобы предсказать поведение полноразмерных армированных бетонных балок из различных смесей при изгибе. Авторы калибровали модель разрушения в программном пакете ABAQUS так, чтобы ее кривые «напряжение–деформация» соответствовали лабораторным данным. После настройки модель точно воспроизводила предельные нагрузки и картину трещинообразования для кубов, цилиндров и призм. Затем был проведен виртуальный параметрический анализ армированных балок. Балки из базальтовых и оптимизированных смесей на основе отходов несли значительно большие нагрузки, прогибались меньше в пиковой точке и демонстрировали более постепенное, пластичное развитие трещин. Смесь с 10% деалюминированного метакаолина и 1% стальных волокон увеличивала несущую способность примерно на 46% и уменьшала прогиб в середине пролета примерно на одну пятую по сравнению с базовой смесью, без изменения армирования сталью.

Что это значит для будущих сооружений

Для неспециалистов вывод прост: возможно спроектировать бетон, который одновременно прочнее и экологичнее, превращая промышленные отходы — шлак, отработанное стекло и деалюминированные глины — в высокоэффективные компоненты, особенно в сочетании со стальными волокнами и прочным заполнителем. Исследование показывает, что такие «зеленые» бетоны можно надежно испытать, понять на микроскопическом уровне и уверенно смоделировать в компьютере, что дает инженерам практические инструменты для проектирования более безопасных и эффективных балок и других конструктивных элементов. В долгосрочной перспективе этот подход может помочь снизить экологическую нагрузку строительства, сохраняя при этом долговечность дорог, мостов и зданий.

Цитирование: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

Ключевые слова: устойчивый бетон, отработанное стекло, геополимер, армирование стальными волокнами, численное моделирование