Синергетический эффект каучуковой муки и наносилики на поровую структуру и морозостойкость бетона

Почему трескающийся бетон в холодных горах важен

Во многих высокогорных районах бетонные плотины, переливы и гидроэлектростанции испытывают сотни циклов замораживания–оттаивания в год. Вода проникает в микропоры бетона, замерзает, расширяется и постепенно разрушает материал. Инженеры обычно защищают такие сооружения, вводя в смесь добавки, формирующие защитные воздушные пузыри, но при низком атмосферном давлении на больших высотах эти добавки работают хуже. В этом исследовании рассматривается другой подход: использование тонко измельчённой резины из утилизированных шин в сочетании с ультратонкой порошковой кремнезёмной добавкой для перестройки внутреннего «пространства дыхания» бетона, чтобы он лучше выдерживал экстремальные холода.

Преобразование старых шин в крошечные амортизаторы

Исследователи сосредоточились на том, как дать замерзающей воде место для расширения, не разрывая бетон. Вместо того чтобы полагаться только на традиционные воздушные пузырьки, они внесли в смесь очень мелкую резиновую муку из списанных шин. В затвердевшем бетоне эти частицы резины ведут себя как крошечные гибкие «карманы» — «твёрдые поры», которые фактически функционируют как пустоты. Они почти не несут нагрузку, но способны деформироваться и освобождать место при росте льда. Испытания показали, что с увеличением доли резиновой муки общая пористость резко возрастала, подобно эффекту от специальных воздухововлекающих добавок. Важно, что такие твёрдые поры способствовали более плотному расположению пузырьков, что снижает напряжения, возникающие при замерзании воды в порах.

Тонкая настройка с помощью наночастиц кремнезёма

Резина сама по себе имеет недостатки: она может снижать прочность бетона и образовывать крупные вредные полости. Чтобы компенсировать это, команда добавила наносилику — чрезвычайно мелкие частицы диоксида кремния. Эти частицы взаимодействуют с цементом и заполняют пустоты в затвердевшем камне, особенно крупные поры, ослабляющие бетон. При сочетании наносилики с резиновой мукой число больших пор уменьшалось, а структура сдвигалась в сторону множества мелких, равномерно распределённых пустот. Общая воздушность возвращалась ближе к уровню обычного бетона, но большая доля оставшихся пустот приходилась на полезные твёрдые поры вокруг резиновых зерен, а не на хрупкие воздушные пузырьки.

Испытание нового бетона циклами замораживания–оттаивания

Чтобы проверить поведение модифицированного бетона в суровых условиях, исследователи многократно замораживали и оттаивали кубические образцы, одновременно измеряя их прочность и внутреннюю поровую структуру. Обычный бетон терял большую часть прочности уже после нескольких десятков циклов, поскольку поры увеличивались, а трещины распространялись. Напротив, бетон с сочетанием резиновой муки и наносилики сохранял около четырёх пятых исходной прочности даже после сотни циклов. Микроскопические изображения показали, что твёрдые поры на основе резины и уплотнённая цементная матрица вокруг них помогали поглощать и распределять напряжения от образования льда, замедляя рост трещин и стабилизируя общую поровую сеть.

Как внутреннее устройство пор меняется со временем

Детальные измерения показали, что в стандартном бетоне многие из самых мелких пор постепенно перерастают в более крупные по мере прогрессирования циклов замораживания–оттаивания, что облегчает проникновение воды и разрушение материала льдом. В смесях с резиной и наносиликой эта трансформация была значительно слабее: доля мелких пор уменьшалась примерно вдвое меньшим образом, чем в контрольном образце, а увеличение числа крупных опасных пор составляло лишь малую часть от случая без добавок. Расстояния между порами также изменялись меньше, поэтому у воды было меньше непрерывных путей для перемещения и повторного замерзания. По сути, разумное сочетание твёрдых пор и уплотнённой пасты создавало более устойчивый внутренний ландшафт, сопротивляющийся долгосрочному разрушению.

Что это значит для сооружений в холодных регионах

Для неспециалистов вывод прост: заменив часть песка на резиновую муку из утилизированных покрышек и добавив небольшое количество наносилики, инженеры могут получить бетон, который теряет лишь немного прочности, но значительно выигрывает в долговечности в условиях замерзающего климата. Резина создаёт гибкие «карманы», снижающие давление расширяющегося льда, а наносилика уплотняет структуру, ограничивая образование вредных крупных пустот. Поскольку резину можно получать из местных списанных шин, а наносилику вводят в небольших дозах, этот метод практичен и экологичен для удалённых высокогорных проектов. Исследование демонстрирует перспективный путь к повышению безопасности и долговечности критической бетонной инфраструктуры в самых суровых зимних условиях.

Цитирование: Feng, LY., Cao, HL., Shi, XW. et al. Synergistic effect of rubber powder and nano-silica on pore structure and frost resistance of concrete. Sci Rep 16, 11857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36480-8

Ключевые слова: морозостойкий бетон, резиновый бетон, нано­диоксид кремния, стойкость к циклам замораживания–оттаивания, утилизация шин