Оценка наностекла как частичной замены цемента по свежим, механическим, долговечностным, тепловым и микроструктурным свойствам цементного теста

Превращение стекольного мусора в более прочные здания

Ежедневно миллионы стеклянных бутылок выбрасываются, в то время как производство цемента, который скрепляет наши здания, выделяет огромные объёмы углекислого газа. В этом исследовании рассматривается простая, но мощная идея: измельчить стекло‑отходы до ультратонкого «нано» порошка и добавить его в цементное тесто, связующее в бетоне. Авторы спрашивают, может ли такое переработанное наностекло сделать строительные материалы прочнее, долговечнее и лучше сохраняющими тепло — при одновременном сокращении расхода цемента и пользе для окружающей среды.

Почему отходы стекла и цемент нужны друг другу

Производство цемента энергозатратно и отвечает за значительную долю мировых выбросов углекислого газа. В то же время отходы стекла накапливаются на свалках по всему миру, поскольку стекло не разлагается естественным путём. Однако стекло богато теми же основными ингредиентами, которые участвуют в твердении цемента. При измельчении до чрезвычайно тонких частиц оно может вступать в реакцию с цементом полезным образом, а не просто выступать инертным заполнителем. Это делает наностекло перспективным материалом: оно может уменьшить количество необходимого цемента в строительстве и дать вторую жизнь упрямому виду отходов.

Как испытывали смеси с наностеклом

Команда приготовила серию цементных тестов, в которых от 0 до 50 процентов цемента было заменено нано‑стеклянным порошком. Водное содержание сохраняли неизменным и измеряли удобоукладываемость смесей в свежем состоянии, затем испытывали затвердевшие образцы на прочность при сжатии и изгибе, устойчивость к кислотному воздействию, поведение после воздействия огня, теплопроводность, водопоглощение и усадку при высыхании. Чтобы увидеть, что происходило внутри на микроскопическом уровне, использовали рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию для изучения того, как наностекло изменяло мелкие кристаллы и поры в затвердевшем тесте.

Прочность, долговечность и тепло: поиск золотой середины

Результаты показали, что умеренная доза наностекла может улучшить характеристики, но в избытке оно становится вредным. С увеличением доли наностекла свежие смеси теряли текучесть и были труднее в обработке, поскольку крошечные частицы требовали больше воды. В затвердевшем состоянии прочность при сжатии была максимальной примерно при 10-процентной замене, тогда как прочность при изгибе достигала максимума около 15 процентов. При долях свыше примерно 15–20 процентов прочность снижалась, поскольку оставалось недостаточно цемента для формирования прочного непрерывного каркаса. Долговечность показывала похожую картину: на низких и умеренных уровнях наностекло помогало пасте сопротивляться кислотному воздействию, сохранять больше прочности после пожара и меньше давать усадку при высыхании.

Поры, трещины и скрытая внутренняя структура

Во внутренней структуре материал действовал двумя основными способами. Во‑первых, очень тонкие частицы заполняли мельчайшие пустоты, уплотняя микроструктуру. Во‑вторых, они реагировали с побочными продуктами гидратации цемента, образуя дополнительный связующий гель, который ещё плотнее сплётывал внутреннюю сеть. Измерения показали, что особенно при долях выше примерно 20 процентов объём связанных пор и способность воды впитываться резко снижались, а тепло проводилось медленнее через материал — что является преимуществом для изоляции. Однако при очень больших заменах общая плотность и прочность падали, и смеси становились склонны к растрескиванию или разрушению в ходе ранней усадки.

Что это значит для более экологичного строительства

Для неспециалиста вывод прост: мелкоизмельчённое стекло‑отходы могут безопасно заменять часть цемента и действительно улучшать многие свойства получаемого материала, если его использовать умеренно. В этом исследовании применение наностекла в объёме примерно 10–20 процентов от содержания цемента давало наилучший баланс — прочность не хуже или выше, лучшая долговечность и пониженная теплопроводность при одновременном снижении потребления цемента. Выше этого диапазона преимущества исчезают, а проблемы нарастают. Работа показывает, что при корректной дозировке и проектировании смеси наностекло может помочь превратить проблемный отход в полезный компонент для более прочных, энергоэффективных и устойчивых зданий.

Цитирование: Ali, S.M., Mohammed, S.A., Juma, A.A. et al. Evaluation of nano glass as a partial cement replacement on the fresh mechanical durability thermal and microstructural properties of cement paste. Sci Rep 16, 6280 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37244-0

Ключевые слова: отходы стекла, замена цемента, наноматериалы, долговечный бетон, тепловая изоляция