Оценка долговечности и экранирующих свойств высокопрочного бетона с использованием доступных местных материалов и углеродных добавок

Бетон, который делает больше, чем просто держит здания

От небоскрёбов, наполненных электроникой, до мостов с множеством датчиков — современные конструкции требуют материалов, которые не только прочны, но и «умны». В этом исследовании рассматривается новый тип бетона, который одновременно способен нести крупные нагрузки и защищать чувствительное оборудование от посторонних электромагнитных волн — того же типа энергии, что используется в Wi‑Fi, радаре и мобильной связи. Тщательно регулируя состав местных песков и добавляя небольшие количества стали и углерода, исследователи стремились получить бетон, который был бы прочным, долговечным и мог ослаблять нежелательные сигналы — без опоры на дорогие импортные компоненты.

Почему важен прочный и «умный» бетон

Традиционный высокопрочный бетон позволяет инженерам строить выше и стройнее башни и прокладывать более длинные прогоны, упаковывая большую несущую способность в меньшие колонны и плиты. Отдельно «проводящий» бетон, который проводит электрический ток благодаря металлическим или углеродным добавкам, привлекает внимание для таких применений, как самообогреваемые покрытия, встроенное измерение деформаций и электромагнитное экранирование. Но сочетание этих двух свойств в одной смеси представляет проблему: ингредиенты, повышающие проводимость, могут ослаблять материал или делать его более склонным к растрескиванию с течением времени. Целью этого исследования было преодолеть этот разрыв и разработать проводящий высокопрочный бетон, который удовлетворял бы конструктивным требованиям и при этом добавлял полезные электрические свойства.

Формирование подходящей смеси с использованием местных песков

Команда начала с разработки нескольких составов высокопрочного бетона, использовав только мелкие компоненты — цемент, промышленные побочные материалы и два типа песка — исключив крупный щебень. Они варьировали долю «дюнного песка», очень тонкого местного песка, чтобы выяснить, как это влияет на прочность. Сравнивая распределение размеров зерен каждой смеси с математическими моделями упаковки, они обнаружили, что рецепт с относительно низкой долей дюнного песка образует наиболее плотную внутреннюю структуру. Эта смесь, названная в исследовании LDUNE, достигала прочности на сжатие примерно 100 мегапаскалей (примерно в три раза выше, чем у обычного конструкционного бетона) и также демонстрировала наивысшую прочность на изгиб. Проще говоря, умеренное количество пустынного песка помогало заполнять поры, но его избыток создавал дополнительные зазоры и ослаблял бетон.

Стальные волокна помогают, углеродные порошки вредят структуре

Когда лучшая базовая смесь была определена, исследователи подготовили три варианта: исходную LDUNE, версию с добавленными стальными волокнами и третий вариант, сочетающий стальные волокна с тонкими углеродными порошками. Тонкие стальные волокна действовали как маленькие арматурные стержни, разбросанные по материалу. Они слегка увеличивали уже высокую прочность на сжатие, повышали прочность на изгиб примерно на одну пятую и делали бетон более жёстким. Не менее важно, что они сокращали долгосрочную усадку и ползучесть — медленное затягивание и провисание, которое может привести к растрескиванию — примерно на четверть и на десятую соответственно. Напротив, при добавлении углеродных порошков вместе с волокнами общая прочность снижалась, а усадка и ползучесть увеличивались. Очень тонкие частицы углерода требовали больше воды для замеса и плохо сцеплялись с цементным камнем, создавая слабые участки, что нивелировало механические преимущества волокон.

Как новый бетон справляется с электромагнитными волнами

Электрические испытания были сосредоточены на том, насколько хорошо смеси проводят ток и блокируют радиочастотные сигналы. Бетон со стальными волокнами показал существенно более низкое сопротивление по сравнению с простым высокопрочным составом, образуя внутренние проводящие пути, которые взаимодействуют с проходящими волнами. Когда через тонкие панели посылали радиосигналы в гигагерцовом диапазоне, стально‑волоконные плиты значительно уменьшали выходную мощность по сравнению с обычным бетоном, приближаясь к характеристикам некоторых существующих экранирующих материалов. Удивительно, но добавление углеродного порошка поверх стальных волокон не привело к заметному дополнительному эффекту: панели с углеродом ослабляли сигналы примерно в той же степени, что и с одними только волокнами. В течение двухлетнего периода все смеси теряли часть экранирующей способности по мере того, как бетон продолжал твердееть и менялась внутренняя влажность, но гофрированные панели сохраняли лучшую долговременную эффективность по сравнению с плоскими.

Что это значит для будущих зданий и инфраструктуры

Проще говоря, исследование показывает, что возможно создать бетон, который одновременно очень прочен и достаточно эффективен для ослабления посторонних электромагнитных волн, просто оптимизировав местные пески и добавив нужное количество стальных волокон. Такой «двухфункциональный» бетон хорошо выдерживает нагрузки, противостоит долгосрочному растрескиванию и может помогать защищать устройства и помещения от электронного шума, без применения металлических облицовок или специализированных стеновых систем. Попытки дополнительно улучшить экранирование путём внесения углеродных порошков, однако, сопровождались компромиссами: они делали материал слабее и более склонным к долгосрочной деформации, при этом мало добавляя к способности блокировать сигналы. Для проектировщиков высотных зданий, «умной» инфраструктуры и объектов с высокой плотностью электроники высокопрочный бетон со стальными волокнами на основе местных материалов выглядит в этой работе как практичный, многофункциональный вариант.

Цитирование: Othman, O., Yehia, S., Qaddoumi, N. et al. Evaluation of the durability and shielding properties of high-strength concrete incorporating locally available materials and carbon additives. Sci Rep 16, 10167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37449-3

Ключевые слова: высокопрочный бетон, проводящий бетон, армирование стальными волокнами, электромагнитное экранирование, усадка и ползучесть