Влияние золы ила бумажного комбината на механические, микроструктурные и долговечные свойства геокрита на основе метакаолина

Превращая бумажные отходы в более прочный бетон

Современные города построены из бетона, однако традиционный цемент имеет высокую экологическую цену, выделяя большие объёмы углекислого газа при производстве. Одновременно бумажные комбинаты генерируют горы отходов, которые часто оказываются на свалках. В этом исследовании рассматривается способ решить обе проблемы одновременно: использование золы ила бумажного производства для создания нового вида низкоуглеродного бетона, названного «геокритом», который потенциально сможет заменить обычный цемент в зданиях и инфраструктуре.

Новый строительный компонент

Вместо цемента геокрит получают активацией минералов, богатых кремнезёмом и алюминием, сильнощелочным раствором, в результате чего образуется затвердевший материал, похожий на камень. В этой работе исследователи использовали метакаолин, очищенную глину, в качестве основного компонента и частично заменяли его золой ила бумажного комбината. Зола получается при высокотемпературном сжигании ила бумажной промышленности и содержит много кальция вместе с кремнезёмом и алюминием. Было подготовлено восемь различных смесей, в которых зола замещала от 5% до 20% метакаолина, и применялись два уровня щелочной жидкости, чтобы выяснить, как эти изменения влияют на прочность и долговечность при затвердевании при комнатной температуре.

Как показал себя испытательный бетон

Команда испытала бетон по трём ключевым видам механических характеристик: на прочность при сжатии, растяжении и изгибе. Эти свойства измерялись через 7, 28 и 90 дней выдержки. Во всех тестах смеси с 10% золы показали лучшие результаты. При обоих уровнях щелочного раствора эта смесь с 10% обеспечивала большую прочность на сжатие, растяжение и изгиб по сравнению со смесями без золы или с большим содержанием золы. При увеличении доли золы до 15% или 20% прочность начала резко падать, что указывает на существование явной «золотой середины», а не простого принципа «чем больше — тем лучше».

Взгляд внутрь материала

Чтобы понять, почему 10% золы оказались оптимальными, исследователи изучили затвердевший геокрит в сканирующем электронном микроскопе. В самых удачных смесях изображения показывали плотную, тесно упакованную внутреннюю структуру с небольшим числом видимых пор. Минералы прореагировали с образованием сцепляющихся гелевых фаз, которые связывают частицы между собой и заполняют пустоты. В смесях с избыточной золой внутренняя структура выглядела более пористой, с меньшим количеством этих связывающих гелей. Это указывает на нарушение химического баланса: избыток золы меняет соотношение ключевых элементов, так что не всё сырьё может прореагировать и войти в сетку, оставляя слабые зоны.

Устойчивость к воде и солям

Одной прочности недостаточно для долговечного строительного материала. Конструкции также должны противостоять воде и хлоридным солям, которые могут проникать в бетон и корродировать арматуру. Команда использовала стандартные тесты для оценки проницаемости хлорид-ионов через геокрит, а также измеряла водопоглощение и пористость. И снова смеси с 10% золы оказались лучшими. Они пропускали меньше электрического заряда в хлоридном тесте, поглощали меньше воды и показывали более низкую общую пористость по сравнению с другими смесями. Смеси с большим содержанием золы были более пористыми и водопроницаемыми, что делает их менее пригодными для долговременного строительства в суровых условиях.

Что это значит для будущего строительства

Проще говоря, исследование показывает, что замена 10% метакаолина золой ила бумажного комбината в геокрите может дать блоки, похожие на бетон, которые прочнее и долговечнее смесей без этой золы, одновременно снижая зависимость от традиционного цемента. Правильный баланс компонентов формирует плотную внутреннюю сеть, устойчивую к трещинам, воде и солевому воздействию. Поскольку материал можно затвердевать при комнатной температуре и он использует промышленный отход, это предлагает перспективный путь к более низкоуглеродному и ресурсосберегающему строительству при условии, что производство и обращение с материалом можно масштабировать безопасно и экономично.

Цитирование: Yuvaraj, K., Arunvivek, G.K., Kumar, P. et al. Influence of paper mill sludge ash on mechanical, microstructural and durability properties of metakaolin based geocrete. Sci Rep 16, 6109 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37581-0

Ключевые слова: геополимерный бетон, зола ила бумажного комбината, низкоуглеродное строительство, метакаолин, долговечность бетона