Механические характеристики структурного легкого бетона с агрегатом из металлургического угольного шлама

Превращение угольных отходов в строительные блоки

Современные города зависят от бетона, но производство и перевозка этих материалов накладывают серьёзную нагрузку на бюджеты и окружающую среду. В этом исследовании рассматривается необычная идея: использовать остатки металлургического угля — не как топливо, а в виде лёгкого заполнителя для бетона. Преобразуя угольный шлам в щебневые частицы, авторы задаются вопросом, можно ли построить более лёгкие и безопасные конструкции, сократив затраты и переработав промышленный отход, который в противном случае накапливается в огромных чёрных терриконоподобных кучах.

Почему важен более лёгкий бетон

Бетон по сути больше похож на камень, чем на клей: 60–80% его объёма составляют заполнители, такие как песок и гравий. Замена этих камней на более лёгкие материалы может значительно уменьшить «постоянную нагрузку» здания, что позволяет применять более тонкие колонны, меньшие фундаменты и меньше арматуры. Структурный лёгкий бетон используется со времён Рима и широко применяется в мостах, высотных зданиях и покрытиях больших пролётов. В последние годы инженеры испытывают различные промышленные отходы — шлак, пластиковые фракции, золу сельскохозяйственных культур — в качестве заменителя природного гравия. Отходы металлургического угля, образующиеся при добыче и переработке угля для производства стали, обильны, пористы и значительно легче обычной породы, что делает их перспективным кандидатом.

От угольного шлама к бетонным смесям

Исследовательская группа собрала металлургический угольный шлам в египетских карьерах и дробила его до крупного заполнителя. Были разработаны пять бетонных смесей, в которых угольный заполнитель заменял обычный гравий на 0%, 25%, 50%, 75% или 100% по массе. Все остальные ингредиенты — цемент, песок, вода, а также условия перемешивания и отверждения — оставались неизменными, чтобы варьировал только тип заполнителя. Перед приготовлением бетона измеряли плотность, водопоглощение и минеральный состав угольного заполнителя. Он оказался чрезвычайно лёгким — примерно с одной третью объёмной плотности обычного гравия — и гораздо более пористым, то есть сильнее впитывал воду и содержал много углеродистого материала.

Как показал себя новый бетон

Свежие бетонные смеси сначала проверяли на удобоукладываемость, практический показатель того, насколько легко смесь можно уложить и уплотнить на стройплощадке. По мере увеличения содержания угля осадка конуса — простой тест на текучесть — резко падала, что свидетельствовало о том, что пористые частицы угля впитывают воду и делают смесь более густой. После отверждения испытали затвердевший бетон на ключевые свойства: массу, прочность на сжатие (сопротивление раздавливанию), прочность на изгиб и жёсткость (модуль упругости). Как и ожидалось, с ростом доли угольного заполнителя бетон становился легче: единичный вес снизился примерно с 2168 до 1642 килограммов на кубический метр, что однозначно соответствует классификации как структурный лёгкий бетон. Но это снижение веса имело цену. Прочность на сжатие образцов уменьшилась с 37,6 мегапаскаля (МПа) при 0% угля до 20,7 МПа при 100% замене, а также снизилась прочность на изгиб. Внутренняя структура угольных частиц и слабая адгезия между ними и цементным тестом вносили больше мелких пустот и микрорасколов, что снижало несущую способность и жёсткость бетона.

Тепло, огонь и экономическая сторона

Поскольку здания должны выдерживать пожары, исследователи также подвергали образцы с 0%, 25% и 50% угля нагреву до 200 °C, 400 °C и 600 °C в течение двух часов, а затем измеряли оставшуюся прочность. Все смеси теряли прочность с ростом температуры — до примерно 40–43% при 600 °C — но по-прежнему оставались в пределах структурных требований безопасности. Это указывает на то, что, несмотря на пористость, углевой лёгкий бетон может выдерживать реалистичные сценарии пожара. Команда затем провела анализ затрат на примере небольшого здания с плитами, балками и колоннами, спроектированными по национальным нормам. Поскольку более лёгкие смеси уменьшают постоянную нагрузку, требуется меньше арматуры. Смесь с 75% угля сократила расход стали примерно на 12% и немного уменьшила общую стоимость бетона (примерно на 23 египетских фунта за кубический метр) по сравнению с обычным бетоном, при этом всё ещё удовлетворяя требованиям по прочности.

Что это значит для будущих зданий

Для неспециалистов главный вывод таков: отходы угольных карьеров — долгое время рассматривавшиеся как экологическая проблема — можно превратить в полезный строительный материал. При замене природного гравия на 25–75% бетон становится заметно легче, но остаётся достаточно прочным для многих конструктивных элементов многоэтажных зданий и показывает приемлемое поведение при высоких температурах. При полной 100%-й замене бетон очень лёгкий, но уже недостаточно прочный для основных несущих частей, поэтому он больше подходит для ненесущих элементов, таких как перегородки или изоляционные блоки. В целом исследование показывает, что грамотная разработка смесей с использованием металлургического угольного шлама может помочь сохранить природные каменные ресурсы, сократить потребности в стали и транспортировке и дать вторую жизнь промышленному побочному продукту — без ущерба безопасности при применении в подходящих частях конструкции.

Цитирование: Waleed, T., Rady, M., Mashhour, I.M. et al. Mechanical performance of structural lightweight concrete with metallurgical coal aggregates. Sci Rep 16, 7484 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37929-6

Ключевые слова: легкий бетон, переработка угольных отходов, устойчивое строительство, структурные характеристики, промышленные побочные продукты