Использование кварцевой пыли карьеров как устойчивой частичной замены песка в цементном растворе

Преобразование каменной пыли в строительный ресурс

Современные города зависят от песка. Он является ключевым компонентом в бетоне и растворе, которые связывают вместе наши здания, мосты и дороги. Однако мир сталкивается с дефицитом песка, а добыча его из рек разрушает экосистемы. В этом исследовании рассматривается привлекательная идея: можно ли превратить кварцевую карьерную пыль — тонкий порошок, обычно считающийся промышленным отходом — в полезный компонент, заменяющий часть песка в обычном цементном растворе?

От отвала отходов к полезному материалу

Кварцевая карьерная пыль образуется при дроблении и раскрое пород, богатых кварцем. Вместо того чтобы вывозить её на свалку, пыль может стать сырьём. Исследователи собрали природный речной песок и кварцевую пыль из карьеров Танзании и тщательно измерили их размеры, форму и химический состав. Испытания подтвердили, что пыль почти чистый кварц (примерно 99,6% диоксида кремния), с очень небольшим количеством примесей и без реакционно-активных минералов, которые могли бы вызвать растрескивание или разбухание раствора в дальнейшем. Под электронным микроскопом частицы пыли выглядели острыми, угловатыми и шершавыми — совсем не такие, как более гладкие зерна речного песка. Эти грубые края, хотя и требуют большего расхода воды при смешивании, помогают частицам плотнее сцепляться с цементной пастой.

Проектирование более прочного и экологичного раствора

Чтобы выяснить, сколько карьерной пыли можно использовать без потери свойств, команда приготовила серию растворов. Во всех смесях содержалось одинаковое количество цемента и воды, но песок постепенно заменяли кварцевой пылью в пропорциях 0%, 5%, 10%, 15% и 20% по массе. Смеси заливали в небольшие кубики и выдерживали в воде до 28 дней, затем проверяли удобоукладываемость в свежем состоянии, плотность в затвердевшем состоянии, водопоглощение и прочность на сжатие. Микроскопические снимки затвердевшего раствора помогли связать изменения на мелком масштабе с видимым поведением материала.

Поиск оптимума

С увеличением доли пыли свежий раствор заметно уплотнялся: осадка конуса, стандартная мера текучести, снизилась примерно с 74 миллиметров без пыли до около 56 миллиметров при 20% пыли. Однако при замещении до 15% смесь по-прежнему оставалась пригодной для работы. Настоящим открытием оказались прочность и долговечность. При 10% замене песка карьерной пылью 28‑сутовая прочность на сжатие выросла с 10,8 мегапаскалей в контрольной смеси до 18,5 мегапаскалей — примерно на 70%, что находится в пределах, характерных для типичных конструкционных растворов. Водопоглощение, показатель пористости и уязвимости материала, снизилось с 6,4% до 5,7% при той же 10% доле. При долях выше 10% эффект стал ослабевать: большее содержание пыли начало создавать дополнительные пустоты и нарушать плотный контакт цемента с песком, что вызывало небольшое снижение прочности и рост водопоглощения.

Что происходит внутри смеси

Микроскопические изображения затвердевшего раствора показали, почему 10% карьерной пыли работают так эффективно. В обычной смеси с только речным песком структура содержала больше пустот и более рыхлую сеть затвердевшего цемента. При добавлении умеренного количества кварцевой пыли её тонкие, угловатые зерна вклинивались между частицами песка, заполняя зазоры и способствуя образованию более непрерывной, камнеподобной сети цементных продуктов. При примерно 10% замене внутренняя структура выглядела наиболее плотной и однородной, с меньшим количеством видимых пор и лучшим контактом между частицами. При ещё большем количестве пыли острые зерна начали слёпываться и не были полностью покрыты пастой, что приводило к слабым местам и разбросанным пустотам, сводящим на нет достигнутые преимущества.

Что это значит для повседневного строительства

Для неспециалиста вывод прост: небольшая доля карьерной пыли — примерно одна десятая часть песка в стандартной смеси — может сделать раствор прочнее и чуть менее водопоглощающим, одновременно перерабатывая отход и снижая нагрузку на запасы речного песка. При значительном превышении этой дозы смесь становится менее удобной в работе и приносит уменьшающийся эффект. Хотя требуются длительные полевые испытания и исследования долговечности, это исследование показывает практический путь превращения пыли-отхода в надежный компонент для более экологичного и ресурсосберегающего строительства.

Цитирование: Ngayakamo, B.H., Ikotun, B.D. Utilization of quartz quarry dust as a sustainable partial sand replacement in cement mortar. Sci Rep 16, 7031 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37993-y

Ключевые слова: устойчивое строительство, цементный раствор, карьерная пыль, замена песка, кварц