Механические свойства и долговечность бетона с цеолитом и порошком из керамических отходов: экспериментальное исследование и анализ методом машинного обучения

Превращая сломанные плитки в более прочный бетон

Бетон повсюду: в наших домах, на мостах и городских улицах. Но производство цемента — связующего, удерживающего бетон — требует много энергии и является значительным источником двуокиси углерода. В то же время горы битой керамической плитки со стройплощадок и демонтажей оказываются на свалках. Это исследование предлагает способ одновременно решить обе проблемы — частично заменить цемент природными вулканическими минералами и мелкоизмельчённым порошком из керамических отходов, а затем использовать машинное обучение для прогнозирования свойств такого более «зелёного» бетона.

Почему стоит пересмотреть состав бетона?

Цемент — самая дорогая и экологически вредная составляющая бетона. Его производство сжигает большие объёмы топлива и выделяет CO₂. Одновременно керамическая промышленность генерирует миллионы тонн отходов ежегодно, которые трудно переработать традиционными методами. Авторы исследования изучали два перспективных заменителя, которые могут частично заменить цемент: природный цеолит, реакционноспособный вулканический минерал, и порошок из керамических отходов, получаемый из выброшенной плитки. Оба материала богаты диоксидом кремния и оксидом алюминия, которые могут реагировать с побочными продуктами гидратации цемента, образуя дополнительный связывающий гель; это потенциально повышает прочность бетона и уменьшает его проницаемость для воды и солей.

Проектирование и испытания новых составов

Команда приготовила тринадцать различных рецептур бетона. Они сохраняли одинаковое содержание воды, песка и щебня, но систематически заменяли часть цемента цеолитом (5 %, 10 % или 15 %) и керамическим порошком (0 %, 10 %, 20 % или 30 %). Для каждой смеси отливали стандартные образцы и выдерживали их в воде до 91 дня. Затем измеряли ключевые свойства, важные для реальных конструкций: прочность на сжатие (насколько нагрузку бетон выдерживает при дроблении), прочность при растяжении и изгибе (насколько он противостоит растрескиванию и изгибу), водопоглощение и способность ионов хлора — например, от дорожной соли или морской воды — проникать внутрь. Сопротивление проникновению хлоридов оценивали стандартным быстрым тестом, который измеряет электрический заряд, проходящий через срез бетона в течение шести часов.

Бетон прочнее, меньше пропускает и долговечнее

Эксперименты показали, что смеси цеолита и керамического порошка могут превзойти обычный бетон при правильно подобранных соотношениях. Смесь с 15 % цеолита и 10 % керамического порошка показала наилучшие общие механические характеристики, увеличив прочность на сжатие, на растяжение и на изгиб на всех стадиях испытаний по сравнению с контрольной смесью. При этом такой гибридный бетон впитывал значительно меньше воды — примерно до трёх четвертей меньше через 91 день — что означает, что внутренняя пористая сеть стала значительно плотнее. Для защиты от коррозионно-активных солей ещё более агрессивная замена (15 % цеолита и 30 % керамического порошка) дала впечатляющий результат: измеренный электрический заряд, связанный с проникновением хлоридов, снизился примерно с 3200 кулонов в контрольном бетоне до примерно 425 кулонов, переводя материал в категорию «очень низкой» проницаемости, принятую инженерами.

Что происходит внутри бетона

Микроскопическая химия объясняет эти улучшения. И цеолит, и керамический порошок содержат тонко дисперсный, аморфный диоксид кремния и оксид алюминия. В увлажнённом бетоне они реагируют с гидроксидом кальция — относительно слабым и растворимым побочным продуктом гидратации цемента. В результате образуются дополнительные фазы типа кальций‑силикат‑гидрата и сопутствующие гели — тот самый «клей», который придаёт бетону прочность. Эти гели заполняют и уточняют поровую систему, уплотняют контактную зону между цементным пастом и щебнем и уменьшают количество путей, по которым могут перемещаться вода и ионы хлора. По сути, частицы керамического порошка выступают одновременно и как микрозаполнитель, и как реакционноспособный компонент, тогда как цеолит обеспечивает высокоактивные поверхности, ускоряющие химические реакции.

Доверьте компьютерам прогнозирование свойств бетона

Чтобы уйти от проб и ошибок в лаборатории, исследователи обучили несколько моделей машинного обучения на своих экспериментальных данных. Модели принимали на вход время выдержки и проценты цеолита и керамического порошка, и обучались предсказывать прочность на сжатие. Среди протестированных подходов алгоритм XGBoost — разновидность бустинг‑дерева решений — дал самые точные прогнозы, показав высокую степень согласия между предсказанными и измеренными значениями прочности. Это указывает на то, что такие модели, обученные на относительно небольшом экспериментальном наборе данных, могут помочь инженерам быстро исследовать множество возможных комбинаций природных и отходных добавок, отбирая наиболее перспективные смеси до отливки образцов.

Что это значит для повседневных конструкций

Для неспециалиста итог прост: исследование указывает на практичную рецептуру для более экологичного и долговечного бетона. Замещая значительную долю цемента природным цеолитом и мелкоизмельчённой керамической плиткой, можно сократить потребление цемента, переработать промышленный побочный продукт и одновременно получить бетон, который меньше трескается, значительно хуже впитывает воду и гораздо более устойчив к воздействию солей. В сочетании с инструментами машинного обучения для дальнейшей оптимизации составов этот подход предлагает путь к созданию дорог, мостов и прибрежных сооружений, которые будут более устойчивыми и долговечными в течение срока службы.

Цитирование: Nasr, D., Babagoli, R. & Bidabadi, P.S. Mechanical properties and durability of concrete with zeolite and waste ceramic powder through experimental investigation and machine learning analysis. Sci Rep 16, 7413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38184-5

Ключевые слова: устойчивый бетон, керамические отходы, цеолит, долговечность, машинное обучение