Соотношение LS/CS и зависимость свойств в гибридных цементах, активированных DG

Преобразование промышленных отходов в более прочный и экологичный цемент

Гигантские массы отходов от металлургических предприятий — материалы вроде литиевого и медного шлака — накапливаются по всему миру, угрожая почвам, водным ресурсам и качеству воздуха. В этом исследовании рассматривается способ превращения этих проблемных побочных продуктов в полезные компоненты для цемента, что позволяет сократить объёмы отходов и снизить экологический след строительства без потери прочности. Тонкая настройка соотношения различных шлаков и «мягкое» их активация лёгким добавком показывает, что бетон может быть одновременно более зелёным и достаточно прочным для практического применения.

Почему эти отходы становятся всё более серьёзной проблемой

Производство лития для аккумуляторов и меди для проводки порождает огромные объёмы шлака на каждую тонну извлекаемого металла. Литиевый шлак богат кремнезёмом и глинозёмом, тогда как медный шлак содержит много железа и кремнезёма, но очень мало извести. По отдельности эти материалы реагируют в цементе медленно и трудно используются эффективно. Одновременно обычный портландцемент, основа современного строительства, ответственен за значительную долю промышленных выбросов углерода. Поиск способа ввода этих шлаков в цемент и их активации без агрессивных химикатов может снять экологическое давление и на металлообрабатывающую, и на цементную отрасли.

Мягкий стимул вместо агрессивных химикатов

Исследователи разработали гибридный вяжущий материал, в котором 30 процентов цемента заменено смесью литиевого и медного шлаков, а небольшая доза десульфуризованной гипса — побочного продукта очистки дымовых газов ТЭС — выполняет роль слабого активатора. Вместо применения сильных щёлочей, которые могут быть коррозионными и дорогостоящими, они полагаются на эту низкощелочную, сульфатно‑обогащённую среду, чтобы стимулировать реакцию шлаковых порошков. Литиевый шлак очень тонко измельчают методом мокого шарового помола, получая крошечные частицы, которые могут служить зародышами для роста новых кристаллов. Медный шлак, с более крупными и угловатыми зернами, помогает заполнять пространство и вносит железосодержащие компоненты, которые затем присоединяются к формирующейся прочной структуре.

Поиск оптимального соотношения в смеси

Чтобы выяснить, как изменения рецепта влияют на свойства, исследователи приготовили несколько паст и растворов с разными соотношениями литиевого и медного шлаков при одинаковом общем уровне замены цемента. Они измеряли удобоукладываемость свежих смесей, прочность через 3, 7 и 28 дней, а также какие типы кристаллов и гелей образуются внутри. Для изучения внутренней структуры и поровой системы применяли рентгеновскую дифракцию, инфракрасную спектроскопию, электронную микроскопию и испытания методом проникновения ртути. Особенно выделилась одна смесь — содержащая 20 процентов медного шлака и 10 процентов литиевого шлака. После 28 дней её прочность на сжатие достигла более 95 процентов от обычного цемента, а прочность на изгиб оказалась заметно выше, чем у смесей с одним лишь шлаком.

Как шлаки взаимодействуют

Данные показывают, что литиевый и медный шлаки при совместном использовании дают эффект, превышающий суммарный вклад каждого по отдельности. Литиевый шлак поглощает гидроксид кальция — побочный продукт гидратации цемента — и тем самым способствует образованию дополнительных связывающих гелей, богатых кремнезёмом и глинозёмом. Эти гели также стимулируют дальнейшую реакцию минералов в медном шлаке, включая содержащие железо фазы, которые постепенно разрушаются и включаются в упрочняющуюся сеть. Одновременно различие в размерах частиц цемента, тонкого литиевого шлака и более крупного медного шлака обеспечивает более плотную упаковку с меньшим количеством пустот. Измерения пор показывают, что оптимизированная смесь смещает распределение в сторону более мелких, менее вредных пор и более плотной, сложной микроструктуры, что тесно связано с улучшением прочности и долговечности.

Что это значит для будущих зданий

Проще говоря, исследование показывает, что тщательно сбалансированные смеси литиевого и медного шлаков, мягко активированные десульфуризованным гипсом, могут заменить значительную долю традиционного цемента и при этом давать прочные, плотные строительные материалы. Лучшая смесь почти сопоставима со стандартным цементом по прочности, улучшает внутреннюю плотность и превращает проблемные промышленные отходы в ресурс. Хотя остаются вопросы о долгосрочном поведении и устойчивости в суровых условиях, эта работа указывает на практический путь к более устойчивому бетону, который разумнее использует то, что индустрия сейчас выбрасывает.

Цитирование: Xiang, B., Zhang, Z., Yang, G. et al. The LS/CS ratio-performance relationship in DG-activated hybrid cements. Sci Rep 16, 8865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38577-6

Ключевые слова: зелёный цемент, переработка промышленных отходов, шлак лития, медный шлак, устойчивый бетон