Влияние содержания CaO в летучей золе класса C на деформационные свойства полнотелого бетона

Превращение отходов ТЭЦ в более прочные плотины

Современные плотины и другие массивные бетонные сооружения требуют огромных объёмов материалов. В то же время угольные электростанции производят горы летучей золы — тонкого серого порошка, обычно рассматриваемого как отход. В этом исследовании изучается, можно ли богатую кальцием форму летучей золы безопасно использовать в качестве частичной замены цемента в бетоне для крупных плотин: чтобы снизить затраты, уменьшить воздействие на окружающую среду и при этом сохранить устойчивость конструкций к растрескиванию в течение десятилетий эксплуатации.

Почему эта зола важна для крупных бетонных конструкций

Летучая зола образуется при сгорании угля, когда минеральные частицы сплавляются в крошечные стекловидные сферы. Инженеры уже используют один распространённый тип, известный как летучая зола класса F, чтобы улучшать бетон и сокращать расход цемента. Однако в некоторых регионах Китая, например в Синьцзяне, доступная зола богата кальцием. Такая летучая зола класса C ведёт себя иначе: повышенное содержание кальция может усилить её реакцию с цементом, но также скрывать нестабильные формы нитрида (извести), которые со временем могут вызвать разбухание или растрескивание бетона. Чтобы эффективно использовать этот местный ресурс в крупных проектах плотин, необходимо детально понять его влияние на удлинение, усадку и стабильность бетона.

Как команда испытывала бетон

Исследователи собрали летучую золу с нескольких электростанций с содержанием оксида кальция (CaO) от очень низкого до примерно 16,5 процента, а также оценивали долю этого кальция, находящуюся в особенно реакционноспособной «свободной» форме. Эти золы смешивали с двумя типами плотинного бетона: с заполнителем из четырёх фракций и с заполнителем из трёх фракций. Такие полнотелые смеси разработаны, чтобы плотно упаковать крупные и мелкие частицы заполнителя, что важно для уменьшения внутренних пустот и трещин. Команда затем провела серию лабораторных испытаний для отслеживания объёмной стабильности (soundness), предельного растяжения до растрескивания (ultimate tensile strain), жёсткости (модуль упругости), естественных объёмных изменений без сушки (аутогенная деформация) и объёмных изменений при высыхании (усадка при высыхании).

Что они узнали о стабильности и растрескивании

Одна из ключевых опасений заключалась в том, не приведёт ли более высокое содержание кальция к нестабильному расширению. Исследование показало, что при содержании CaO в летучей золе класса C примерно от 5,1 до 16,5 процента, даже при замене до 70 процентов цемента, бетон по-прежнему соответствует стандартным пределам по объёмной стабильности. В механических испытаниях бетон с более высоким содержанием CaO в золе демонстрировал несколько большую способность к растяжению до растрескивания и более высокий модуль упругости, то есть он становился в некоторой степени лучше сопротивляться образованию трещин и одновременно немного жёстче. В то же время аутогенные объёмные изменения, возникающие при внутренних реакциях цемента и золы, имели тенденцию смещаться в сторону усадки с увеличением содержания CaO, особенно в бетоне с четырьмя фракциями заполнителя. Несмотря на эти тенденции, общее влияние уровня CaO на деформации оставалось умеренным.

Почему калибровка заполнителя имеет значение

Сравнение бетонных смесей с четырьмя и тремя фракциями показало, что размер и баланс зерен заполнителя могут иметь такое же важное значение, как и состав золы. Четырёхфракционные смеси, с шире представленными размерами частиц, выдерживали большее растяжение до растрескивания и проявляли немного меньшую усадку при высыхании по сравнению с трёхфракционными смесями. Их жёсткость изменялась более равномерно с течением времени, что указывает на более стабильную внутреннюю структуру. Однако по аутогенным объёмным изменениям четырёхфракционный бетон усыхал немного больше, чем трёхфракционный, особенно при более высоком содержании CaO в золе. Микроскопические изображения подтвердили, что зольные материалы с более высоким содержанием кальция могут образовывать более плотные продукты реакций, но при чрезмерном содержании кальция вокруг не прореагировавших частиц могут возникать мелкие дефекты.

Что это значит для будущих плотин

Для неспециалистов главный вывод обнадёживающий: в пределах чётко определённого диапазона содержания кальция исследуемая местная летучая зола класса C может безопасно заменить значительную долю цемента в бетоне для плотин без опасного расширения или чрезмерного растрескивания. Тщательный подбор уровней CaO в сочетании с грамотной разработкой гранулометрии заполнителя позволяет инженерам возводить массивные стабильные конструкции, одновременно более эффективно используя промышленные побочные продукты и снижая потребность в свежем цементе. Работа также подчёркивает необходимость дополнительных испытаний в более реалистичных условиях температуры, влажности и нагрузок, но она указывает на будущее, в котором когда‑то считавшийся угольный отход становится надёжным компонентом долговечной гидравлической инфраструктуры.

Цитирование: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

Ключевые слова: бетон с летучей золой, строительство плотин, усадка и растрескивание, замена цемента, богатые кальцием промышленные отходы