Влияние содержания стального шлака на свойства алкали-активированного раствора из угольного пустого и шлака

Превращая отходы в более прочные и экологичные здания

Современные города зависят от бетона и раствора, но производство традиционного цемента сопровождается большими выбросами углекислого газа, а готовые материалы со временем могут трескаться и давать усадку. В этом исследовании изучается способ решить обе проблемы одновременно: переработать промышленные отходы угольной и сталелитейной промышленности в новый вид раствора, который не только снижает выбросы, но и становится прочнее и менее склонным к усадке и растрескиванию.

Почему растрескивание — скрытая опасность

Многие экологические альтернативы цементу, объединённые под общим названием алкали-активированных материалов, демонстрируют впечатляющую прочность и долговечность. Однако у них часто есть серьёзный недостаток: при высыхании они дают большую усадку, чем обычный портландцемент. Эта усадка может образовать сеть мелких трещин. Со временем эти трещины пропускают воду и агрессивные химические вещества в стены и фундаменты, подрывая безопасность и срок службы конструкций. Исправление этой проблемы обычно требует специальных добавок или строгих условий твердения, что повышает затраты и ограничивает широкое применение.

Вторая жизнь для стальных и угольных отходов

Исследователи сосредоточились на трёх порошкообразных побочных продуктах тяжёлой промышленности: стальном шлаке из сталелитейного производства, угольном пустом из добычи угля и молотом доменном шлаке из производства чугуна. Эти материалы часто накапливаются в больших свалках, занимая землю и создавая экологические риски. В работе доменный шлак составлял половину от общего вяжущего для обеспечения базовой прочности, а угольный пуст постепенно заменяли стальным шлаком в разных соотношениях. С помощью щёлочной жидкости, запускающей процесс твердения, эти порошки смешивали в раствор, отливали в небольшие образцы и испытывали на текучесть, прочность и усадку при сушке, после чего исследовали с помощью набора микроскопических и химических методов.

Поиск оптимума для стального шлака

Эксперименты показали, что добавление некоторого количества стального шлака улучшает удобоукладываемость свежего раствора, делая его проще для заливки в формы, и заметно повышает прочность с течением времени. При замене 40% угольного пустого на стальной шлак прочность на сжатие через 28 дней увеличилась примерно на 42%, превысив 70 мегапаскалей, а усадка при сушке снизилась почти на 29% по сравнению с смесями без стального шлака. При меньших долях эффект был слабее; при больших — производительность начинала ухудшаться. При 50% содержания стального шлака раствор терял прочность и переставал демонстрировать снижение усадки. Авторы связывают это ухудшение с дефицитом реакционноспособного кремния и алюминия — необходимых компонентов для формирующихся связующих гелей.

Что происходит внутри затвердевшего раствора

Чтобы понять, почему 40% стального шлака работали так хорошо, команда изучила затвердевший раствор на микроструктурном уровне. Было обнаружено, что стальной шлак изменяет развитие внутренней структуры во времени. На ранних стадиях он слегка замедляет реакцию, помогая материалу удерживать воду и снижая быстрый процесс высыхания. Позже же он активнее вступает в реакцию, поставляя в систему кальций. Это приводит к образованию дополнительных гелеобразных связывающих фаз и обильных игольчатых кристаллов, называемых эттрингитом. В совокупности эти продукты пронизывают материал, заполняют поры, связывают частицы и повышают сопротивление деформации. Измерения размера пор подтвердили, что оптимальная смесь имела меньше средних по размеру пор, наиболее ответственных за усадку, что привело к более плотной и стабильной сети.

От лабораторного раствора к применению в реальности

Проще говоря, исследование показывает, что тщательный баланс содержания стального шлака в этом растворе на основе отходов может превратить склонный к растрескиванию экологичный материал в более прочный и надёжный. Примерно 40% замещения стального шлака обеспечивает сочетание высокой прочности, снижения риска трещинообразования и лучшей удобоукладываемости, при этом поглощая значительные объёмы промышленных отходов и избегая высокой углеродной нагрузки традиционного цемента. Хотя работа была сосредоточена на 28-дневном периоде, она указывает путь к практическим рецептурам более экологичных строительных материалов, которые лучше используют то, что промышленность в настоящее время выбрасывает.

Цитирование: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

Ключевые слова: стальной шлак, зелёный бетон, переработка промышленных отходов, усушка при сушке, алкали-активированный раствор