Оптимизация состава смесей и исследование гидратации высокопрочного бетона с добавлением золы кукурузных стеблей и микрокремнезёма в качестве минеральных вяжущих

Превращая сельскохозяйственные отходы в более крепкие города

Ежегодно тонны растительных остатков сжигаются или выбрасываются, в то время как производство цемента, скрепляющего наши здания, выбрасывает в атмосферу огромные объёмы углекислого газа. В этом исследовании рассматривается способ одновременного решения обеих проблем: измельчение золы от выброшенных кукурузных стеблей и смешивание её с очень тонким промышленным порошком — микрокремнезёмом — для получения высокопрочного бетона, который одновременно долговечен и заметно чище в производственном отношении.

Почему традиционный бетон требует обновления

Бетон — основа современной застройки: от мостов и небоскрёбов до тротуаров и плотин. Однако его ключевой компонент, цемент, является одним из крупнейших промышленных источников выбросов углерода, поскольку его производство требует нагрева известняка до очень высоких температур. Одновременно сельское хозяйство генерирует огромные объёмы отходов — например, кукурузные стебли — которые часто сжигают на полях, что увеличивает загрязнение и лишает нас потенциально полезного материала. Учёные давно подозревали, что некоторые растительные пеплы могут частично заменить цемент, но оставалось неясным, в какой степени это возможно при сохранении очень высокой прочности бетона, пригодного для ответственных конструкций.

Создание бетона из кукурузных стеблей

В работе команда сжигала кукурузные стебли при тщательно контролируемых температурах, чтобы получить тонкую, богатую кремнием золу, и комбинировала её с микрокремнезёмом, ещё одним очень мелким промышленным побочным продуктом. Вместе эти порошки заменяли 20% обычного цемента в высокопрочном бетоне. Исследователи систематически варьировали три параметра: какую долю из этих 20% составила зола кукурузных стеблей, какое соотношение воды к вяжущим было использовано и какое количество песка добавлялось. Используя структурированный план испытаний, они подготовили шестнадцать различных рецептур бетона, отлили маленькие кубики и измерили, какое давление выдерживает каждый образец через 7 и через 28 дней твердения.

Поиск оптимума прочности

Эксперименты показали, что не все комбинации одинаковы. Самая прочная смесь достигла впечатляющей 28‑дневной прочности на сжатие около 110 мегапаскалей — в несколько раз прочнее типичного конструкционного бетона. Лучшая рецептура использовала 15% золы кукурузных стеблей в пределах 20% замещения, относительно невысокое водопотребление и довольно высокий объём песка. При увеличении доли золы кукурузных стеблей до 20% без микрокремнезёма бетон заметно слабел, что показывает: зола работает лучше в сочетании с микрокремнезёмом, а не сама по себе. Детальный анализ показал, что на ранних стадиях количество воды оказывает наибольшее влияние на прочность, тогда как на поздних стадиях большее значение имеют содержание песка и уровень замещения цемента золой.

Заглядывая внутрь бетона

Чтобы понять, почему некоторые смеси оказывались прочнее, команда исследовала внутреннюю структуру бетона с помощью электронных микроскопов и рентгеновских методов. На ранних стадиях материал содержал много пор и сравнительно мало продуктов связывания. По мере продолжения твердения реактивный кремний в золе кукурузных стеблей и микрокремнезёме инициировал «вторичные» реакции с кальцийсодержащими соединениями, выделяемыми цементом. Эти реакции образовывали дополнительные гелеобразные минералы, которые плотно заполняли поры, надёжнее связывая частицы песка, зерен щебня и цемента. В течение 28 дней пористость значительно уменьшилась, внутренняя структура стала плотнее и гладче, а измеренная прочность соответственно возросла. Стальные волокна, добавленные в бетон, дополнительно способствовали более прогрессивному, пластичному разрушению вместо внезапного катастрофического растрескивания.

Более чистый бетон для низкоуглеродного будущего

Заменив пятую часть цемента золой кукурузных стеблей и микрокремнезёмом, оптимизированная смесь сократила выбросы углерода от вяжущего почти на одну пятую по сравнению с обычным цементом, при этом сохранив очень высокую прочность. Проще говоря, исследование демонстрирует, что сельскохозяйственные отходы, ранее считавшиеся мусором, могут стать ценным компонентом прочного, долговечного бетона, снижая экологическую нагрузку как сельского хозяйства, так и строительства. При широком внедрении такие смеси могли бы помочь городам расти вверх и вширь, оказывая меньшее воздействие на планету.

Цитирование: Wang, R., Chen, Y., Wei, G. et al. Optimization of mix proportions and hydration study of high-strength concrete incorporating corn stalk ash and silica fume as supplementary cementitious materials. Sci Rep 16, 8318 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39419-1

Ключевые слова: устойчивый бетон, зола кукурузных стеблей, высокопрочный бетон, дополнительные минералогические вяжущие, низкоуглеродное строительство