Взаимосвязь методов твердения и температур твердения с молярностью NaOH и их влияние на поведение геополимерного бетона

Более прочный и экологичный бетон для повседневных конструкций

Бетон повсеместен — от домов и мостов до тротуаров. Но производство традиционного бетона выделяет большие объемы углекислого газа. В этом исследовании рассмотрена альтернатива — геополимерный бетон, который можно изготовить из промышленных побочных продуктов, таких как зола-унос и гранулированный доменный шлак. Исследователи стремились выяснить, как лучше «отвердить» этот более экологичный бетон — в горячей печи или при обычной комнатной температуре — чтобы он становился достаточно прочным для реальных зданий при минимальном энергопотреблении и воздействии на окружающую среду.

Два способа отвердения нового типа бетона

Команда приготовила множество партий геополимерного бетона, используя золу-унос в качестве основного компонента, натуральный песок и гравий в качестве агрегатов и высокощелочной раствор на основе гидроксида натрия и силикатов натрия. В некоторые смеси также добавляли молотый гранулированный доменный шлак — еще один промышленный побочный продукт, богатый кальцием. Свежий бетон затем отвердили двумя разными способами. В одном случае образцы помещали в печь при температурах от 45 °C до 120 °C. В другом случае смеси со шлаком просто оставляли для твердения в лаборатории при примерно 23 °C, что похоже на типичную внутреннюю среду. Это позволило провести прямое сравнение между энергоемкой термической обработкой и низкоэнергетическим твердением при комнатной температуре.

Поиск оптимума для температуры и химии

Для образцов, твердившихся в печи, исследователи измеряли нагрузку, которую бетон мог выдержать на сжатие, изгиб и косвенное растяжение после твердения. Они обнаружили четкую закономерность: повышение температуры печи с 45 °C до 90 °C значительно увеличивало прочность, но при повышении до 120 °C бетон снова ослабевал. Микроскопические изображения показали причину — высокая температура ускоряет химические реакции, скрепляющие материал, но слишком большой нагрев удаляет воду и вызывает микотрещины. Также имела значение концентрация щелочного раствора: использование более сильного раствора гидроксида натрия (12 моляр вместо 8 или 10) давало наибольшие прочности, с прочностью на сжатие около 60–65 МПа при 90 °C, что сопоставимо с высокопрочным конструкционным бетоном.

Как сделать твердение при комнатной температуре работоспособным

Твердение при комнатной температуре гораздо более практично на строительных площадках, поэтому команда проверила, сколько шлака следует добавить, чтобы материал затвердел без дополнительного нагрева. При атмосферных условиях прочность сильно зависела как от содержания шлака, так и от концентрации щелочи. Умеренные количества шлака — обычно около 10–15% от массы вяжущего — значительно повышали прочность за счет образования дополнительных кальцийсодержащих гелей, которые заполняли поры и обеспечивали более плотную внутреннюю структуру. Слишком мало шлака приводило к замедленному отвердению, тогда как его избыток разжижал реакционноспособную золу-унос и ухудшал удобоукладываемость, что снова снижало прочность. Повышение концентрации гидроксида натрия с 8 до 12 моляр последовательно увеличивало прочность при всех уровнях шлака, даже без печного твердения.

Что происходит внутри бетона

Чтобы увидеть процессы на микроскопическом уровне, исследователи использовали высокоразрешающую микроскопию и химический анализ. В смесях, отверждавшихся при комнатной температуре со шлаком, внутренняя структура выглядела относительно компактной, с сочетанием разных гелевых фаз, связывавших частицы и оставлявших мало пор. Для сравнения, образцы, отверждавшиеся в печи без шлака, демонстрировали очень плотные сети алюмосиликатного геля, но при слишком высокой температуре также появлялось больше микротрещин. Элементный анализ подтвердил эти различия: смеси со шлаком содержали больше кальция и формировали кальцийсодержащие гели, подходящие для твердения при комнатной температуре, тогда как печно-отверждаемые смеси без шлака в основном опирались на натрийсодержащие алюмосиликатные гели, сильно реагирующие на нагрев.

Баланс между прочностью, энергопотреблением и устойчивостью

Сводя все данные вместе, включая статистический анализ, исследование показывает, что как метод твердения, так и концентрация щелочи существенно влияют на характеристики геополимерного бетона. Самая прочная смесь была получена при использовании 12-молярного раствора гидроксида натрия и твердении при 90 °C. Тем не менее оптимизированная смесь для твердения при комнатной температуре с той же концентрацией щелочи и примерно 10% шлака достигала более трех четвертей этой прочности — достаточной для многих конструктивных применений — без какого-либо внешнего нагрева. Для неспециалиста посыл прост: при тщательной настройке температуры, химической концентрации и содержания шлака инженеры могут проектировать геополимерные бетоны, которые достаточно прочны для реального строительства и при этом сокращают расход топлива и климатическое воздействие по сравнению с традиционным цементным бетоном.

Цитирование: Özkılıç, Y.O., Mohamud, M.A., Yılmaz, F. et al. The relationship of curing methods and curing temperatures with NaOH molarity and their effects on the behavior of geopolymer concrete. Sci Rep 16, 8346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4

Ключевые слова: геополимерный бетон, низкоуглеродное строительство, температура твердения, шлаковый гранулят доменной печи, устойчивые материалы