Оптимизация размера частиц цемента для повышения прочности и снижения выбросов CO₂ в облегчённых растворах

Почему размер зерен цемента важен для климата и строительства

От мостов до многоквартирных домов современная жизнь в значительной степени опирается на цемент. В то же время производство цемента — один из крупнейших промышленных источников диоксида углерода. В этом исследовании рассматривается удивительно простая мера для создания более прочных, лёгких конструкций с меньшим углеродным следом: изменение тонкости зерен цемента не за счёт интенсивного помола, а в основном путём просеивания и удаления более крупных частиц. Работа показывает, как настройка размера зерен может повысить прочность, изменить поведение трещинообразования и снизить выбросы на единицу прочности в облегчённых растворах, применяемых для тонких и лёгких элементов.

Мельче зерна, легче смеси и повседневные строительные потребности

Авторы сосредоточились на «облегчённых растворах», где часть тяжёлого песка заменена керамзитом. Такие смеси помогают снизить вес стен и плит, что привлекательно для высотного строительства и реконструкций. Однако облегчённые смеси нередко требуют большего количества цемента для достижения той же прочности, что увеличивает и стоимость, и выбросы. Чтобы разобраться, команда сравнила три варианта одного портландцемента: обычную смесь, «тонкий» цемент, просеянный так, чтобы удалить частицы крупнее 50 микрометров, и «супертонкий» цемент, оставлявший только частицы мельче 25 микрометров. Важно, что цемент не подвергали дополнительному помолу — энергоёмкой операции — а выборочно удаляли самые крупные агломераты.

Что делает тоньше цемент со свежим и затвердевшим раствором

В лаборатории исследователи приготовили четыре раствора: стандартный плотный раствор, облегчённый вариант и два облегчённых варианта с тонким и супертонким цементами. Они сохранили содержание воды и химических добавок по сути неизменными, чтобы единственным фактором влияния оставался размер частиц. По мере уменьшения зерен свежие смеси текли легче и становились немного плотнее, признак лучшей упаковки зерен. После затвердевания прочность при сжатии — способность противостоять сжатию — резко возросла: тонкие и супертонкие смеси набирали до 40–45% больше прочности через три дня и на 15–21% больше через семь дней по сравнению с непроcеянным облегчённым раствором. Компромиссом стала умеренная потеря прочности на изгиб и увеличение усадки, что связано со сформировавшейся более жёсткой, хрупкой внутренней структурой и большей склонностью к тонким трещинам.

Заглядывая внутрь зерен: почему реакции ускоряются

Чтобы понять, почему тонкий цемент ведёт себя так, команда отслеживала его ранние реакции в первые 12 часов. С помощью рентгеновской дифракции, термогравиметрического анализа и трансмиссионной электронной микроскопии они наблюдали, что ключевые продукты реакции — особенно вяжущий кальций-силикат-гидратный гель — образуются быстрее и в большем количестве в более мелких цементах. Микроскопические изображения показали, что внутренний «клей» раньше превращается из разрозненных игловидных скоплений в плотные, пластинчатые и компактные массы при меньших зернах. Измерения потери массы при нагреве подтвердили большее количество связанной воды и гидратов в пастах из тонкого и супертонкого цемента, что соответствует наблюдаемому скачку прочности при сжатии. Иными словами, большая удельная поверхность мельчайших зерен даёт воде больше областей для реакции, поэтому внутренняя «скелетная» структура материала формируется быстрее и плотнее.

Баланс энергии, выбросов и структурной работоспособности

Поскольку производство цемента уже потребляет большие объёмы энергии и выбрасывает почти тонну CO₂ на тонну продукции, авторы задали вопрос, действительно ли тонкий цемент помогает климату с учётом процессов обработки. Они построили оценку жизненного цикла, сравнив три маршрута: обычный цемент, дополнительный помол для увеличения удельной поверхности и простое просеивание стандартного цемента на более тонкие фракции. Помол повышает выбросы и потребление электроэнергии, но также увеличивает прочность настолько, что требуется меньше цемента для заданной прочности конструкции, что слегка снижает CO₂ на единицу прочности. Просеивание оказалось ещё более выгодным. Пропускание цемента через сито 50 микрометров требовало лишь около 1% дополнительной энергии, но позволяло сократить выбросы CO₂ на единицу прочности в облегчённых растворах до 14%; переход к 25 микрометрам давал лишь умеренное дополнительное увеличение прочности при более высоких затратах на обработку и большем усадочном эффекте.

Что это значит для более зелёных и лёгких зданий

Для неспециалистов главный вывод таков: «насколько малы зерна» может быть не менее важным, чем «сколько цемента вы используете». Селективно удаляя лишь самые крупные частицы, производители могут получать растворы, которые легче укладывать, существенно прочнее на сжатие и менее углеродоёмки на единицу прочности — без резкого увеличения заводского энергопотребления. Исследование также предупреждает, что очень тонкие цементы могут давать большую усадку и легче трескаться, что может повлиять на долговечность в долгосрочной перспективе. В целом работа предлагает практичный путь — относительно низкотехнологичную корректировку, промышленное просеивание цемента около 50 микрометров — к созданию более лёгких, прочных и в некоторой степени более чистых материалов на основе бетона.

Цитирование: Nieświec, M., Chajec, A., Walendzik, I. et al. Optimizing cement particle size for strength enhancement and CO₂ reduction in lightweight mortars. Sci Rep 16, 8418 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39546-9

Ключевые слова: мельчайшие частицы цемента, облегчённый раствор, прочность при сжатии, выбросы CO2, оценка жизненного цикла