Устойчивое повышение химической стойкости и микроструктурной стабильности цементного раствора с использованием мелкого вторичного заполнителя, обработанного силикатом натрия и золью-дымкой

Почему превращение старого бетона в новый важно

По всему миру сносимые здания порождают горы разрушенного бетона. Большая часть этого материала попадает на свалки, хотя он содержит песок и камень, пригодные для повторного использования в строительстве. Проблема в том, что мелкие частицы, получаемые из старого бетона, часто ухудшают прочность нового раствора и делают его более уязвимым к агрессивной среде — особенно там, где сооружения подвергаются воздействию сточных вод, промышленности или солёных грунтов. В этом исследовании рассматривается простая обработка, которая может превратить эти проблемные вторичные частицы в надёжный строительный компонент, помогая городам строить более устойчиво без ущерба для долговечности.

От мусора со сноса к мелкому строительному песку

При дроблении старого бетона образуется мелкий вторичный заполнитель — зерна размером с песок, всё ещё покрытые остатками старого цементного камня. Эти зерна впитывают больше воды и содержат множество мелких пор и трещин. В результате растворы на их основе становятся более проницаемыми и менее устойчивыми к воздействию кислот и солей по сравнению с растворами на природном речном песке. Авторы поставили цель проверить, может ли краткое предварительное замачивание с использованием двух широко доступных материалов — силиката натрия (жидкое «водное стекло») и зольной пыли (ультрадисперсный минеральный порошок) — укрепить прикреплённый слой старого цемента и улучшить поведение вторичного заполнителя в новых смесях.

Простая ванна, которая запечатывает поры

Исследователи собрали строительные и сносные отходы, раздробили их и отделили мелкую фракцию. Затем эти вторичные мелкие частицы замачивали в течение 24 часов в водных растворах с различным содержанием силиката натрия и зольной пыли. После сушки обработанные частицы заменяли весь песок в стандартных цементных растворах, которые заливали в небольшие кубики. Сравнивали пять смесей: с природным песком, с необработанными вторичными мелями и три с обработанными вторичными мелями с возрастающими дозами химикатов. После затвердевания кубики в течение нескольких месяцев выдерживали в концентрированных растворах серной кислоты и сульфата магния — условиях, имитирующих агрессивные среды канализаций и сульфатно-обогащённых грунтов. С интервалами команда измеряла потерю массы, прочность, водопоглощение и внутреннюю целостность с помощью ультразвуковых импульсов, а также изучала внутреннюю структуру с помощью современных методов визуализации и спектроскопии.

Противостояние кислотам и солям

Необработанные вторичные мелкие частицы показали наихудшие результаты как при кислотном, так и при сульфатном воздействии. Их растворы теряли наибольшую массу, испытывали резчайшее снижение прочности, впитывали больше всего воды и демонстрировали наибольшее падение скорости ультразвукового импульса — признаки обширного растрескивания и внутреннего разрушения. Растворы на природном песке вели себя лучше, но всё равно показывали видимую эрозию поверхности и постепенное ослабление со временем. Напротив, растворы с обработанными вторичными мелями постоянно лучше сопротивлялись повреждениям. Смесь, замоченная в растворе средней концентрации, содержащем 20% силиката натрия и 2% зольной пыли, выделялась: при кислотном воздействии она теряла примерно на 40% меньше массы и сохраняла около на 30% большую прочность по сравнению с необработанной вторичной смесью, а в сульфатном растворе аналогично ограничивала потерю массы и снижение прочности при более высоких ультразвуковых скоростях.

Что меняется внутри материала

Микроскопические и химические исследования пояснили причину эффективности обработки. В необработанных вторичных растворах агрессивные растворы проникали легко, растворяли кальцийсодержащие соединения и образовывали расширяющиеся кристаллы гипса и эттрингита, которые разрывали микроструктуру. На изображениях были видны пористые контактные зоны вокруг вторичных зерен и широкомасштабные трещины. После обработки прикреплённый цементный слой вокруг каждого зерна стал заметно плотнее и лучше сцеплялся с новой пастой. Раствор силиката натрия проникал в поры и взаимодействовал с кальцием, образуя дополнительный связывающий гель, тогда как зольная пыль дополнительно потребляла свободный кальций, формируя более кремнезёмистую и стабильную сеть. Рентгеновский и инфракрасный анализы подтвердили значительное сокращение вредных побочных продуктов и то, что основная связывающая фаза оставалась более целой даже после длительного воздействия.

Практический путь к более экологичному и прочному раствору

Для неспециалиста ключевой вывод таков: относительно простой, энергоёмкостью невысокий этап замачивания способен превратить проблемные вторичные мелкие частицы в высокоэффективный компонент для нового раствора. Запечатывая поры и перестраивая химию старого цементного покрытия, комбинированная ванна из силиката натрия и зольной пыли позволяет использовать 100% вторичного мелкого заполнителя на уровне, сопоставимом, а в некоторых аспектах и превосходящем природный песок в очень жёстких химических условиях. Этот подход представляет реалистичный путь переработки большего объёма строительных отходов в долговечные строительные материалы, снижая давление на ресурсы речного песка и продлевая срок службы бетонных конструкций в агрессивных средах.

Цитирование: Shaju, A.C., Nagarajan, P., Sudhakumar, J. et al. Sustainable enhancement of chemical durability and microstructural stability in cement mortar incorporating sodium silicate–silica fume treated recycled fine aggregate. Sci Rep 16, 9380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40549-9

Ключевые слова: рециркуемый бетон, долговечность цемента, устойчивое строительство, обработка заполнителя, кислотное и сульфатное воздействие