Оценка графитовой сланцевой породы как добавки к цементу в бетоне: противогрибковая активность, прочность, гидратация, микроструктура и радиационная защита

Более чистый бетон для меняющегося климата

Бетон повсюду в нашей застройке, но производство его ключевого компонента — портландцемента — сопровождается большими выбросами углекислого газа. В этом исследовании рассматривают, может ли естественная порода, называемая графитовой сланцевой породой, частично заменить цемент в бетоне. Если это сработает, мы сможем сократить эмиссии в строительстве, повысить устойчивость к вредным грибам и даже тонко настраивать свойства бетона по экранированию радиации в больницах и на атомных объектах.

Превращение распространённой породы в полезный ингредиент

Графитовая сланцевая порода — слоистая метаморфическая порода, встречающаяся в Восточной пустыне Египта. Исследователи измельчили и растерли эту породу в тонкий порошок и ввели его в бетон, заменив им 10 или 15 процентов цемента по массе. Затем они сравнили эти составы с обычным бетоном, проверяя не только прочность и долговечность, но и поведение при нагреве, атаке грибов и воздействии разных видов излучения. Поскольку основные минералы сланца имеют низкую плотность и гладкую пластинчатую форму, команда ожидала, что он будет действовать скорее как заполняющая добавка, а не как высокореактивная замена цемента.

Что происходит внутри бетона

На микроскопическом уровне частицы графитовой сланцевой породы были меньшими и имели примерно вдвое большую удельную поверхность, чем зерна цемента. Это позволяло им заполнять промежутки между частицами цемента, плотнее упаковывая смесь. Однако химические испытания показали, что сам сланец существенно не участвует в реакциях твердения цемента. Вместо этого он вёл себя в основном как инертный наполнитель. В смесях с 10-процентной заменой эффект уплотнения умеренно улучшал внутреннюю структуру вокруг зерен песка и щебня, особенно в тонкой пограничной зоне, где часто начинаются трещины. При 15-процентной замене преимущества перекрывались проблемами: большим количеством не прореагировавших зерен цемента, дополнительной пористостью и микротрещинами, ослабляющими материал.

Баланс между прочностью, грибами и огнём

Бетон с 10 процентами графитовой сланцевой породы потерял часть ранней прочности по сравнению с обычным бетоном, но за шесть месяцев разница сократилась по мере продолжения гидратации оставшегося цемента. Напротив, смесь с 15 процентами показала более заметное снижение прочности. Несмотря на это, порошок породы принёс важные преимущества. Он оставался стабильным при нагреве до 800 градусов Цельсия, что говорит о том, что бетон с этой добавкой может вести себя лучше при серьёзных пожарах. В отдельных петри‑чашечных испытаниях графитовая сланцевая порода сильно ингибировала рост нескольких проблемных грибов, часто эффективнее, чем сам цемент. Это противогрибковое действие, по-видимому, объясняется высокой удельной поверхностью и минеральным составом, которые вместе оказывают стрессовое воздействие и повреждают грибковые клетки.

Формирование способности бетона к защите от излучения

Поскольку бетон часто используют для защиты людей и оборудования от излучения, группа также проверила, как новые составы справляются с быстрыми нейтронами и гамма‑лучами. Добавление графитовой сланцевой породы слегка улучшило задерживание быстрых нейтронов благодаря лёгким элементам, таким как водород и углерод в её минералах, которые эффективны при замедлении этих частиц. Но та же добавка снизила плотность бетона и увеличила пористость, что ухудшало его способность останавливать глубоко проникающие гамма‑лучи. Смесь с 10 процентами дала лишь небольшое улучшение нейтронной защиты при заметной потере в защите от гамма‑лучей, а 15‑процентная смесь в этом отношении показала ещё худшие результаты.

Где может применяться этот новый бетон

В целом исследование показывает, что графитовая сланцевая порода может служить многофункциональной минеральной добавкой при замене около 10 процентов цемента. В этом диапазоне она помогает сократить потребление цемента и связанные с ним выбросы, добавляет перспективные противогрибковые и огнестойкие свойства и даёт небольшой прирост в нейтронной защите, хотя за счёт ухудшения защиты от гамма‑лучей и незначительного снижения прочности. Такой бетон может быть лучше всего применён в некритичных конструктивных элементах или специализированных областях, где сопротивляемость грибам и стабильность при пожаре важнее максимальной прочности или первоклассной радиационной защиты. С дальнейшей оптимизацией состава и содержания воды графитовая сланцевая порода может стать полезным инструментом для создания более умного и устойчивого бетона.

Цитирование: Serry, M., Zayed, A.M., Tagyan, A.I. et al. Assessing graphite schist as a supplementary cementitious material in concrete for antifungal activity, strength, hydration, microstructure, and radiation shielding. Sci Rep 16, 12019 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40900-0

Ключевые слова: низкоуглеродный бетон, замещающий цемент материал, противогрибковые материалы, радиационная защита, графитовая сланцевая порода