Улучшение прочности межфазного сцепления брусчатого геополимерного раствора, армированного отходами текстиля, для ремонта кладки

Превращение старой одежды в более прочные стены

Каждый год десятки миллионов тонн одежды становятся отходами, в то время как цемент, используемый для строительства домов и мостов, является источником значительной доли глобальных выбросов углекислого газа. В этом исследовании рассматривается неожиданный способ одновременно решить обе проблемы: использовать выброшенную ткань, армированную тонким слоем смолы, вместе с низкоуглеродистым «геополимерным» раствором для усиления кирпичных стен. Работа показывает, как отходы текстиля можно превратить из нагрузки на свалки в высокоэффективный материал для повышения безопасности и долговечности старых каменных сооружений.

Почему кирпичным стенам нужна помощь

Кирпичная и блочная кладка на протяжении тысячелетий служит основой зданий, ценится за долговечность и способность нести большие нагрузки. Традиционно кирпичи склеивают цементным раствором на основе портландцемента, песка и воды. Хотя это эффективно, производство портландцемента требует много энергии и составляет примерно 8% мировых выбросов CO2. Одновременно традиционные растворы и старые кирпичные конструкции могут плохо переносить землетрясения и другие экстремальные нагрузки, поэтому инженеры всё чаще ищут способы укрепить существующие стены без полной их перестройки.

Новая роль для отходов ткани

Параллельно с этими конструктивными задачами мир захлестнут текстильные отходы — их производство превышает 90 миллионов тонн в год. Исследователи поставили цель превратить часть этого потока отходов в полезное армирующее средство для кладки. Они взяли полиэстерно‑хлопчатую ткань, аналогичную повседневной одежде, и либо оставили её в исходном состоянии, либо нанесли на неё точно дозированный слой эпоксидной смолы кистью. Это тонкое покрытие делает ткань более жёсткой, улучшает сцепление с окружающим раствором и помогает нитям работать совместно при растяжении.

Более экологичный «клей» для кирпичей

Вместо того чтобы полагаться исключительно на обычный цементный раствор, команда также разработала альтернативный вяжущий материал — геополимерный раствор. Геополимеры получают из промышленных побочных продуктов, таких как летучая зола и доменный шлак, активируемые щелочными растворами вместо привычной цементной химии. Эти смеси могут достигать высокой прочности, сопротивляться нагреву и химикатам и существенно сокращать выбросы углерода. Исследователи приготовили геополимерные растворы трёх химических концентраций — 8M, 10M и 12M — наряду с традиционным цементным раствором и встроили в них полосы как необработанного, так и обработанного смолой текстиля для формирования армированных кирпичных образцов.

Как тестировали новую систему

Чтобы понять, насколько хорошо ткань и раствор работают вместе, команда измеряла как базовую прочность растворов, так и, что особенно важно, силу сцепления текстиля с кладкой. Они отливали небольшие кубы и призмы для оценки прочности на сжатие и изгиб, обнаружив, что более прочные геополимерные смеси в целом превосходят традиционный цементный раствор, особенно на больших сроках выдержки. Для изучения поведения контакта использовали испытание на одностороннее сдвиговое сцепление: часть каждой полосы текстиля была заложена между слоями раствора на поверхности кирпича, а свободный конец тянулся испытательной машиной. Записывая силу и величину сдвига ткани, исследователи могли оценить, насколько эффективно раствор захватывает ткань и как происходит разрушение системы.

Что происходило при растяжении тканей

Результаты показали очевидное преимущество текстиля, обработанного смолой. Во всех типах растворов обработанные ткани выдерживали значительно большие растягивающие напряжения — примерно на 48–60% больше — прежде чем разрыв. Одновременно величина сдвига между тканью и раствором при пиковой нагрузке сократилась примерно вдвое: с примерно 9–9,5 мм для необработанных тканей до около 4,3–4,8 мм для обработанных. Практически это означает, что улучшённый интерфейс позволяет ткани более полно включаться в работу и распределять нагрузку, вместо того чтобы просто выскальзывать. Примечательно, что каждый образец разрушился разрывом ткани в зоне сцепления, тогда как раствор и кирпич оставались прочно связанными — желательный режим отказа, показывающий, что связь между слоями прочнее самой ткани.

Поиск оптимума в новой смеси

Среди геополимерных смесей версия 10M показала лучшую общую сбалансированность. Она была достаточно прочной и плотной, чтобы надёжно фиксировать ткань, но при этом достаточно пластичной, чтобы раствор проникал в зазоры между нитями и вокруг смолистых пучков. Самая прочная смесь 12M дала отличные базовые показатели прочности, но была более жёсткой и хрупкой, что несколько ограничивало дальнейшее улучшение сцепления. Тем не менее, обработанные смолой ткани во всех геополимерных растворах демонстрировали прочность сцепления и эффективность, сопоставимые или превосходящие многие системы, основанные на дорогих высокотехнологичных волокнах, таких как углеродные или базальтовые.

Что это означает для зданий и отходов

Для широкой аудитории суть проста: лёгкое покрытие отходов текстиля и их внедрение в более экологичный тип раствора позволяют существенно повысить прочность и надёжность кирпичных стен, одновременно повторно используя материалы, которые в противном случае были бы выброшены. Усиленные стены деформируются контролируемо: ткань работает на полную мощность до разрыва, а связь кирпича и раствора остаётся неповреждённой. Подход даёт представление о будущем, в котором обновление стареющей кладки для сопротивления землетрясениям или общего износа не обязательно должно опираться на высокоуглеродный цемент или дорогие синтетические волокна. Вместо этого тщательно спроектированные комбинации промышленных побочных продуктов и выброшенного текстиля могут предложить более безопасный и устойчивый путь к сохранению наших архитектурных памятников.

Цитирование: Sai Krishna, A., VishnuPriyan, M. & Khan, N.A. Enhancing interfacial bond performance of waste textile-reinforced geopolymer mortar for masonry retrofitting. Sci Rep 16, 11513 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42217-4

Ключевые слова: геополимерный раствор, отходы текстиля, ремонт кладки, текстильное армирование, устойчивое строительство