Экспериментальное и микроструктурное исследование прочности и морозостойкости ячеистого бетона на основе стального шлака, армированного базальтовым волокном

Преобразование отходов в строительные блоки, готовые к зиме

Современные города производят горы промышленных отходов, и сталелитейный шлак — один из крупнейших. В этом исследовании показано, как этот зернистый побочный продукт, при смешении с вулканическим волокном и включёнными воздушными пузырьками, может быть превращён в сверхлёгкий бетон, сохраняющий прочность даже при многократных циклах замерзания и оттаивания. Для тех, кто интересуется экологически более чистыми зданиями и безопасными дорогами в холодном климате, работа демонстрирует, как переосмысленные микропузырьки и тонкие волокна могут сделать материалы из отходов более щадящими для планеты и более долговечными в эксплуатации.

Почему важны стальной шлак и ячеистый бетон

Стальной шлак обычно накапливается возле заводов, занимая землю и создавая долгосрочные экологические проблемы. В то же время строительная отрасль ищет более лёгкие, лучше изолирующие материалы, снижающие потребление цемента и выбросы углерода. Ячеистый бетон — по сути бетон с множеством мелких воздушных пустот — привлекателен своей лёгкостью и теплоизоляцией, но те же поры могут делать его слабым и уязвимым при замерзании воды внутри них. Используя шлаковый порошок в качестве частичной замены цемента и затем настраивая размер пузырьков и внутреннюю структуру, авторы стремятся создать лёгкий теплоизоляционный бетон, который также перерабатывает промышленные отходы.

Добавление вулканического волокна для дополнительной прочности

Исследователи сосредоточились на армировании шлакового ячеистого бетона базальтовыми волокнами, которые получают из расплавленной вулканической породы. Эти короткие, волосовидные нитевидные волокна обладают высокой прочностью и термостойкостью, при этом они более экологичны по сравнению со многими синтетическими волокнами. Команда изготовила четыре варианта материала с содержанием волокна по объёму 0%, 0,15%, 0,30% и 0,45%, сохраняя при этом низкую плотность. Затем они оценили сопротивление каждого состава сжатию и изгибу после семи и 28 дней твердения. Смесь с 0,30% волокна выделялась: её 28‑дневная прочность на сжатие была примерно на 12% выше, чем у образца без волокна, а сопротивление изгибу выросло примерно на две трети. Однако при чрезмерном добавлении волокон бетон фактически становился слабее, что показывает: большее армирование не всегда означает лучше.

Как крошечные поры управляют большой эксплуатацией

Чтобы понять, почему оптимально сработала умеренная добавка волокон, команда заглянула внутрь материала с помощью рентгеновской компьютерной томографии и электронных микроскопов. Эти инструменты выявили трёхмерную сеть пор и то, как волокна переплетались в затвердевшем вяжущем. При содержании волокон около 0,30% материал содержал больше мелких, почти сферических пор и меньше крупных неправильных полостей. Сеть пор также была менее запутанной, то есть было меньше сложных, взаимосвязанных путей для движения воды. Под микроскопом волокна были видны как мостики через потенциальные трещины и как элементы, облегчающие сцепление с окружавшими продуктами гидратации цемента и частицами шлака, создавая более плотную и однородную внутреннюю структуру. При увеличении содержания волокон образовывались комки, стенки между порами утолщались неравномерно, и появлялось больше крупных связанных пустот, что подрывало достигнутые улучшения.

Противостояние испытаниям замерзания — оттаивания

Ключевым испытанием для холодных регионов является способность материала выдерживать многократные циклы замораживания и оттаивания. Исследователи пропитали образцы водой, затем подвергли их 15 контролируемым циклам холодного воздуха и тёплой воды. Бетон без волокон потерял более 30% прочности и утратил столько массы, что вышел за инженерные пределы. Напротив, смесь с 0,30% базальтового волокна потеряла менее 9% прочности и сохранила потерю массы менее 5%, соответствуя соответствующим стандартам. Микроскопические изображения после циклов показали, что в армированных волокнами смесях стенки пор оставались более сплошными и развитие трещин сдерживалось, тогда как в простом материале поры увеличивались, множились микрорасколы, и более хрупкие кристаллические формы заполняли ослабевшую матрицу.

Связь невидимых характеристик с реальной долговечностью

Чтобы увязать эти наблюдения, авторы применили статистический подход, ранжирующий, какие характеристики пор важнее всего. Они обнаружили, что общая сложность пористой сети и доля очень крупных пор сильнее всего коррелируют с потерей прочности при замерзании. Базальтовые волокна в основном влияют на эту сложность сети: при правильной дозировке они помогают сохранять поры более мелкими, округлыми и менее связанными, что затрудняет воде и льду создание разрушающих давлений. Для неспециалиста вывод простой: точная настройка количества природного горного волокна в ячеистой шлаковой смеси позволяет инженерам превращать промышленные отходы в лёгкий бетон, который лучше выдерживает суровые зимы — обеспечивая как экологические преимущества, так и повышенную безопасность конструкций и дорожных полотен в холодных регионах.

Цитирование: Jiang, J., Chen, M., Yu, X. et al. Experimental and microstructural investigation on the strength and frost resistance of basalt fiber reinforced steel slag foamed concrete. Sci Rep 16, 13207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42606-9

Ключевые слова: стальной шлак, ячеистый бетон, базальтовое волокно, морозостойкость, структура пор