Исследование циклической морозо‑термической долговечности вторичного керамического бетона в западном высокогорном регионе

Превращение плиточного мусора в более прочные дороги

По всему миру тонны разбитой керамической плитки с мест строительства и ремонта попадают на свалки. В то же время дороги, мосты и здания в холодных высокогорных районах подвергаются многократным циклам замораживания и оттаивания, которые постепенно разрушают обычный бетон. В этом исследовании рассматривается двойное решение: измельчать отходы керамической плитки и добавлять их в бетон, чтобы одновременно утилизировать устойчивый поток отходов и создавать конструкции, лучше выдерживающие суровый зимний климат.

Почему замораживание и оттаивание разрушают бетон

Бетон кажется монолитным, но внутри он пронизан мельчайшими порами и трещинками. Когда вода просачивается внутрь и затем замерзает, она расширяется, подобно льду в забитом трубопроводе. С каждым циклом замораживания–оттаивания это расширение и последующее сжатие раздвигают микротрещины, ослабляют цементное «клеевое» вещество и вырывают зерна с поверхности. За годы такое медленное внутреннее выветривание может превратить прочный блок в крошащийся, пропускающий воду материал. Для высокогорных районов, где температуры длительное время колеблются около нуля, понимание и замедление этого повреждения критично для безопасной и долговечной инфраструктуры.

От разбитых плиток к новому бетону

Исследователи проверяли, можно ли измельченную керамическую плитку заменить частью мелкозернистого заполнителя, обычно используемого в бетоне. Они изготовили шесть серий бетонных образцов, постепенно увеличивая долю керамических частиц от 0 % (обычный переработанный бетон) до 100 %, когда весь мелкий заполнитель состоял из отходов плитки. Образцы полностью насыщали водой, затем многократно замораживали до примерно −18 °C и оттаивали до чуть выше нуля, при этом каждый цикл длился четыре часа. Каждые 30 циклов команда взвешивала образцы, чтобы узнать, сколько материала отслоилось, и измеряла скорость прохождения звуковых волн через них — чувствительный индикатор внутренней жесткости и трещинообразования.

Оптимум на уровне 20 процентов

Выявилась ясная закономерность. Все образцы теряли жесткость по мере нарастания числа циклов, что указывает на накопление внутренних повреждений, но скорость ухудшения сильно зависела от доли керамики. Бетон с 20 % керамических частиц оказался наиболее стойким: он выдерживал примерно 398 циклов замораживания–оттаивания, прежде чем его характеристики опустились ниже принятых стандартов. Микроскопические снимки показали, что ранние повреждения в основном ограничивались тонкой поверхностной зоной, в то время как внутренняя часть оставалась плотной и хорошо сцепленной. Керамические зерна, которые поглощают меньше воды и имеют менее развитыми открытые поры по сравнению с типичным переработанным песком, помогли снизить проникновение воды в бетон и уменьшить объемное расширение при замерзании.

Однако при замещении свыше 20 % долговечность резко ухудшалась. При высоком содержании керамики глянцевые поверхности плитки плохо сцеплялись с окружающим цементом, оставляя дополнительные пустоты и слабые интерфейсы. Эти зазоры действовали как крошечные резервуары, где могла скапливаться вода, замерзать, расширяться и объединяться в сети трещин. При 80 % и особенно 100 % керамического наполнителя образцы быстро отслаивались по поверхности и получали глубокие трещины, не выдерживая 300‑циклового испытательного окна без серьезных повреждений. Тщательные измерения тонкой пограничной зоны вокруг каждого зерна показали, что она становилась более толстой и пористой с увеличением содержания керамики, подрывая общую прочность бетона.

Прогнозирование срока службы бетона

Знание того, что 20 % керамики работает лучше всего, — лишь часть истории; инженерам также нужно оценить, как долго такой бетон будет сохранять эксплуатационные показатели в реальных условиях. Для этого авторы рассмотрели постепенную потерю жесткости и массы как своего рода медленно меняющийся случайный процесс. Используя математический инструмент, изначально разработанный для отслеживания блуждающих частиц, они построили кривую надежности, показывающую, как вероятность соответствия бетона требованиям снижается с ростом числа циклов замораживания–оттаивания. Для наилучшей смеси анализ указывает, что она может выдержать примерно 383 цикла, прежде чем ее надежность опустится ниже консервативного порога безопасности, и примерно 398 циклов, прежде чем материал фактически выйдет из строя.

Что это значит для строительства в холодных регионах

Практически исследование показывает, что умеренная добавка измельченной керамической плитки — порядка одной пятой мелкого заполнителя в смеси — может превратить отходы в ценное сырье для долговечного бетона в холодных высокогорных районах. При этом уровне плитка помогает ограничить водопоглощение и внутренние повреждения от льда; выше этого уровня она вводит слишком много слабых мест и фактически ускоряет разрушение. Сочетая лабораторные испытания с моделированием срока службы, работа предлагает и рецепт, и инструмент прогнозирования для проектировщиков, которые хотят сооружать более долговечные дороги и строения, сокращая строительные отходы. В будущем исследования изучат, как оптимизированный бетон ведет себя при других долгосрочных угрозах, таких как проникающие соли и углекислый газ, что поможет точнее определить его роль в устойчивой инфраструктуре.

Цитирование: Kuan, P., Heyuqiu, L. & Yaping, L. Study on freeze–thaw cyclic durability of reclaimed ceramic concrete in western high altitude region. Sci Rep 16, 12952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42770-y

Ключевые слова: вторичный бетон, отходы керамической плитки, стойкость к циклам замораживания–оттаивания, инфраструктура холодных районов, срок службы материала