Активация реакционной способности зольного шлака от сжигания бытовых ТБО через физико‑химическую со‑активацию для улучшения цементных свойств

Превращение мусора в более прочные здания

Современные города сжигают огромные объёмы бытовых отходов, чтобы получить энергию, но этот процесс оставляет после себя крупозернистый остаток — поддувочный шлак. Большая часть такого шлака засыпается на свалки, что тратит пространство и упускает ценные материалы. В описанном исследовании рассматривают, как этот шлак можно модернизировать и использовать в качестве полезного компонента для бетона, снизив объёмы отходов и углеродный след строительства.

Скрытый потенциал сгоревших отходов

При сжигании бытового мусора более тяжёлые остатки оседают внизу печи и образуют поддувочный шлак. Этот материал представляет собой хаотичную смесь зерен и фрагментов, содержащих многие базовые элементы, характерные для цемента — кальций, кремний и алюминий. Формально это делает его перспективным кандидатом на частичную замену цемента в бетоне. На практике же необработанный шлак громоздкий, химически нестабилен и содержит проблемные примеси, такие как металлический алюминий и соли. Они могут вызывать образование газовых пузыриков, увеличивать пористость и приводить к растрескиванию внутри бетона, ослабляя конструкции и вызывая опасения по поводу долговечности и загрязнения.

Почему простых решений недостаточно

Исследователи пробовали два основных подхода. Первый — чисто механический: измельчение шлака в более тонкий порошок, чтобы он плотнее упаковывался и имел большую реакционную поверхность. Второй — чисто химический: промывка или обработка щелочными растворами для удаления вредных веществ и изменения химии поверхности. Каждый метод даёт определённый эффект, но ни один по‑отдельности не делает шлак надёжно реакционноспособным и стабильным при смешивании с цементом. Крупные стекловидные зерна остаются слабоактивными, а оставшиеся металлы и соли по‑прежнему могут выделять газ и оставлять пористую, хрупкую структуру.

Двухэтапная модернизация частиц шлака

Авторы работы предложили комбинированный путь, который они назвали физико‑химической со‑активацией. Сначала шлак размалывают в вращающемся барабане, разрушая слипшиеся частицы, уменьшая размер зёрен и создавая сеть микротрещин. Это открывает свежие поверхности, богатые реакционноспособными компонентами, ранее скрытыми внутри. Затем размолотый шлак выдерживают в течение суток в умеренно концентрированном растворе гидроксида кальция — распространённом и недорогом щелочном реагенте. В ходе этой ванны некоторые поверхностные слои растворяются, заключённые формы кремния и алюминия переходят в раствор, а ионы кальция присоединяются к открывшимся поверхностям. После промывки и сушки такой предварительно обработанный шлак заменяет 30 процентов цемента в стандартных растворах.

Наблюдение за теплотой, прочностью и пористостью

Чтобы проверить полезность двухэтапной обработки, исследователи следили за выделением тепла при схватывании смесей, за приростом прочности с течением времени и за внутренней структурой затвердевшего материала. Тепловые измерения показали, что только измельчение ускоряет ранние реакции, а только химическая выдержка смещает их по времени, не восстанавливая полностью активность. Когда оба шага сочетались и концентрация раствора была сбалансирована на умеренном уровне, наблюдалось мощное, правильно синхронизированное всплесковое развитие реакций. Через 28 дней растворы с со‑активированным шлаком демонстрировали прочность на сжатие выше, чем у смесей с только измельчённым шлаком, приближаясь к характеристикам чистых цементных растворов при значительном сокращении расхода цемента.

Внутри бетона: от пустот к плотному скелету

Микроскопические и рентгеновские исследования показали, в чём причина улучшения. В смесях, где использовали только размолотый или только вымоченный шлак, в затвердевшем материале всё ещё присутствовали разрозненные пустоты, микротрещины и слабые связки на контактах между зёрнами шлака и цементным тестом. Напротив, со‑активированный шлак дал плотную, сетчатую структуру, в которой тонкие продукты реакции заполняли пустоты и обволакивали частицы шлака непрерывным гелем. Измерения пористости на разных масштабах показали, что обработка уменьшает общую пористость и сдвигает распределение пор в сторону значительно более мелких и равномерно распределённых полостей. Авторы также отметили, что при слишком сильном растворе на поверхности частиц образуются избыток кристаллов, которые блокируют дальнейшую реакцию и оставляют более крупные поры, ухудшающие прочность.

Что это значит для более экологичного строительства

Проще говоря, исследование показывает, что тщательная «двойная обработка» может превратить поддувочный шлак из проблемного отхода в надёжный компонент бетона. Комбинируя короткое механическое измельчение с мягкой щелочной вымочкой и избегая чрезмерно концентрированных растворов, шлак превращается в мелкий, реакционноспособный порошок, способствующий формированию плотного и долговечного цементного матрикса. Этот подход использует существующее промышленное оборудование и недорогие химикаты, что делает масштабирование на мусоросжигательных и бетонных предприятиях реальным. При широком внедрении такая обработка может снизить потребность в новом цементе, уменьшить выбросы парниковых газов и направить большие объёмы зольного шлака с полигона в долговечные здания и инфраструктуру.

Цитирование: Zhu, Z., Zhang, Y., Yang, J. et al. Unlocking the reactivity of municipal solid waste incineration bottom ash through physicochemical co-activation toward improved cementitious performance. Sci Rep 16, 9692 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43059-w

Ключевые слова: отходы-в-ресурс, бетон с золошлаком, дополнительные цементирующие материалы, низкоуглеродное строительство, микроструктура цемента