Одновременное влияние наночастиц ZnO и микрокремнезема на механические свойства бетона

Более прочный бетон для суровых условий

От прибрежных мостов до городских туннелей — многие важные сооружения постепенно ослабевают, когда соль и загрязнения разрушают бетон, который их поддерживает. В этом исследовании рассматривается простая идея с большими последствиями для повседневной жизни: можно ли изменить состав бетона на микро‑ и наноуровне так, чтобы здания и инфраструктура служили дольше в агрессивной среде, например в морской воде или под действием противогололедных солей? При тщательном сочетании двух промышленных побочных продуктов и добавки — микрокремнезема и наночастиц оксида цинка — авторы показывают, что возможно получить более долговечный бетон без радикального изменения существующей технологии его изготовления.

Что особенного в этой новой смеси бетона?

Бетон — это смесь цемента, песка, щебня и воды. Когда цемент реагирует с водой, образуется клееобразная сеть, которая удерживает компоненты вместе, но при этом формируются и более слабые продукты гидратации, уязвимые к химическому воздействию. Микрокремнезем, очень тонкий порошок из кремниевой отрасли, может реагировать с этими слабыми продуктами и превращать их в дополнительное вяжущее, делая внутреннюю структуру более плотной. Наночастицы оксида цинка, в тысячи раз мельче зерен песка, могут выступать в роли крошечных ядер, вокруг которых растет новая твердая фаза. В работе авторы систематически варьировали доли микрокремнезема и оксида цинка, добавляемых в стандартный высокопрочный бетон, в поисках сочетания, которое давало бы наилучший баланс между удобством смешивания, прочностью и стойкостью к повреждениям.

Как проводились эксперименты

Команда приготовила тринадцать различных рецептур бетона, начиная с традиционной смеси и затем частично заменяя цемент микрокремнеземом (до 16%) или наночастицами оксида цинка (до 1,2%), а также сочетая оба компонента вместе. Все смеси использовали одинаковые соотношения песка, щебня и воды, чтобы тестировались только изменения в вяжущих. После формования и твердения исследователи измеряли текучесть каждой смеси, скорость схватывания и прочность на сжатие, растяжение и изгиб в течение года. Чтобы имитировать реальную эксплуатацию, часть образцов после начального твердения в течение месяцев выдерживали в растворах, богатых сульфат- или хлорид‑ионами — веществах, известных своей атакой на бетон в почвах, морской воде и среде противогололедных реагентов. Команда также использовала рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию, чтобы заглянуть внутрь затвердевшего материала и увидеть расположение его мельчайших структурных элементов.

Что показали результаты о прочности и долговечности

Каждый из добавок — и микрокремнезем, и оксид цинка — в отдельности улучшал прочность и химическую стойкость бетона, но только до оптимальной дозы. Чрезмерное количество микрокремнезема или наночастиц усложняло работу со свежей смесью и могло вызывать тонкие дефекты. Лучшей оказалась тройная композиция, содержащая 8% микрокремнезема и 0,9% наночастиц оксида цинка по массе цемента. Через год эта смесь продемонстрировала почти на 9% большую прочность на сжатие и умеренный, но стабильный рост прочности на растяжение и изгиб по сравнению с обычным бетоном. Еще важнее для долговечности: образцы с этой смесью потеряли значительно меньше прочности при воздействии сульфатных и хлоридных растворов; их остаточная прочность была примерно на 18–19% выше по сравнению с контрольными образцами после длительной химической агрессии.

Что происходит внутри материала

Микроскопические исследования и рентгеновский анализ помогли пояснить, почему именно такое сочетание работает так эффективно. В обычном бетоне внутренняя структура содержала множество пластинчатых кристаллов и рыхло упакованные зоны с заметными пустотами, через которые могли проникать вредные ионы. Добавление микрокремнезема снизило долю слабых кальцийсодержащих кристаллов и увеличило объем более гелеобразной связующей фазы, уплотнив структуру. Введение оксида цинка привело к образованию новых соединений, содержащих цинк, и создало дополнительные центры нуклеации, стимулируя формирование более непрерывной и компактной сети. При совместном использовании добавок в оптимальных долях микроструктура стала заметно более гладкой и плотной, с меньшим количеством крупных кристаллов и связанных пор. Такая уплотнённая внутренняя структура затрудняет проникновение агрессивных химических агентов и последующее повреждение материала.

Почему это важно для повседневных сооружений

Для неспециалистов вывод прост: при внимательной настройке компонентов цементного вяжущего на микро‑ и наноуровне можно получить бетон, который становится немного прочнее и существенно устойчивее к химическому разрушению, при этом не меняя порядок его применения на стройплощадке. Исследование показывает, что смесь с 8% микрокремнезема и 0,9% наночастиц оксида цинка лучше выдерживает солевые и сульфатные условия — распространённые причины преждевременных трещин и затрат на ремонт в мостах, прибрежных ограждениях, паркингах и промышленных полах. На практике такой подход даёт инженерам реалистичный путь к более долговечной и устойчивой инфраструктуре, требующей меньшего числа ремонтов в течение срока службы.

Цитирование: Kumar, M., Bansal, M., Krishan, B. et al. Simultaneous effect of ZnO nanoparticles and silica fume on the mechanical properties of the concrete. Sci Rep 16, 12936 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43196-2

Ключевые слова: бетон высокой прочности, микрокремнезем, наночастицы оксида цинка, стойкость к сульфатам и хлоридам, мироструктура