Исследования на микро/мезомасштабах F‑шлаковой песчаной смеси, получаемой при синергетическом использовании зольной золы и шлака

Превращая отходы в строительный песок

Современные города буквально строятся на песке. Нам требуются огромные количества мелкого песка для бетона, растворов и штукатурки, но реки выкапывают быстрее, чем природа успевает восстановиться, что наносит ущерб экосистемам. Одновременно электростанции и сталелитейные заводы генерируют горы пылеобразных отходов, которые часто отправляют на свалки. В этом исследовании эти две проблемы объединены и рассматриваются как возможное решение: показано, как промышленные порошковые отходы можно переработать в новый вид искусственного песка — F‑Slag sand, который в ряде строительных и горных задач может заменить натуральный речной песок.

Почему нужен новый вид песка

Бум строительства в мире резко увеличил спрос на тонкие заполнители — главным образом речной песок. Добыча из русел рек приводит к размыву берегов, разрушению мест обитания и конфликтам за доступ к этому, казалось бы, скромному ресурсу. Одновременно промышленность производит огромные объемы золы‑улетучения от сжигания угля и молотого доменного шлака от производства стали. Эти порошки представляют экологический риск при длительном хранении, но при этом являются химически богатым сырьем. Авторы работы задают простой, но далеко идущий вопрос: можно ли вместо разрушительной добычи в реках инженерно переработать промышленные отходы в чистую и надежную замену природному песку?

Как инженеры формируют зерна искусственного песка

Команда смешивает порошки золы и шлака в разных соотношениях и подаёт их в специально разработанный вращающийся диск — пеллетизатор. Внутри этого вращающегося «блюдца» точно дозированный распыл щелочной жидкости — на основе натриевого силиката и гидроксида натрия — выполняет роль химического активатора и связующего. При увлажнении частицы сталкиваются и катаются, склеиваются и постепенно растут в зерна размером примерно от 5 мм до 75 мкм, что соответствует фракциям речного песка. Важный момент: процесс проходит при комнатной температуре; в отличие от ранних методов, где использовалась только зола и требовалась энергоёмкая термическая выдержка, здесь нет нужды в печном отверждении. Наиболее успешная смесь содержит 60% золы и 40% шлака — она даёт почти исключительно пескообразные зерна с хорошо сбалансированным распределением мелких, средних и крупных частиц, подходящих по стандартам для бетона и растворов.

Внутреннее устройство мелких зерен

Чтобы понять поведение этих искусственных зерен, исследователи вышли за рамки простых прочностных испытаний. Они используют электронную микроскопию и трехмерную рентгеновскую томографию, чтобы заглянуть внутрь зерен и картировать их внутреннюю структуру. Снимки показывают, что сферические частицы золы и угловатые частицы шлака плотно связаны стекловидной сетью, образующейся в ходе химической реакции, создавая плотные, хорошо упакованные зерна, которые всё же содержат мелкие взаимосвязанные поры. Дополнительные методы, изучающие минералогический состав и термостойкость, показывают доминирование стабильных силикатных структур и образование новых связывающих фаз, которые удерживают частицы вместе даже при нагреве до 800 °C с только незначительной потерей массы. Такое сочетание прочного «скелета» и контролируемой пористости объясняет, почему зерна одновременно механически стабильны и относительно лёгки.

Сравнение нового песка с речным

При испытаниях, аналогичных для обычного строительного песка, F‑Slag sand показывает немного меньшую истинную плотность по сравнению с речным песком и значительно меньшую сыпучую плотность, что позволяет получать более лёгкие конструкции с меньшей собственной нагрузкой. Его проницаемость для воды сопоставима с природным песком, что важно для дренажа, а сопротивление дроблению легко соответствует стандартным требованиям к заполнителям. Зерна впитывают больше воды, чем речной песок, из‑за собственной пористости, но их трение — способ, которым зерна блокируются под нагрузкой — практически такое же. Испытания на выщелачивание показывают, что потенциально токсичные металлы остаются запертыми внутри зерен и значительно ниже международных предельных значений, а формальная экологическая оценка риска делает вывод о незначительной опасности для окружающей среды.

Что это значит для строительства и горного дела

Сопоставляя результаты испытаний, авторы утверждают, что F‑Slag sand — это не просто лабораторное любопытство, а практичный кандидат для реального применения. Его гранулометрия и прочностные характеристики делают его пригодным для бетона, кладочных и штукатурных растворов, а низкая плотность и хорошая текучесть дают преимущества в лёгком строительстве и в заполнении пустот под землёй на шахтах. Смещение спроса с речных россыпей в сторону промышленных побочных продуктов поддерживает более циркулярную экономику: отходы теплоэлектро- и металлургических предприятий становятся сырьём для новой инфраструктуры. Авторы подчёркивают необходимость дальнейших исследований по долговечности и масштабированию производства, но их выводы указывают на будущее, в котором песок под нашими ногами будет спроектирован, устойчив и гораздо более бережлив к рекам и ландшафтам, чем заменяемый им материал.

Цитирование: Sekhar, K., Rao, B.H. & Zalar Serjun, V. Micro/meso scale investigations on F-slag sand developed with synergistic use of fly ash and slag. Sci Rep 16, 12951 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43476-x

Ключевые слова: искусственный песок, зола-уноса, шлаковая пыль, устойчивое строительство, геополимерные материалы