Анализ прочности и стоимости геополимерного бетона с использованием золы рисовой шелухи и шлака доменной печи (GGBS) как устойчивых альтернатив цементу

Превращение отходов в более прочные здания

Бетон — основа современных городов, но производство его главного компонента — обычного портландцемента — выбрасывает в атмосферу большие объёмы углекислого газа. В этом исследовании изучается более чистый способ строительства: замена значительной части цемента промышленными и сельскохозяйственными отходами, а именно мелкодисперсным доменным шлаком (GGBS), побочным продуктом сталеплавильного производства, и золой рисовой шелухи (RHA), остающейся после сжигания шелухи для выработки энергии. Исследователи ставят простой, но ключевой вопрос: могут ли эти отходы дать бетон, который будет прочным, долговечным, экономичным и более безопасным для планеты?

Почему важны рисовая шелуха и сталелитейный шлак

Рис выращивается в больших объёмах по всему миру, особенно в таких странах, как Индия, и после этого остаются горы шелухи, которые часто сжигают, а образующаяся зола в большинстве случаев оказывается на свалках. Одновременно производство стали генерирует мелкий шлаковый порошок, способный вступать в реакцию в бетоне. И RHA, и GGBS богаты теми же базовыми компонентами, которые обеспечивают связывание в бетоне, что делает их перспективными кандидатами для замены цемента. Использование этих материалов не только перерабатывает отходы, но и уменьшает потребность в новом цементе, потенциально резко сокращая выбросы углерода и снижая нагрузку на свалки.

Разработка нового типа «зелёного» бетона

Команда изготовила тип вяжущего, известный как геополимерный бетон, который использует щелочные растворы вместо цемента для активации порошков, таких как GGBS и RHA. Они разработали смеси для трёх распространённых классов прочности — M40, M50 и M60 — примерно соответствующих от нормального до высокопрочного конструкционного бетона. Для каждого класса GGBS заменяли на золу рисовой шелухи в четырёх долях: 0 %, 10 %, 20 % и 30 %. Затем они варьировали концентрацию раствора гидроксида натрия, активирующего порошки, и отверждали контрольные кубы при комнатной температуре. Тщательно измеряя прочность кубов через 1, 3, 7 и 28 дней, исследователи могли определить, какие сочетания дают наилучшие характеристики.

Поиск оптимума прочности

Результаты показали ясную закономерность. Бетон, изготовленный только на GGBS, уже наращивал прочность быстро с течением времени, но добавление умеренных 10 % RHA делало его ещё более прочным. Во всех трёх классах смеси с 90 % GGBS и 10 % RHA достигали наибольших значений прочности на сжатие к 28 дням, немного превосходя смеси без золы рисовой шелухи. Мелкая, богатая кремнезёмом зола заполняет микропустоты и реагирует со шлаком, образуя дополнительный вяжущий гель, что приводит к более плотному и прочному материалу. Однако при содержании RHA 20 % и 30 % прочность резко падала — до 30–60 % по сравнению со смесью с 10 % — потому что при этом убирается слишком много GGBS, который обеспечивает ключевой кальций для ранней прочности.

Устойчивость к суровым условиям

Одна лишь прочность недостаточна; бетон также должен выдерживать агрессивные среды. Для оценки долговечности исследователи помещали кубы в концентрированный раствор серной кислоты на срок до 60 дней и отслеживали потерю прочности и массы. Все смеси со временем теряли часть прочности в кислоте, но смеси с 10 % RHA стабильно показывали лучшие результаты — лишь около 2 % потери прочности и примерно 1,9 % потери массы через 60 дней. Смеси с 20 % и 30 % RHA испытывали значительно большие повреждения, что подтверждает: чрезмерное содержание золы делает материал более уязвимым к химическому воздействию. Исследование также рассмотрело влияние молярности щелочного активатора и обнаружило, что растворы более высокой молярности обычно приводят к большей прочности, особенно для смесей более высокого класса.

Строительство «зелёнее» и дешевле

Параллельно с характеристиками команда сравнила материальные затраты геополимерного бетона и обычного цементного бетона для тех же классов прочности. Хотя геополимерные смеси требуют щелочных растворов и немного большего количества заполнителя, они используют значительно меньше цемента — самого дорогого и наиболее углеродоёмкого компонента. При оптимизации с 10 % заменой RHA зелёные бетонные смеси сократили производственные расходы примерно на 13 %, 16 % и 30 % для марок M40, M50 и M60 соответственно по сравнению с обычным цементным бетоном. Иными словами, более экологичный вариант одновременно оказывается и более экономичным, особенно для применений с высокой прочностью.

Чем это полезно для повседневного строительства

Для неспециалиста вывод прост: путём тщательного смешивания шлака сталелитейной промышленности и отходов рисового производства в геополимерном бетоне инженеры могут получить конструкционные материалы, которые прочны, относительно стойки к кислотному воздействию и существенно экономичнее, чем обычный цементный бетон. Исследование выделяет практический «оптимум» около 10 % замены рисовой золы, где достигаются максимальные характеристики и долговечность при минимальных затратах и воздействии на окружающую среду. При масштабном внедрении этот подход может превратить два крупных потока отходов в ценные строительные ресурсы, помогая городам развиваться, сокращая загрязнение и снижая затраты на строительство.

Цитирование: Reddy, N.G., Karikatti, V.B., Pratap, B. et al. Strength and cost analysis of geopolymer concrete using rice husk ash and GGBS as sustainable cement alternatives. Sci Rep 16, 12922 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43705-3

Ключевые слова: геополимерный бетон, зола рисовой шелухи, GGBS, устойчивое строительство, альтернативы цементу