Сравнительный анализ влияния «зелёных» смешанных активаторов на долговечность и механические свойства шлакообразного геополимерного цемента

Строим более прочный и экологичный бетон

Цемент повсюду: в домах, мостах и тротуарах. Но производство традиционного портландцемента сопровождается большими выбросами углекислого газа, что усиливает изменения климата. В этом исследовании рассматривается перспективная альтернатива — шлакообразный геополимерный цемент, который может перерабатывать промышленные отходы и сокращать выбросы. Учёные ставят прагматичный вопрос для будущего строительства и инфраструктуры: можно ли заменить часть агрессивных, едких химикатов, обычно используемых для получения таких вяжущих, более мягкими и дешёвыми «зелёными» порошками, не жертвуя прочностью и долговечностью?

От стального шлака к вяжущему нового поколения

Изучаемый цемент изготовлен из молотого гранулированного доменного шлака — тонкого порошка, остающегося после производства стали. При смешивании этого шлака со специальными щелочными порошками и водой он затвердевает в материал, похожий на бетон, но с меньшим климатическим следом. Команда сравнила три типа активаторов: стандартную дозу силикатов натрия (сильное, но коррозионно-активное вещество), смеси силикатов натрия с карбонатом кальция (основной компонент известняка) и смеси силикатов натрия с карбонатом натрия (обычная сода). Все компоненты использовали в сухом виде, чтобы, как и обычный цемент, потребители на стройплощадке добавляли только воду.

Поиск правильной химической рецептуры

Учёные измеряли скорость схватывания каждой смеси, развитие прочности во времени и способность воды проникать в материал. Замена части силикатов натрия на карбонат кальция замедляла затвердевание и приводила к значительной потере прочности — до 70% ниже через 90 дней для смесей с наибольшим содержанием карбоната кальция. Материал также становился более пористым, с повышенным водопоглощением и пониженной плотностью, что указывает на более слабую внутреннюю структуру. Напротив, замена небольшой доли силикатов натрия карбонатом натрия фактически улучшила характеристики. Смесь, содержащая 7% силикатов натрия и 3% карбоната натрия, обеспечивала на 10–12% большую прочность на сжатие по сравнению с контролем на основе только силикатов натрия в период от 3 до 90 дней, при более низкой пористости и повышенной плотности.

Устойчивость к солям и огню

Долговечность в суровых условиях критична, если такие вяжущие должны заменить обычный цемент. Команда подвергала образцы воздействию раствора сульфата магния до шести месяцев — агрессивной среде, которая часто повреждает бетон в почвах и грунтовых водах. Смеси с высоким содержанием карбоната кальция сильно разрушались, прочность падала до 3,1 МПа, что указывает на серьёзное внутреннее растрескивание и потерю вяжущего геля. Напротив, смеси, содержащие карбонат натрия, сохраняли большую часть прочности, оставаясь в диапазоне 34–40 МПа после той же выдержки. Исследователи также подвергали образцы термической обработке при 300, 600 и 800 °C, имитируя сильный нагрев и пожар. Снова смесь с 7% силикатов натрия и 3% карбоната натрия выделялась, сохраняя примерно 70%, 51% и 39% от исходной 28‑дневной прочности при этих температурах — значительно лучше, чем смеси с карбонатом кальция, потерявшие 32–84% прочности.

Взгляд внутрь материала

Чтобы понять, почему некоторые смеси показывали лучшие результаты, команда использовала рентгеновскую дифракцию, инфракрасную спектроскопию и электронной микроскопию для изучения их внутренней структуры. Эти методы показали, что смеси с карбонатом натрия формировали более плотные, непрерывные вяжущие гели, которые связывают частицы шлака в компактную сеть с меньшим числом трещин и пор. Химия благоприятствовала образованию прочных алюмосиликатных и кальций–алюмосиликатных гелей, устойчивых к нагреву и сульфатосодержащей воде. Напротив, смеси с высоким содержанием карбоната кальция имели больше нереагировавшего порошка и кальцийсодержащих фаз, которые легко атакуются сульфатами и нестабильны при высоких температурах, что приводит к более слабой и трещиноватой микроструктуре.

Что это значит для будущего строительства

В целом исследование показывает, что карбонат натрия является технически обоснованной, более безопасной и экономичной частичной заменой силикатов натрия в шлакообразном геополимерном цементе. Тщательно сбалансированная смесь — особенно вариант с 7% силикатов натрия и 3% карбоната натрия — даёт прочные, плотные и более долговечные вяжущие, которые лучше противостоят сульфатной агрессии и высоким температурам, чем системы исключительно на силикатах натрия и значительно лучше, чем те, что основаны на карбонате кальция. Для неспециалиста вывод прост: изменив рецептуру порошка с добавлением распространённого и относительно мягкого компонента (соды), мы можем превратить отходы сталелитейного производства в более «зелёный» цемент, который не только безопаснее для рабочих и окружающей среды, но и достаточно прочен для долговечных зданий и инфраструктуры.

Цитирование: Hashem, F.S., Fadel, O., Hassan, H.S. et al. A comparative analysis of the effects of green blended activators on the durability and mechanical performance of slag-based geopolymer cement. Sci Rep 16, 12752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44669-0

Ключевые слова: зелёный цемент, геополимер, шлакосвязывающее, активатор карбонат натрия, долговечный бетон