Механические, микроструктурные и собственно-вибрационные характеристики бетона, армированного переработанными ПВХ-волокнами из электронных отходов

Превращение старых кабелей в более прочный и тихий бетон

Каждый год накапливаются горы выброшенных электрических кабелей, что создаёт нарастающую проблему отходов. В этом исследовании рассматривается неожиданный способ дать части этих материалов вторую жизнь: измельчить провода с пластиковым покрытием и добавить их в бетон. Учёные хотели выяснить, могут ли эти переработанные волокна не только повысить прочность бетона, но и уменьшить вибрации сооружений под действием транспорта, ветра или механизмов.

От груды электронных отходов до строительного материала

Команда начала с электрических кабелей, предназначенных для утилизации. Они сняли наружную оболочку и нарезали изолированные медные жилы на короткие кусочки длиной 30 или 50 миллиметров. В бетонной смеси эти кусочки действуют как крошечные армирующие нити: пластиковое (ПВХ) покрытие контактирует с цементом, а медное ядро остаётся внутри. Исследователи приготовили стандартный высококачественный бетон и затем получили несколько вариантов с разным содержанием этих волокон, а также «контрольную» смесь без волокон для сравнения. Они отливали кубы для испытаний на сжатие, балки для испытаний на изгиб и более длинные балки, чтобы изучить поведение материала при свободных колебаниях после возмущения и отпускания.

Баланс прочности: сжатие и изгиб

При сжатии бетонных кубов умеренное содержание волокон 0,8 процента по массе обеспечивало наивысшую прочность на сжатие — примерно на 8 процентов больше, чем у обычного бетона. Увеличение количества волокон выше этого уровня слегка ослабляло материал при чистом сжатии, вероятно, потому что лишние волокна начинали слипаться и создавать мелкие дефекты или дополнительные поры. В испытаниях на изгиб, однако, картина была обратной. По мере увеличения содержания волокон до 1,2 процента балки последовательно лучше сопротивлялись растрескиванию, набирая более 22 процентов прочности на изгиб по сравнению с контролем. Более длинные волокна (50 мм) давали дополнительный выигрыш в изгибе по сравнению с более короткими, поскольку большая длина «закрепления» в бетоне помогает им перекрывать более широкие трещины и поглощать больше энергии до выдёргивания.

Подавление вибраций в повседневных конструкциях

Многие бетонные конструкции — промышленные полы, фундаменты под тяжёлые станки, эстакады — постоянно испытывают колебания от движущихся нагрузок. Способность материала рассеивать эту энергию выражается через коэффициент демпфирования: чем выше значение, тем быстрее затухают вибрации. Исследователи зажали один конец каждой балки, как трамплин, отвели свободный конец вниз с известной силой и отпустили. С помощью небольшого датчика движения, подключённого к недорогому микроконтроллеру, они записывали, как вибрации балки постепенно затухают. Подгоняя измеренное движение под простую модель «затухающей волны», они определяли скорость потерь энергии. Балки с наибольшим содержанием волокон (1,2 процента) показали коэффициенты демпфирования примерно на 7,5 процента выше, чем у обычного бетона, особенно при больших амплитудах колебаний. Длина волокна немного влияла — более длинные волокна увеличивали демпфирование на пару процентов — но важнее было именно количество волокна.

Что происходит внутри бетона

Чтобы понять процессы на микроструктурном уровне, команда изучила обломки испытуемых образцов с помощью растрового электронного микроскопа. Они обнаружили плотную, хорошо сформированную цементную матрицу вокруг волокон с характерными кристаллическими структурами, которые развиваются при твердении бетона. На границах контакта волокон с цементом наблюдалось прилипание затвердевшей пасты к поверхности волокон и признаки контролируемого расслаивания и выдёргивания. В некоторых случаях пластиковое покрытие частично сдиралось с медного сердечника при возникновении трещин. Эти особенности указывают на прочный, трением обусловленный интерфейс: когда трещины пытаются раскрыться, волокна растягиваются, скользят и постепенно выдёргиваются, превращая механическую энергию в тепло и микроскопические повреждения, вместо того чтобы допускать внезапный хрупкий излом или долгие колебания.

Почему это важно для более экологичного и умного строительства

Проще говоря, это исследование показывает, что мелко нарезанные изолированные провода из электронных отходов могут дать бетону сразу два полезных эффекта: лучшее сопротивление трещинам от изгиба и небольшое снижение вибраций, при этом помогая утилизировать проблемную поток отходов. Существует оптимальная доля добавки: около 0,8 процента для сохранения прочности на сжатие и до примерно 1,2 процента, если приоритетом являются контроль вибраций и сопротивление трещинообразованию. Хотя требуются дополнительные детальные испытания, чтобы полностью отделить поведение материала от условий испытаний, результаты позволяют предположить, что превращение старых кабелей в микроскопические армирующие элементы может стать практичным шагом к более прочным, тихим и устойчивым бетонным конструкциям.

Цитирование: Admasu, M.B., Gissila, B., Aklilu, A. et al. Mechanical, microstructural, and free-vibration characteristics of concrete reinforced with recycled E-waste PVC fibers. Sci Rep 16, 14325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44699-8

Ключевые слова: переработанный бетон, волокна из электронных отходов, армирование ПВХ-волокнами, демпфирование вибраций, устойчивое строительство