Вулканический туф как устойчивый предшественник для синтеза геополимеров: оптимизация и микроструктурные сведения

Превращение вулканической породы в более экологичные строительные блоки

Бетон повсеместно окружает нас, но цемент, который его скрепляет, выделяет большое количество углекислого газа при производстве. В этом исследовании изучается, можно ли превратить обычную вулканическую породу — туф из Алжира — в прочный, низкоуглеродистый вяжущий материал, способный заменить часть традиционного цемента в будущих постройках.

От пеплоподобной породы к цементоподобному вяжущему

Исследователи сосредоточились на вулканическом туфе из карьера на северо‑востоке Алжира. Эта порода естественным образом богата кремнеземом и оксидом алюминия — ингредиентами, которые при смешивании со щелочной жидкостью могут образовывать твердую, камнеподобную сеть. Сначала туф высушили, тонко измельчили и провели химический анализ. Испытания показали, что он соответствует международным критериям реактивного «пуццоланового» материала, то есть способен реагировать со щелочными растворами с образованием цементоподобного вяжущего. Команда затем смешала порошок туфа с растворами гидроксида натрия и силикатом натрия, получив так называемую геополимерную пасту, которая затвердевает в твердый материал.

Настройка рецептуры для прочности

Вместо изменения по одному ингредиенту команда использовала статистическую методику планирования эксперимента, чтобы эффективно просмотреть множество возможных комбинаций. Они варьировали четыре ключевых фактора: концентрацию гидроксида натрия, количество дополнительного растворенного кремнезема, температуру отверждения и соотношение жидкости к твердому туфу. Небольшие образцы отливали и затем отверждали при комнатной температуре или в печи при повышенных температурах, после чего испытывали на прочность при сжатии — простой способ оценить нагрузку, которую материал способен выдержать.

Что оказалось важнее всего

Анализ показал, что наибольшее влияние на прочность оказывает температура отверждения, затем — количество добавленного кремнезема в активаторе и соотношение жидкости к твердому веществу. Повышение температуры отверждения с комнатной до 60 и 80 градусов Цельсия значительно увеличивало прочность и делало результаты более воспроизводимыми. Более высокое содержание кремнезема в растворе также помогало, укрепляя внутреннюю сеть, которая формируется при затвердевании. Напротив, при превышении определённого объема добавляемой жидкости материал утрачивал прочность, вероятно, из‑за образования дополнительных пор по мере испарения лишней воды. Точная концентрация гидроксида натрия оказывала менее значительное влияние по сравнению с этими факторами, при условии, что она оставалась в умеренных пределах.

Взгляд внутрь нового камня

Чтобы понять, почему одни смеси были прочнее других, команда использовала несколько методов исследования затвердевшего материала. Рентгеновская дифракция и инфракрасная спектроскопия показали, что в успешных смесях образуется большое количество стеклоподобной, гелеобразной фазы, скрепляющей частицы. Изображения, полученные в электронном микроскопе, выявили, что образцы с наилучшими характеристиками обладали плотной, безтресковой текстурой, где промежутки между зернами туфа заполнены этим гелем. Более слабые образцы, особенно отвержденные при комнатной температуре и с меньшим содержанием кремнезема, содержали больше не прореагировавших частиц, большие поры и видимые трещины — все это снижает прочность.

Оптимизация практической рецептуры

С помощью математического подхода «желательности» исследователи определили комбинацию ингредиентов и условий отверждения, которая, по прогнозу, должна давать особенно высокую прочность. Оптимизированный рецепт предполагал относительно концентрированный щелочной раствор, высокое содержание кремнезема, умеренное количество жидкости и отверждение при 80 градусах Цельсия. При проверке в лаборатории измеренная прочность оказалась близкой к предсказанному значению, что подтвердило надежность метода оптимизации и показало, что алжирский вулканический туф действительно может образовывать прочный геополимерный вяжущий.

Что это значит для будущего строительства

Для неспециалистов основное сообщение таково: широко доступная природная порода, уже разработанная в карьерах в Алжире, может быть преобразована в прочный, цементоподобный материал при активации подходящим щелочным раствором и нагреве. Хотя нужны дополнительные исследования долговечности и производства в крупном масштабе, это исследование демонстрирует, что туф может помочь сократить зависимость от традиционного цемента и снизить климатическое воздействие будущих зданий и инфраструктуры.

Цитирование: Boumaza, A., Khouadjia, M.L.K., Belebchouche, C. et al. Volcanic tuff as a sustainable precursor for geopolymer synthesis: optimization and microstructural insight. Sci Rep 16, 14932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44923-5

Ключевые слова: вулканический туф, геополимер, низкоуглеродистый бетон, температура отверждения, устойчивое строительство