Комплексная оценка экологических показателей и долговечности бетона с добавлением биоугля

Более экологичный и прочный бетон для потепляющегося мира

Бетон повсюду — от мостов и автомагистралей до жилых высоток — и производство его главного компонента, цемента, выделяет огромные объёмы углекислого газа. Это исследование рассматривает простую идею с большими последствиями: что если мы сможем «запереть» растительный углерод внутри бетона, сохранив его прочность и долговечность в суровые зимы? Путём добавления небольшого количества древесного «биоугля» в бетон учёные попытались выяснить, можно ли строить конструкции, которые одновременно устойчивее к повреждениям от замораживания–оттаивания и заметно мягче воздействуют на климат.

Преобразование древесных отходов в полезный компонент

Биоуголь — это материал, похожий на древесный уголь, получаемый при нагревании отходов древесины в условиях пониженного содержания кислорода. Команда приготовила мелкий порошок из древесных пеллет и подробно изучила его с помощью микроскопов и приборов, выявляющих площадь поверхности, размеры пор и химические связи. Они обнаружили, что измельчённые частицы биоугля по размеру сопоставимы с зернами цемента, но пронизаны крошечными порами и каналами. Эти поры обеспечивают биоуглю большую внутреннюю площадь поверхности и способность удерживать воду, а углеродная, химически устойчивая структура означает, что содержащийся в нём углерод может оставаться захваченным длительное время. В совокупности эти свойства делают биоуголь перспективным кандидатом на частичную замену цемента в бетоне.

Как готовили и испытывали новый бетон

Чтобы уйти от мелкосерийных лабораторных опытов, исследователи произвели четыре полноразмерных бетонных состава на настоящем бетонном заводе: стандартный контрольный состав и три варианта, в которых биоуголь заменял 3, 5 или 7 процентов цемента по массе. Все составы были рассчитаны на достижение умерённой конструкционной прочности — 24 мегапаскаля, типичной для многих зданий и покрытий. Были отлиты цилиндры и балки, выдержаны в воде до года, а затем испытаны на прочность при сжатии, изгибе, жёсткость и устойчивость к 300 быстрым циклам замораживания–оттаивания — условия, похожие на многократное зимнее замерзание и оттаивание в холодном климате. Команда также изучала внутреннюю пористую структуру и микротрещины с помощью ртутной порозиметрии и сканирующей электронной микроскопии.

Прочность, трещины и зимняя долговечность

Результаты показывают очевидную «золотую середину». При замене 3–5 процентов цемента биоуглём бетон по-прежнему достигал или превосходил проектную прочность и продолжал набирать прочность в течение года, хотя и немного уступал чистому составу. При 7-процентной замене прочность на сжатие упала более чем на треть, что указывает на чрезмерное удаление цемента. При сжатии чистый бетон склонялся к резкому разрушению с диагональными сдвиговыми трещинами, тогда как смеси с 3 и 5 процентами показывали более вертикальные, распределённые трещины — признаки менее хрупкого разрушения. В испытаниях на циклы замораживания–оттаивания все составы показали хорошие результаты, сохранив более 90 процентов начальной жёсткости после 300 циклов. Примечательно, что бетон с 5-процентным содержанием биоугля сравнялся или немного превзошёл обычный состав по стандартному показателю долговечности и продемонстрировал значительно меньшее увеличение видимых поверхностных повреждений с течением времени, хотя его поверхность изначально имела больше мелких дефектов. Пористый биоуголь, по-видимому, действует как сеть миниатюрных «буферов давления», давая замерзающей воде пространство для расширения и уменьшая рост вредных трещин.

Углеродный след и энергопотребление

Поскольку производство цемента очень энергозатратно и углеродоёмко, каждый килограмм заменённого цемента имеет значение. Команда провела анализ жизненного цикла «от колыбели до ворот», рассматривая выбросы и энергопотребление от добычи сырья до производства бетона. По мере увеличения доли биоугля глобальное потепление на кубический метр бетона стабильно снижалось. При 7-процентной доле биоугля рассчитанный углеродный след оказался примерно на 28 процентов ниже, чем у чистого состава, отчасти благодаря способности биоугля хранить углерод, аккумулированный деревьями. Потребность в энергии также снизилась с ростом доли биоугля, поскольку производство биоугля в исследованных условиях требовало меньше невозобновляемой энергии, чем производство эквивалентной массы цемента. Сопоставление этих экологических выгод с измеренной потерей прочности указывает на оптимальный диапазон замены приблизительно 3–5 процентов.

Что это значит для будущих зданий

Для неспециалистов вывод прост: заменяя небольшую часть цемента мелкоизмельчённым древесным биоуглём, можно получить бетон, достаточно прочный для обычных конструкций, выдерживающий многократные циклы замораживания и оттаивания и обладающий заметно меньшей углеродной нагрузкой. Исследование показывает, что умеренная доза биоугля — около 3–5 процентов от массы цемента — предлагает наилучший компромисс, сокращая выбросы парниковых газов без жертв в долговечности. Если этот подход будет широко принят и доработан в условиях реального строительства, он может помочь превратить бетон из серьёзной климатической проблемы в более экологичный строительный материал, одновременно давая вторую жизнь древесным отходам, которые иначе могли бы быть сожжены или выброшены.

Цитирование: Kang, SB., Woo, JS., Pyo, M. et al. Comprehensive evaluation of the environmental performance and durability of biochar-incorporated concrete. Sci Rep 16, 10803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45887-2

Ключевые слова: бетон с биоуглём, низкоуглеродные материалы, стойкость к замораживанию–оттаиванию, улавливание углерода, устойчивое строительство