Оптимизация потенциального использования отходов — порошка клинкера масличной пальмы — в цементных затирках для полужёстких покрытий с помощью методологии поверхности отклика

Преобразование отходов в более прочные дороги

Производство цемента — значительный источник углекислого газа, способствующего потеплению климата, однако мы зависим от него при строительстве зданий и магистралей. В то же время развивающаяся индустрия производства пальмового масла генерирует большие объёмы клинкерных отходов, которые обычно отправляются на свалки. В этом исследовании задаётся простой, но важный вопрос: можно ли превратить эти нежелательные отходы в полезный компонент для более прочных и экологичных дорожных покрытий?

Почему строителям дорог важны новые составы

Современные дороги должны выдерживать интенсивное движение, разливы топлива, жару, дождь и многолетний износ. Специальный тип покрытия, называемый полужёстким, сочетает пористый асфальтовый скелет с цементной затиркой, которая просачивается в пустоты и затвердевает. Такие поверхности выдерживают тяжёлые нагрузки и лучше сопротивляются образованию колей по сравнению со стандартным горячим асфальтом, но при этом требуют большого количества цемента. Заменив часть цемента мелкоизмельчённым порошком клинкера масличной пальмы (POCP), исследователи надеялись сократить выбросы и количество отходов, сохранив — или даже улучшив — эксплуатационные характеристики.

Подбор правильного рецепта

Команда рассматривала затирку как кулинарный рецепт, требующий точной настройки. Они варьировали два ключевых компонента: долю цемента, заменённую POCP (0–30 %), и водо‑цементное отношение (насколько «жидкая» смесь). С помощью статистического подхода, называемого методологией поверхности отклика, было запланировано 80 испытательных смесей, и измеряли, насколько легко каждая затирка растекается по конусу и насколько прочной она становится через 1, 7 и 28 дней. Для полужёстких покрытий затирка должна быть достаточно текучей, чтобы заполнить поры асфальта, и в то же время достаточно прочной, чтобы выдерживать движение. Анализ показал, что добавление POCP в целом улучшает текучесть, поскольку порошок поглощает меньше воды, чем цемент, оставляя больше свободной воды для смазки смеси.

Поиск оптимума

Испытания прочности выявили компромисс. Смеси на чистом цементе были самыми прочными, и прочность снижалась с увеличением содержания POCP, особенно при высоком водо‑цементном отношении, поскольку частицы клинкера более пористы и менее реакционноспособны, чем цемент. Тем не менее многие смеси с POCP уверенно превосходили практические целевые значения прочности. Оптимизированный рецепт оказался с водо‑цементным отношением около 0,46 и 20 % замены цемента POCP. Эта смесь обладала требуемой текучестью и давала более чем достаточную прочность на всех возрастах твердения, что делает её перспективным компромиссом между эксплуатационными характеристиками и устойчивостью.

Поведение новой затирки внутри покрытия

Чтобы понять внутреннюю структуру, исследователи изучали образцы затвердевшей затирки в электронном микроскопе. Обычная затирка формировала плотную непрерывную структуру, тогда как модифицированная POCP затирка демонстрировала больше пор и включённых частиц клинкера. Это объясняет небольшое падение прочности и более высокий расход материала в ударных испытаниях на износ. Когда оптимизированная затирка применялась в реальных плитах полужёсткого покрытия, слои дороги сравнивали с контрольной полужёсткой смесью и обычным горячим асфальтом. Полужёсткие поверхности, как с POCP, так и без него, показали более чем двукратно большую устойчивость по сравнению с традиционным асфальтом, лучшее сопротивление повреждению от влаги и значительно более высокую устойчивость к воздействию дизельного топлива благодаря жёсткому цементному скелету.

Преимущества, компромиссы и направления для развития

Покрытия на основе отходов пальмы не были идеальны. Их повышенная жёсткость означала меньшую способность поглощать повторяющиеся удары, что приводило к большему потере частиц в испытании Cantabro по сравнению с гибким асфальтом. Зона перехода между твёрдой затиркой и более мягкими, битумно‑покрытыми камнями также выступала слабым звеном при ударных нагрузках. Авторы предлагают, чтобы будущие конструкции стремились к несколько меньшему содержанию воздушных пустот в асфальтовом скелете для повышения гибкости, а также отмечают необходимость установить отраслевые стандарты прочности для таких затирок.

Что это значит для обычных дорог

Проще говоря, исследование показывает, что измельчённые отходы пальмового клинкера, используемые для замены примерно одной пятой цемента в полужёстких дорожных покрытиях, могут обеспечить прочные и долговечные дороги. Такие POCP‑слои особенно хорошо выдерживают тяжёлые нагрузки, влагу и разливы топлива — условия, обычные для стоянок грузовиков, платных пунктов и промышленных площадок — при одновременном снижении зависимости от свежего цемента и уменьшении отходов, отправляемых на свалки. С дальнейшей доработкой для повышения ударной стойкости этот подход может помочь сделать будущие дороги и более прочными, и более экологичными.

Цитирование: Khan, N., Sutanto, M.H., Khan, M.I. et al. Optimizing the potential use of waste palm oil clinker powder in cementitious grouts for semiflexible pavements using response surface methodology. Sci Rep 16, 14420 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47875-y

Ключевые слова: полужёсткое покрытие, клинкер масличной пальмы, устойчивые дороги, замена цемента, взаимобразование отходов