Влияние биологических и сельскохозяйственных пенообразователей на бетонные отходы для изготовления пористых керамических материалов

Преобразование старого бетона в полезные новые материалы

Во многих городах мира население быстро растёт, и вместе с этим увеличивается поток разрушенного бетона от сносимых зданий. Большая часть этого щебня оказывается на свалках, занимая место и расходуя природные ресурсы. В этом исследовании рассматривается креативный способ превратить нежелательный бетон в лёгкие пористые керамические блоки, которые помогают сохранять тепло или прохладу в зданиях, с использованием повседневных материалов, таких как мука, дрожжи, опилки и пшеничная солома.

Почему поры и пустоты бывают полезны

Учёные сосредоточились на особом типе керамики, насыщенном мелкими порами. Эти поры могут быть открытыми и связанными, позволяя газам и жидкостям проходить, либо более закрытыми, удерживая воздух внутри. Такие материалы привлекательны для фильтров, газовых горелок и изоляционных панелей, потому что захваченный или направляемый воздух замедляет теплообмен и может задерживать частицы. Начиная с раздробленного бетонного вторсырья и добавляя простые органические ингредиенты, команда стремится создать пористую структуру без использования дорогих синтетических химикатов.

Готовка из бетонных отходов и кухонных ингредиентов

Для получения этих материалов команда высушивала и дробила старый бетон, смешивала его с песком, водой и кукурузным крахмалом, а затем добавляла один из нескольких вспомогательных пенообразователей: пшеничную муку, дрожжи, разрыхлитель, опилки или пшеничную солому. Крахмал выполняет роль клея и источника газа: при нагревании он разбухает, сгорает и оставляет пустоты. Добавленные пенообразователи создают дополнительный газ или выгорают при обжиге, формируя дополнительные поры. Смесь перемешивают до состояния суспензии, осторожно подогревают, чтобы пузырьки выросли и зафиксировались, затем обжигают сначала при 900 °C, а затем при более высоких температурах 1200 °C, 1250 °C или 1300 °C для спекания и упрочнения блоков.

Как выбор пенообразователя формирует материал

Испытания показали, что температура обжига и тип пенообразователя вместе контролируют плотность, прочность и теплоизоляционные свойства готовой керамики. При повышении температуры поры, как правило, сжимались или частично закрывались, поэтому большинство образцов становилось менее пористым, но более плотным и прочным. Мука и дрожжи дали сильно пористые материалы: образцы на основе муки имели пористость более половины объёма, при этом формировалась прочная сеть связанных пор. Опилки и солома, содержащие более крупные частицы, приводили к появлению больших и более неравномерных пор, но при этом сохраняли высокую общую пористость. В отличие от них, разрыхлитель образовывал относительно мелкие поры и наивысшей температуре способствовал образованию стекловидных фаз, что уменьшало пористость сильнее, чем в других образцах.

Баланс между прочностью, лёгкостью и теплопередачей

Механические и тепловые испытания подчёркивают важные компромиссы. Образцы с большим количеством пор обычно имели меньшую прочность при сжатии, но окончательные свойства также зависели от размера и формы пор. Керамика на основе опилок выделялась прочностью, достигая более 5 мегапаскалей при 1300 °C, сохраняя при этом примерно 38 процентов объёма в виде пор. Керамика на основе муки имела несколько меньшую прочность, но отличалась высокой пористостью и наименьшей измеренной теплопроводностью, что делает её перспективной для теплоизоляции. Измерения теплопередачи и теплопроводности показали, что все органические добавки снижали теплообмен по сравнению с простым образцом на бетонной основе, причём мука, дрожжи и опилки показали наилучшие результаты как натуральные усилители изоляции.

От строительного мусора к будущей изоляции и фильтрам

В целом исследование показывает, что разрушенный бетон можно превратить в полезную пористую керамику с помощью обычных биологических и сельскохозяйственных побочных продуктов вместо дорогих промышленных химикатов. Путём регулирования температуры обжига и типа пенообразователя можно настроить баланс между прочностью, весом и изоляцией. Полученные материалы потенциально пригодны для использования в газовых горелках, фильтрационных устройствах и жаропрочных облицовках, одновременно сокращая объёмы свалок и спрос на первичные минеральные ресурсы. Для неспециалистов ключевое сообщение таково: повседневные ингредиенты, такие как мука, дрожжи и опилки, могут помочь преобразовать строительный мусор в более умные и устойчивые строительные материалы.

Цитирование: Khattab, R.M., Abo-Almaged, H.H., Ali, .M. et al. Effect of biological and agricultural foaming agents on concrete waste for the preparation of porous ceramic materials. Sci Rep 16, 15463 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52176-5

Ключевые слова: пористая керамика, переработка бетона, теплоизоляция, опилки и солома, пенообразователи