Experimentell och numerisk utvärdering av det mekaniska beteendet hos alkalaktiverad slaggbetong med återvunnet avfallsglas och dealuminiumatiserade metakaolinpulver

Grönare betong för en växande värld

Moderna städer är byggda på betong, men traditionell cementbaserad betong medför en stor koldioxidpåverkan och förbrukar enorma mängder råmaterial. Denna studie undersöker en ny typ av ”grön” betong som ersätter stora delar av vanlig cement och ballast med industriella biprodukter och avfall, inklusive slagg från ståltillverkning och fint malet avfallsglas. Genom att visa att sådana blandningar kan matcha eller till och med överträffa konventionell betong pekar forskningen mot hållbarare broar och byggnader som också är vänligare mot planeten.

Att förvandla industriavfall till byggstenar

Den betong som undersöktes i detta arbete baseras på alkalaktiverad slagg, ett bindemedel framställt genom kemisk aktivering av mald, granulär masugnsslagg istället för att använda Portlandcement. Forskarna ersatte delvis naturligt sand och slagg med två industriella biprodukter: återvunnet avfallsglas i pulverform och dealuminiumatiserad metakaolin, en kiseldioxid- och aluminiumoxidrik restprodukt från aluminiumutvinning. De testade också två typer av grov ballast—dolomit och basalt—och tillsatte korta stålfibrer i vissa blandningar. Totalt skapade de flera noggrant kontrollerade recept för att se hur varje ingrediens påverkade styrka, styvhet, sprickbildning och det övergripande beteendet under last.

Från laboratorieformar till uppmätt hållfasthet

För att utvärdera prestanda gjöt och härdade teamet betongkuber, cylindrar och balkar i normal rumstemperatur och undvek energikrävande värmehärdning. De mätte tryckhållfasthet (hur mycket tryck betongen tål), klyvdraghållfasthet (hur den beter sig när den dras isär indirekt), böjhållfasthet och styvhet. Överlag överträffade blandningar med hårdare basaltballast de med dolomit. När avfallsglaspulver eller dealuminiumatiserad metakaolin tillsattes blev betongen tätare och starkare. Den tydliga toppkandidaten var en blandning som kombinerade basalt, 10 % dealuminiumatiserad metakaolin (ersättande del av slaggen) och 1 % stålfibrer: den visade de högsta tryck-, drag- och böjhållfastheterna samt störst styvhet.

En titt in i betongens inre skelett

För att ta reda på varför vissa blandningar fungerade bättre undersökte forskarna tunna snitt av betongen i svepelektronmikroskop och använde kemiska sonder för att kartlägga fördelningen av viktiga grundämnen. Sämre blandningar visade en porös, fläckig intern struktur med svaga kontaktzoner mellan ballast och pasta. I kontrast hade de bäst presterande blandningarna ett tättpackat, enhetligt nätverk av reaktionsprodukter som binder allt samman, särskilt runt basaltaggregaten och stålfibrerna. Dealuminiumatiserad metakaolin bidrog till att bilda en tät, sammanlänkad gel som fyllde mikrokaviteter, medan stålfibrerna överbryggade utvecklande sprickor och förhindrade att de öppnades plötsligt. Denna förfinade mikrostruktur förklarar ökningen i styrka, seghet och motstånd mot sprickbildning.

Simulera balkar innan de byggs

Utöver små provstycken använde studien avancerade ändlig element-simuleringar för att förutsäga hur fullskaliga armerade betongbalkar av de olika blandningarna skulle bete sig vid böjning. Forskarna kalibrerade en skademodell i programmet ABAQUS så att dess spännings–töjningskurvor matchade de som mättes i laboratoriet. När modellen var inställd återgav den med hög noggrannhet brottlaster och sprickmönster för kuber, cylindrar och prismor. De genomförde sedan en virtuell parametrisk studie av armerade balkar. Balkar tillverkade med basalt och de optimerade avfallsbaserade blandningarna bar betydligt högre laster, böjde sig mindre vid toppbelastning och visade mer gradvisa, duktila sprickbildningar. Blandningen med 10 % dealuminiumatiserad metakaolin och 1 % stålfibrer ökade lastkapaciteten med ungefär 46 % och minskade midspannsböjningen med cirka en femtedel jämfört med en referensblandning, allt utan att ändra stålarmeringen.

Vad detta betyder för framtida konstruktioner

För icke-specialister är slutsatsen tydlig: det är möjligt att utforma betong som både är starkare och mer hållbar genom att omvandla industriellt restmaterial—slagg, avfallsglas och dealuminiumatiserade leror—till högpresterande ingredienser, särskilt i kombination med stålfibrer och robust ballast. Studien visar att sådan grön betong kan testas tillförlitligt, förstås på mikroskopisk nivå och modelleras med förtroende i datorn, vilket ger ingenjörer praktiska verktyg för att utforma säkrare och mer effektiva balkar och andra element. På lång sikt kan detta tillvägagångssätt bidra till att minska byggsektorns miljöbelastning samtidigt som slitstarka vägar, broar och byggnader levereras.

Citering: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

Nyckelord: hållbar betong, avfallsglas, geopolymer, stålfibrer som armering, numerisk modellering