В экологически чистом бетоне в качестве заменителей мелкого заполнителя используются зола рисовой шелухи, ПЭТ и резиновая крошка от автомобильных шин

Нынешний экологический кризис связан не только с изменением климата, но и с неадекватным управлением отходами и интенсивным потреблением природных ресурсов. В 2023 году было образовано около 2,3 миллиарда метрических тонн твердых бытовых отходов, и прогнозируется, что к 2050 году эта цифра достигнет 3,8 миллиарда метрических тонн. Значительная часть этих отходов попадает на свалки или сжигается, выбрасывая в атмосферу парниковые газы. В случае с ПЭТ (полиэтилентерефталатом) сжигается 35%, что приводит к выбросу примерно 534 миллионов метрических тонн эквивалента CO₂ в год.

В то же время строительная отрасль отвечает за 40–50% глобальных выбросов CO₂, потребляет почти 40% мировой энергии и добывает до 60% мирового сырья. Особую тревогу вызывает спрос на песок, который достигает 50 миллиардов метрических тонн в год — вдвое больше, чем природа может восполнить за тот же период.

В этом контексте использование переработанных материалов в качестве частичной замены мелких заполнителей представляется практической стратегией для сокращения выбросов, уменьшения добычи ресурсов и перехода к более устойчивым методам строительства.

От отходов к ресурсам: переосмысление мелкого заполнителя.

В исследовании , опубликованном в журнале Construction and Building Materials, оценивалось поведение бетона при частичной замене мелкого заполнителя (песка) тремя переработанными материалами, широко доступными в регионе:

• Зола рисовой шелухи (ЗРШ)

• Измельчённый ПЭТ-пластик

• Резина, полученная из отработанных автомобильных шин.

Эти материалы были выбраны из-за их обилия в качестве твердых отходов в городском и агропромышленном секторах, а также из-за их потенциала для непосредственного включения в бетонные смеси без необходимости сложной химической обработки.

Были проанализированы уровни замещения мелкого заполнителя в количестве 2,5%, 5% и 10% по весу, и каждая смесь сравнивалась с обычным эталонным бетоном. Цель заключалась в оценке того, как эти замещения влияют на ключевые свойства, такие как:

• Спад

• Плотность

• Содержание воздуха

• Прочность на сжатие

• Предел прочности при растяжении при раскалывании

• Модуль упругости

Кроме того, были проведены микроструктурные исследования с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), а также термический анализ методом термогравиметрического анализа (ТГА) для лучшего понимания взаимодействия этих материалов с цементной матрицей.

Какой материал показал наилучшие результаты?

Результаты показывают, что включение переработанных материалов в бетон вполне осуществимо, хотя и с учетом определенных технических ограничений.

Зола рисовой шелухи (ЗРШ)

Наилучшие общие показатели показала RHA. При уровне замещения 2,5% снижение прочности на сжатие составило всего 1,6% через 28 дней, что практически незначительно с точки зрения прочности на сжатие. Такое поведение объясняется высоким содержанием кремнезема и пуццолановыми свойствами, которые способствуют химическим реакциям, уплотняющим бетонную матрицу.

Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа подтвердил улучшенную интеграцию в переходной зоне между заполнителем и цементной пастой.

Однако зола рисовой шелухи представляла собой серьезную проблему: высокое водопоглощение, требовавшее корректировки соотношения воды и цемента для поддержания удобоукладываемости. Тем не менее, технически осуществимым может считаться замещение до 5% при условии обеспечения надлежащего контроля состава смеси.

Переработанный ПЭТ

ПЭТ продемонстрировал промежуточные результаты. При уровне замещения 2,5% прочность на сжатие снизилась примерно на 10%, а прочность на растяжение — примерно на 18%.

Будучи гидрофобным и нереактивным материалом, ПЭТ не образует химических связей с цементной матрицей. Однако он сохраняет хорошую удобоукладываемость и не требует корректировки водоцементного соотношения. Статистический анализ показал, что в некоторых случаях изменения прочности на растяжение не являются статистически значимыми.

При уровне замены до 5% механические потери можно считать умеренными и приемлемыми для неконструктивных или малонагруженных применений.

Резина шины

Переработанная резина показала наибольшее снижение механических свойств, особенно при более высоких уровнях замещения. Хотя она обладает такими преимуществами, как более низкая плотность (что может снизить сейсмические нагрузки) и повышенная пластичность, её гидрофобная природа и гладкая поверхность приводят к слабому межфазному переходу с цементной пастой.

Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показали более прерывистый интерфейс по сравнению с RHA. Тем не менее, при уровне замещения до 5% потери производительности остаются технически приемлемыми.

Что произойдет, если уровень замещения увеличится?

Ключевым выводом стало то, что постепенное увеличение уровня замещения приводит к соответствующему снижению механических свойств. При уровне замещения до 5% снижение прочности на сжатие и растяжение, как правило, оставалось ниже 25%. При уровне замещения 10% снижение стало более выраженным, особенно в отношении модуля упругости, причем в некоторых случаях оно достигало 34%.

Статистический анализ (ANOVA и тест Тьюки) подтвердил, что как тип материала, так и уровень замещения существенно влияют на механические характеристики. С технической точки зрения, уровень замещения в 5% представляет собой оптимальный баланс между экологичностью и структурной прочностью.

Помимо прочности: термическое поведение и микроструктура.

Термогравиметрический анализ (ТГА) показал, что термическое поведение не подчиняется линейной зависимости от увеличения уровня замещения. Щелочь рисовой шелухи (RHA) продемонстрировала более стабильные термические характеристики, что объясняется ее химической совместимостью с цементом. В отличие от нее, полиэтилентерефталат (PET) и каучук показали большие потери массы при средних уровнях замещения, что связано с их полимерной природой.

С микроструктурной точки зрения, качество переходной зоны на границе раздела фаз (ПЗП) являлось определяющим фактором. Улучшенная интеграция в этой зоне приводила к снижению потерь прочности.

Выводы

Результаты показывают, что:

• Технически осуществимо использование ПЭТ, каучука и рисовой шелухи в качестве частичных заменителей мелкого заполнителя.

• Наилучшие структурные характеристики показала RHA, особенно при низком уровне замещения.

• Уровень замены в 5% представляет собой оптимальный баланс между экологичностью и механическими характеристиками.

• Уровень замены в 10% приводит к значительному снижению качества, что ограничивает его использование в сложных конструкционных приложениях.

Этот подход, выходящий за рамки простой модификации состава смеси, представляет собой сдвиг парадигмы в строительстве: переход от модели добычи ресурсов к модели замкнутого цикла, где отходы преобразуются в ресурсы.

Переход к более экологичным материалам не требует жертвования безопасностью или производительностью, а скорее инноваций, технического контроля и готовности к изменениям.

Включение переработанных отходов в бетон — это конкретный шаг на пути к созданию более устойчивых и ответственных городов, отвечающих экологическим вызовам XXI века.

Источник: https://techxplore.com/news/2026-04-sustainable-concrete-rice-husk-ash.html