Инновации в строительстве: учёные предложили добавлять стеклянные отходы в бетон

Учёные Донского государственного технического университета (ДГТУ) предложили использовать стеклянный порошок в качестве частичной замены цемента в строительных смесях.

В составе международного научного коллектива они доказали, что это позволит не только решить проблему накопления стеклянных отходов, но и локализовать производство стройматериалов, при этом снизив их стоимость.

Чудо-порошок

Вместе с коллегами из Азербайджана, Саудовской Аравии, Сомали и Турции российские исследователи получили доказательства, что добавление в строительную смесь стеклянных отходов вместо части цемента в рациональном количестве не ухудшает механических свойств бетона и конструкций на его основе. Результаты исследований представлены в издании Scientific Reports. Как отмечают авторы публикации, в состав цемента входят глины и известняки, которые регулируют пластичность строительной смеси, а также добавки, увеличивающие его прочность, сокращающие время затвердевания или влияющие на другие характеристики. В среднем в цементе содержится около 20% оксида кремния (SiO2) – того же вещества, которое используется как основа для бытовых и промышленных стёкол.

Из-за стремительного роста населения планеты и увеличивающейся потребности в строительстве объектов различного назначения с 1990-х годов производство цемента растёт ежегодно. Согласно данным за 2023 год, лидерами производства цемента были Китай (2,1 миллиарда тонн), Индия (410 миллионов тонн) и Вьетнам (110 миллионов тонн). При этом мировое производство стекла, по оценкам специалистов, составляет около 10 миллионов тонн ежегодно, причём лишь 20% изделий перерабатывается. Естественного разложения стекла (как бумаги или ткани) не происходит: оно тысячи лет перетирается в мельчайшие частицы под воздействием физических сил.

Не хуже цемента

– Образцы из смесей, в которых до 10% цемента заменены стеклянными отходами, обладали не худшими прочностными характеристиками по сравнению с аналогами, выполненными на цементе. Чрезмерно большое количество такого заменителя вызывает риск ухудшения технологических свойств смесей и потенциальное нарушение контактных зон в затвердевшем материале, – рассказал заведующий кафедрой «Строительство уникальных зданий и сооружений» ДГТУ Сергей Стельмах.

Добавление в строительную смесь стеклянного порошка вместо специальных добавок может значительно удешевить строительство и упростить логистику. Также это может решить проблему скапливающихся отходов стекла, подчеркнул учёный.

По его словам, преимущество полученных результатов – в комплексном научно-практическом подходе к оценке стеклянного порошка как замены части цемента в бетонных и железобетонных изделиях.

– Мы провели экспериментальные и теоретические расчёты и предложили модель, которая позволяет предсказать поведение бетона при том или ином количестве стеклянного порошка в его составе, – добавил Сергей Стельмах.

В ближайшем будущем специалисты ДГТУ вместе с зарубежными коллегами планируют исследовать влияние размера частиц стекла и процента замены цемента на консистенцию бетонных смесей и характеристики конструкций из них.

Новые заполнители

Ранее учёные Донского государственного технического университета предложили удешевить производство бетона на четверть за счёт использования строительных отходов вместо природного щебня. Суть нового подхода заключается в применении строительных отходов на разных стадиях производства бетонной смеси. По словам авторов рационального предложения, разработка особенно актуальна в свете планов по сносу ветхого и аварийного жилья в городах Ростовской области, что повлечёт образование большого количества отходов. В частности, специалисты вуза предложили использовать мелкие остатки кирпича (кирпичный бой) и бетона в качестве активного минерального наполнителя цемента (после механохимической активации) – компонента, который делает бетон более прочным и долговечным. А песок, полученный из дроблёного бетона и стеклобоя (битого стекла), применять в качестве мелкого заполнителя, формирующего каркас бетонной смеси.

Ключевое преимущество новой технологии, как поясняют специалисты, в её экономической и экологической эффективности. По данным исследователей, себестоимость бетона, приготовленного из вторичного щебня, снижается приблизительно на четверть. Кроме того, энергозатраты на получение такого щебня из старого бетона в восемь раз ниже по сравнению с добычей и переработкой природного щебня из горных пород. Помимо экономической выгоды, использование различных видов отходов позволяет улучшить и физико-механические свойства конечного продукта.