Статистическое моделирование сульфатостойкости и углеродного следа для оптимизации многокомпонентных цементов

Введение. Производство цемента генерирует около 8 % антропогенных выбросов CO₂, ежегодные потери от сульфатной коррозии — 2–4 % ВВП [1]. Исследования подтвердили влияние SiO₂ и добавок на сульфатостойкость многокомпонентных цементов (МКЦ), однако нет количественных моделей с высоким SiO₂ и единого мнения о действии отдельных добавок. Отсутствие долгосрочных полевых экспериментов препятствует решению проблемы опытным путем. Представленная работа восполняет эти пробелы. Цель исследования — создать прогнозные модели для обоснования оптимального состава МКЦ по сульфатостойкости и экологичности. Задачи: обобщение данных по составам МКЦ, ANOVA¹, регрессионный анализ, построение и валидация моделей.

Материалы и методы. Источники тематически структурировали и проанализировали. Провели опыты с восемью составами согласно патенту RU 2079458 C1, ГОСТ 310.1.76 и ГОСТ 310.4.81. Выборку сгруппировали по уровням SiO₂. Для моделирования зависимости сульфатостойкости и самонапряжения от SiO₂ использовали ANOVA и линейную регрессию.

Результаты исследования. Доказана статистическая значимость влияния SiO₂ на сульфатостойкость и прочность МКЦ (F = 248,6795, p = 3,5612e-25). Регрессионная модель (Sr = 6,2644 + 0,08 ∙ SiO₂, R² = 0,983) демонстрирует линейную зависимость сульфатостойкости (8,04–9,62 усл. ед.) от содержания SiO₂ (21–44 %). При SiO₂ > 22 % следует добавлять пуццоланы для компенсации снижения прочности на ранних стадиях твердения. Прочность на сжатие — 35,0–44,0 МПа. Уменьшение C₃A до ≤8 % повышает сульфатостойкость. Введение вяжущего 50 % гранулированного шлака оптимизирует структуру цемента и сокращает углеродный след на 27,5 % (до 388,2 кг CO₂/т). Увеличение кремнезема в составе:

• на 22,15–28 % усиливает сульфатостойкость на 0,468 единицы;
• на 37–40 % — 6,2644;
• 42 % — 9,6244.

Обсуждение. 98,3 % вариации сульфатостойкости объясняется изменениями содержания диоксида кремния. Модель устойчива при увеличении числа наблюдений (скорректированный R₂ = 0,981). F-статистика свидетельствует о высокой статистической значимости модели. Доказаны нормальное распределение остатков и высокая точность оценки коэффициентов. Ограничения ГОСТ 22266–2013 для добавок в составе цементов устарели. Новый подход позволит повысить долговечность цемента в сульфатных средах, сократить производственные затраты на 30–50 %, выбросы CO₂ — на 27,5 %. Можно выбрать состав бетона в зависимости от экономических или экологических приоритетов.

Заключение. Содержание SiO₂ — ключевой фактор повышения сульфатостойкости. Этот подход создает новую методологическую перспективу, т. к. преодолевает недостатки ГОСТа. Вариации состава шлаков и отсутствие термической активации могут ограничивать воспроизводимость модели, что требует дальнейших исследований.

¹ От англ. analysis of variance — дисперсионный анализ.

1. Barbhuiya S, Kanavaris F, Das BB, Idrees M. Decarbonising Cement and Concrete Production: Strategies, Challenges and Pathways for Sustainable Development. Journal of Building Engineering. 2024;86:108861. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.108861

2. Овчинников К.Н. Карбоновый след мировой цементной промышленности. Факторы влияния, тренды и потенциал по снижению. Недропользование XXI век. 2022;4(96):127–137. URL: https://clck.ru/3QZDpb (дата обращения: 03.09.2025).

3. Jingjun Li, Shichao Wu, Yuxuan Shi, Yongbo Huang, Ying Tian, Duinkherjav Yagaanbuyant. Effects of Nano-SiO2 on Sulfate Attack Resistance of Multi-Solid Waste-Based Alkali-Activated Mortar. Case Studies in Construction Materials. 2025;22:e04227. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2025.e04227

4. Moslemi AM, Khosravi A, Izadinia M, Heydari M. Application of Nano Silica in Concrete for Enhanced Resistance against Sulfate Attack. Advanced Materials Research. 2013;829:874–878. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.829.874

5. Xinzhe Li, Ganyou Jiang, Naishuang Wang, Yisong Wei, Zheng Chen, Jing Li, et al. Effect of Chlorides on the Deterioration of Mechanical Properties and Microstructural Evolution of Cement-Based Materials Subjected to Sulphate Attack. Case Studies in Construction Materials. 2025;22:e04235. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2025.e04235

6. Dvorkin L, Zhitkovsky V, Marchuk V, Makarenko R. High-Strength Concrete Using Ash and Slag Cements. Materials Proceedings. 2023;13(1):16. https://doi.org/10.3390/materproc2023013016

7. Scrivener K, Snellings R, Lothenbach B. (eds). A Practical Guide to Microstructural Analysis of Cementitious Materials. Boca Raton: CRC Press; 2016. 560 p. https://doi.org/10.1201/b19074

8. Junliang Zhao, Kangning Song, Zhongkun Wang, Dongyan Wu. Effect of Nano-SiO2/Steel Fiber on the Mechanical Properties and Sulfate Resistance of High-Volume Fly Ash Cement Materials. Construction and Building Materials. 2023;409:133737. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133737

9. Bo Pang, Yanquan Yang, Yunpeng Cui. Corrosion Resistance Behavior of MgO-SiO2-KH2PO4 Cement under Sulfate Environments. Ceramics International. 2024;51(6):8156–8167. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.12.251

10. Imbabi MS, Carrigan C, McKenna S. Trends and Developments in Green Cement and Concrete Technology. International Journal of Sustainable Built Environment. 2012;1(2):194–216. https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2013.05.001

11. Snellings R, Suraneni P, Skibsted J. Future and Emerging Supplementary Cementitious Materials. Cement and Concrete Research. 2023;171:107199. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107199

12. Mehta PK, Monteiro PJM. Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. Columbus: McGraw-Hill Education; 2014. 675 p. URL: https://www.amazon.com/Concrete-Microstructure-Properties-Kumar-Monteiro/dp/933920476X?asin=0071797874&revisionId=&format=4&depth=1 (accessed: 03.09.2025).

13. Шведова М.А., Артамонова О.В., Ракитянская А.Ю. Нано- и микромодифицирование цементного камня комплексными добавками на основе SiO2. Вестник гражданских инженеров. 2021;6(89):105–114. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2021-18-6-105-114

14. Акиева Е.А. Прогнозирование марочной прочности цементных систем по результатам краткосрочных испытаний и минералогическому составу. Дис. канд. тех. наук. Белгород: БГТУ; 2006. 150 с. URL: https://new-disser.ru/_avtoreferats/01003301328.pdf (дата обращения: 03.09.2025).

15. Харитонов А.М. Принципы прогнозирования свойств цементных композиционных материалов на основе структурно-имитационного моделирования. Известия Петербургского университета путей сообщения. 2009;1:141–152.

16. Benson SM, Orr JrFM. Carbon Dioxide Capture and Storage. MRS Bulletin. 2008;33(4):303–305. https://doi.org/10.1557/mrs2008.63

17. Laissy MY, Rashed HF. 3D Printing Technology for Construction: A Structural Shift in Building Infrastructure. In: Proceedings of the ICSDI 2024. Lecture Notes in Civil Engineering. Mansour Y, Subramaniam U, Mustaffa Z, Abdelhadi A, Al-Atroush M, Abowardah E. (eds). Singapore: Springer; 2025. Vol. 558. P. 135–142. https://doi.org/10.1007/978-981-97-8345-8_17

18. Sharma M, Bishnoi S, Martirena F, Scrivener K. Limestone Calcined Clay Cement and Concrete: A State-of-the-Art Review. Cement and Concrete Research. 2021;149:106564. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106564

19. Ishrat Hameed Alvi, Qi Li, Yunlu Hou, Chikezie Chimere Onyekwena, Min Zhang, Abdul Ghaffar. A Critical Review of Cement Composites Containing Recycled Aggregates with Graphene Oxide Nanomaterials. Journal of Building Engineering. 2023;69:105989. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.105989

20. Смирнова О.М., Казанская Л.Ф. Бетоны на основе побочных продуктов промышленности: оценка воздействия на окружающую среду Транспортные сооружения. 2022;2(9):1–22. https://doi.org/10.15862/05SATS222

21. Cuesta A, Ayuela А, Aranda MAG. Belite Cements and Their Activation. Cement and Concrete Research. 2021;140:106319. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106319

22. Elahi MA, Shearer CR, Reza ANR, Saha AK, Khan NN, Hossain M, et al. Improving the Sulfate Attack Resistance of Concrete by Using Supplementary Cementitious Materials (SCMs): A Review. Construction and Building Materials. 2021;281:122628. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122628

23. Поспелова Е.А., Черноситова Е.С., Лазарев Е.В. Статистический анализ качества российских цементов. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017;7:180–186. https://doi.org/10.12737/article_5940f01b05bef8.10658659

24. Андреев В.В., Смирнова Е.Э. Цемент, содержащий портландцементный клинкер, гидрогранат кальция и сульфатный компонент. Патент РФ, № 2079458 C1. 1997. 6 с. URL: https://patents.s3.yandex.net/RU2079458C1_19970520.pdf (дата обращения: 03.09.2025).

25. Смирнова Е.Э. Оценка и прогноз экологической эффективности многокомпонентных цементов на основе статистического анализа. Безопасность техногенных и природных систем. 2025;9(2):87–101. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2025-9-2-87-101

26. Скобелев Д.О., Потапова Е.Н., Михайлиди Д.Х., Рудомазин В.В. Возможности использования шлаков в зеленом строительстве в контексте устойчивого развития Арктики. Север и рынок: формирование экономического порядка. 2024;2(84):88–99. https://doi.org/10.37614/2220-802X.2.2024.84.007

27. Бастрыгина С.В., Конохов Р.В. Влияние кремнеземсодержащих добавок на прочностные свойства легкого бетона на пористом заполнителе. Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Естественные и гуманитарные науки. 2022;1(2):58–66. https://doi.org/10.37614/2949-1182.2022.1.2.007

28. Потапов В., Кашутин А., Сердан А., Шалаев К., Горев Д. Нанокремнезем: повышение прочности бетонов. Наноиндустрия. 2013;3(41):40–49. URL: https://www.nanoindustry.su/journal/article/3682?ysclid=mge0xusa4q171412223 (дата обращения: 03.09.2025).

29. Zehra Funda Akbulut, Soner Guler. Enhancing the Resilience of Cement Mortar: Investigating Nano-SiO2 Size and Hybrid Fiber Effects on Sulfuric Acid Resistance. Journal of Building Engineering. 2024;98:111187. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111187

30. Овчинникова Е.В. Исследование влияния вида магнезиального флюса на фазовый состав агломерата с целью повышения его прочностных характеристик. Дис. канд. тех. наук. Москва: МИСиС; 2018. 148 с.

31. Vipulanandan C, Demircan E. Designing and Characterizing the LEED Concrete for Drilled Shaft Applications. GeoFlorida 2009. Contemporary Topics in Deep Foundations, ASCE. Iskander M, Laefer DF, Hussein MH. (eds.). Orlando: ASCE; 2009. P. 56–64. https://doi.org/10.1061/41021(335)7

32. Snellings R, Mertens G, Elsen J. Supplementary Cementitious Materials. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2012;74(1):211–278. https://doi.org/10.2138/rmg.2012.74.6

33. Askarian M, Fakhretaha Aval S, Joshaghani A. A Comprehensive Experimental Study on the Performance of Pumice Powder in Self-Compacting Concrete (SCC). Journal of Sustainable Cement-Based Materials. 2019;7(6):340–356. https://doi.org/10.1080/21650373.2018.1511486

34. Мин Хейн Хтет, Потапова Е.Н., Бурлов И.Ю. Кинетика минералообразования при синтезе сульфоалюминатного клинкера. Успехи в химии и химической технологии. 2022;36(3):106–108. URL: https://www.muctr.ru/upload/iblock/7ee/zb2awjbwjx0eaaorpzycxwfskfquwwmu.pdf (дата обращения: 03.09.2025).

35. Фалалеева Н.А., Фалалеев А.Г. Об экологии и перспективах расширения сырьевой базы при производстве шлакопортландцементов. Вестник МГСУ. 2011;3(2):52–58. URL: https://www.litres.ru/ (дата обращения: 03.09.2025).

36. Vanderley MJ. On the Sustainability of the Concrete. Industry and Environment. 2003;26(2):1–7. URL: https://www.yumpu.com/en/document/read/7615945/on-the-sustainability-of-the-concrete-vanderley-moacyr-john-usp (accessed: 03.09.2025).

37. Thomas M, Folliard KJ, Drimalas T, Ramlochan T. Diagnosing Delayed Ettringite Formation in Concrete Structures. Cement and Concrete Research. 2008;38(6):841–847. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2008.01.003