Строительная индустрия является одним из основных и наиболее активных секторов в Европе. На его долю приходится 28% и 7% занятости, соответственно, в промышленности и всей европейской экономике. К сожалению, эта отрасль также является причиной истощения больших объемов невозобновляемых ресурсов и 30% выбросов углекислого газа. Это особенно серьезно в нынешнем контексте изменения климата, вызванного выбросами двуокиси углерода во всем мире, что приводит к повышению уровня моря и является причиной спада мировой экономики. Для достижения более устойчивого развития строительной отрасли Европейский Союз недавно установил, что в среднесрочной перспективе потребление сырья должно быть сокращено на 30%, а количество отходов производства в этом секторе должно быть сокращено на 40%.
Использование возобновляемых источников энергии строительной промышленностью будет способствовать достижению более устойчивой структуры потребления строительных материалов. Бетон является самым используемым материалом на Земле и известен своей высокой прочностью на сжатие и низкой прочностью на растяжение. Для преодоления этого недостатка необходимо комбинированное использование обычного бетона и стальных арматурных стержней, позволяющих получить материал с хорошей прочностью на сжатие и растяжение, а также с длительной послетрещинной деформацией (размягчение деформации). К сожалению, железобетон обладает высокой проницаемостью, пропускающей воду и другие агрессивные элементы, что приводит к карбонизации и воздействию ионов хлоридов, вызывающих проблемы коррозии.
Коррозия стальных арматурных стержней является основной причиной износа инфраструктуры. Gjorv упомянул исследование норвежских мостов OPC, показавшее, что 25% мостов OPC, построенных после 1970 года, представляют проблемы с коррозией. Другой автор отметил, что 40% из 600 000 мостов в США были подвержены коррозии и оценили затраты на ремонт в 50 миллиардов долларов США.
Прочность бетона зависит от условий окружающей среды. Если бы удалось увеличить срок службы бетона с 50 до 500 лет, то его воздействие на окружающую среду уменьшилось бы в 10 раз. Поскольку на каждый кубометр бетонной конструкции в среднем приходится 200 кг стальной арматуры, очевидно, что замена арматуры растительными волокнами является важным шагом на пути к более устойчивой конструкции. С другой стороны, арматура является очень дорогим материалом, потребляет большое количество энергии и поступает из невозобновляемых источников.
Природные волокна являются возобновляемым ресурсом и доступны почти во всем мире. Кроме того, в связи с риском онкологических заболеваний Директива 83/477/ЕЕС и поправки к Директивам 91/382/ЕЕС, 98/24/EC; 2003/18/EC и 2007/30/EC запрещают производство цементных продуктов на основе силикатов волокон (асбеста).
В настоящее время на смену минеральным волокнам приходят синтетические волокна, такие как поливинил спирт (ПВА) и полипропилен, для производства волокнисто-цементных продуктов по технологии Hatscheck. Однако, для производства ПВА и полипропилена необходимы фенольные соединения в качестве антиоксидантов, амины в качестве ультрафиолетовых стабилизаторов и другие вещества, которые не являются пламегасителем, что не является путем к более устойчивым материалам.
Характеристики и свойства волокна
Природные волокна – это натуральные композиционные материалы с ячеистой структурой. Различные пропорции целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина составляют различные слои. Целлюлоза – это полимер, содержащий глюкозные блоки. Гемицеллюлоза – это полимер, изготовленный из различных полисахаридов. Что касается лигнина, то он представляет собой аморфную и неоднородную смесь ароматических полимеров и фенилпропан-мономеров.
Различные волокна имеют различный состав, поэтому ожидается, что их поведение внутри цементной матрицы может отличаться. Природные волокна обладают высокой прочностью на растяжение и низким модулем упругости. Тем не менее, их прочность на растяжение может быть выше, чем у синтетических. Одним из недостатков использования натуральных волокон является высокая изменчивость их свойств, что может привести к непредсказуемым свойствам бетона.
Установлено, что предварительная обработка натуральных волокон повышает эффективность бетона. Пульпирование является одним из методов обработки волокна, улучшающих адгезию волокна к цементной матрице, а также устойчивость к щелочному воздействию. Целлюлоза может быть получена химическим (крафт) или механическим способом.
Свойства цементных материалов, армированных растительными волокнами
Некоторые исследователи обнаружили, что использование 0,2% объемной доли сизального волокна толщиной 25 мм приводит к свободному уменьшению пластической усадки. Совместное использование коротких волокон кокоса и сизаля, похоже, задерживает сдержанную пластическую усадку, контролируя развитие трещины в раннем возрасте. Что касается механических характеристик натурального волокнистого бетона Al-Oraimi и Seibi, при использовании малого процента натуральных волокон улучшаются механические свойства и ударопрочность бетона, и аналогичные характеристики по сравнению с синтетическим волокнистым бетоном.
Другие исследователи сообщили, что включение волокон повышает ударопрочность в 3-18 раз по сравнению с тем, когда волокна не используются. Использование малых объемов (0,6-0,8%) волокон Arenga pinata демонстрирует способность повышать вязкость цементных композитов. Железобетон из фибробетона приводит к повышению вязкости при изгибе на 144%, а также индекса вязкости при изгибе - на 214%. Механические характеристики фиброполимербетона зависят от типа фибры.
Если волокно багассы кокосового ореха и сахарного тростника повышает вязкость разрушения полимербетона, то фибра стебля бананового псевдоожиженного дерева - нет. Использование кокосовых волокон демонстрирует еще лучший изгиб, чем синтетические волокна (стекло и углерод). Индекс вязкости при изгибе в цементирующих композитах с кохровым волокном увеличился более, чем в 10 раз. Объяснение такого поведения, по-видимому, связано с низкой обрабатываемостью бетона.
Сизаль и банановые волокна большей длины (1,65 мм и 1,95 мм), чем эвкалиптовые (0,66 мм), демонстрируют более стабильное поведение при разрушении, что подтверждает, что длина волокна влияет на процесс передачи нагрузки от матрицы к волокнам.
Другие исследователи проводили испытания цементных композитов, армированных длинными сизальными волокнами, размещенными на всей длине стальной формы в пяти слоях (раствор/волокно/миномет). Эти композиты достигают предельной прочности 12 и 25 МПа при растягивающих и изгибающих нагрузках. Растительный тип также влияет на характеристики цементных композитов настолько сильно, что после 200 циклов старения эвкалиптовые композиты демонстрируют более улучшенные механические характеристики, чем те, которые основаны на розовых оболочках. Объяснение указывает на лучшее распределение растительных частиц в цементной матрице.
Выводы
Имеющиеся литературные данные, в основном, связаны с механическим поведением цементирующих строительных материалов, армированных растительными волокнами. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы прояснить некоторые аспекты, о которых в настоящее время ничего не известно.
В качестве примера можно привести недавнее замедление эффекта включения волокон, которому уделялось должное внимание. Поскольку основная причина деградации волокна связана со щелочной деградацией, необходимо провести гораздо больше исследований химических взаимодействий между цементной матрицей и природными волокнами. Правильная обработка для улучшения совместимости волокон и цементных матриц еще не найдена. То же самое можно сказать и об изменении свойств волокон.
Таким образом, контролируя методы контроля качества, необходимо обеспечить минимальное изменение свойств натуральных волокон. Вопросы, связанные с долговечностью, также заслуживают дальнейшего изучения. Бетонные конструкции, армированные бамбуковыми волокнами, являются перспективным направлением для более устойчивого строительства. Длинные бамбуковые волокна обладают высокой прочностью при погружении в цементную матрицу, однако механические свойства бамбуковой арматуры все еще требуют дополнительных исследований.
