От агроотходов к устойчивым конструкциям: бетон из сахарного тростника
Поиск эффективных и ценных решений для управления сельскохозяйственными отходами был вдохновляющей задачей для исследователей. Побочные продукты монокультур, такие как отходы производства сои, кукурузные початки, солома, семена подсолнечника и целлюлоза, часто предназначены для компостирования почвы, используются в качестве корма для животных или даже превращаются в энергию для сокращения отходов и смягчения воздействия на окружающую среду. воздействие, связанное с сельскохозяйственной деятельностью. Например, при производстве сахарного тростника образуется значительное количество отходов, в общей сложности около 600 миллионов тонн отходов жомового волокна при ежегодном производстве двух миллиардов тонн сахарного тростника. Эти отходы имеют многообещающий потенциал для замены энергоемких строительных систем, таких как бетон и кирпич, путем предоставления строительных материалов, сочетающих в себе устойчивость и структурную эффективность.
Учитывая эту перспективу, Университет Восточного Лондона (UEL) в партнерстве с Grimshaw Architects и производителем Tate & Lyle Sugar разработал инновационный строительный материал под названием Sugarcrete™. Цель проекта — изучить устойчивые строительные решения путем переработки биологических отходов сахарного тростника, что, в свою очередь, снижает выбросы углерода в строительной отрасли, при этом уделяя особое внимание социальной и экологической устойчивости при производстве и реализации этих строительных материалов.
«Основное новшество Sugarcrete™ состоит в том, чтобы бросить вызов устоявшемуся заблуждению о том, что биоматериалы имеют низкие структурные характеристики, и создать материал с достаточной структурной прочностью, чтобы быть самонесущим», — говорит Армор Гутьеррес Ривас, старший профессор архитектуры. Как он объясняет: «Проект начался как часть исследования, основанного на обучении, проводимом в рамках программы магистра архитектуры в Университете Восточного Лондона (UEL), которая связана с использованием инновационных строительных решений, направленных на решение местных проблем. Во время работы при разработке предложений по реконструкции Серебряного города в Королевских доках мы использовали существующую промышленную структуру района и начали рассматривать побочные продукты в качестве альтернативы строительству, в том числе побочные продукты сахарного производства Tate & Lyle. Первоначальные исследования были протестированы и оптимизированы. используя наше современное оборудование в Исследовательском институте устойчивого развития (SRI), а затем реализованное как Sugarcrete™ Slab в творческом сотрудничестве с архитекторами из Grimshaw и инженерами из AKT II».
По сути, Sugarcrete™ создается путем объединения багассы с минеральными вяжущими. Конечный продукт легче, чем традиционный кирпич, и его углеродный след составляет всего 15-20%. Используя долю в 30% мирового производства багассы, Sugarcrete™ может полностью заменить традиционную кирпичную промышленность, что приведет к экономии 1,08 миллиарда тонн CO2 (что эквивалентно 3% мирового производства углекислого газа). Сахарный тростник быстро растет и до 50 раз эффективнее лесного хозяйства, когда речь идет о преобразовании CO2 в биомассу, что делает его приоритетным материалом для достижения нулевых выбросов. Кроме того, материал обладает хорошими конструктивными характеристиками и является изоляционным, огнестойким, простым в использовании неквалифицированным трудом, имеет упрощенную цепочку поставок благодаря простому составу.
По словам Бамдада Аяти, научного сотрудника Исследовательского института устойчивого развития UEL, «Процесс производства Sugarcrete™ довольно прост и напоминает производство обычных бетонных блоков. основаны и широко доступны в местах с развитой сахарной промышленностью. Как и в случае с другими строительными материалами, проблемы крупномасштабного производства связаны с изменчивостью исходного сырья с точки зрения содержания влаги, размера частиц, нежелательных примесей и т. д. ».
Команда разработчиков в сотрудничестве с глобальной архитектурной фирмой Grimshaw внедрила концепцию взаимосвязанных геометрий, чтобы изучить новые возможности применения продукта. Изобретенный и запатентованный в 1699 году французским инженером Жозефом Абейем, метод блокировки был пересмотрен Амеде Франсуа Фрезье в 1739 году и Трайте о стереотомии Трюше в 1737 году. Впоследствии он был разработан в 21 веке различными исследовательскими группами, включая Юрия Эстрина, Аркадия. Дискин и Джузеппе Фалакара; Майкл Вейцманн; и архитекторы AAU Anastas вместе с инженером Маурицио Брокато. Эта концепция была применена к Sugarcrete для создания разборных, многоразовых и огнестойких композитных плит перекрытий, получивших название «Плиты Sugarcrete™». Они являются частью серии прототипов, направленных на разработку инновационных строительных решений, которые можно внедрять, демонтировать или расширять в новых и существующих конструкциях.
В проекте используется система блокировки в виде набора деталей, которая позволяет строить большие конструкции с использованием небольших отдельных компонентов без необходимости использования раствора. Благодаря взаимности и распределенной силовой сети эта система превосходит традиционные монолитные сборки. Процесс литья используется для минимизации отходов материала и позволяет повторно использовать опалубку и упростить массовое производство, а также возможности проектирования для производства и сборки (DfMA).
По словам Елены Шиловой, архитектора Grimshaw & Andy Watts, директора по технологиям проектирования, в проекте использовался полный набор цифровых инструментов для производства, интеграции расчета материалов, параметрического проектирования и роботизированного производства. Процесс начался с ввода свойств материала в инструмент цифрового анализа углерода для оценки соответствующего следа. Затем использовалась генеративная модель для преобразования 2D-шаблонов в 3D-геометрии взаимосвязанных компонентов. Используя 6-осевой манипулятор, цифровая модель создала траектории движения инструментов для изготовления пресс-форм (после отверждения и 3D-сканирования любые отклонения в компонентах снова учитывались в цифровой модели). Набор вспомогательных средств дополненной реальности использовался для проверки последовательности сборки, что привело к крупномасштабной сборке. После сборки архитектурный элемент был повторно отсканирован в трехмерном виде для калибровки. Этот цифровой набор инструментов позволяет создавать гибкую и настраиваемую систему комплектов деталей с использованием этого устойчивого материала, интегрируя цифровой и физический миры и перенимая уникальные характеристики природных материалов. Как отмечает Елена: «Мы верим, что технология может сделать именно это: использовать природный материал с его неровностями, несовершенством и искусственным характером с помощью вычислительного дизайна и передового производства. В свою очередь, используя местный материал, мы даем возможность люди и местное сообщество тоже: потому что технологический прогресс не должен ограничиваться дорогой архитектурой из стекла и бетона».
Исследование Sugarcrete™ было преднамеренно опубликовано без патента, чтобы побудить местных производителей использовать этот материал и сократить использование цемента. Как заявил Алан Чандлер, содиректор Института исследований устойчивого развития в UEL: «В сотрудничестве с Tate & Lyle Sugars мы провели патентный поиск и установили, где был запатентован жом в разработке строительных материалов и каковы масштабы нашей деятельности. Мы пришли к выводу, что наша работа была оригинальной, и мы могли подать заявку на патент, но коллективно решили этого не делать. В первую очередь это было связано с желанием поделиться своими идеями, а не контролировать продукцию сообществ производителей на Глобальном Юге. Наше решение не патентовать было скорее этическим чем финансовые».
Действительно, этические соображения, связанные с инновациями и цепочками поставок, были основополагающими при разработке проекта, целью которого является создание жизнеспособных, справедливых и надежных цепочек поставок, обеспечивающих равные результаты как для производителей, так и для пользователей. При этом он направлен не только на сокращение выбросов углерода, но и на социальную и экологическую устойчивость. Команда также ищет площадки в сахаропроизводящих регионах глобального юга для дальнейшего расширения возможностей реализации и планирует вскоре протестировать прототип в реальных сценариях.
Благодаря тщательной и сознательной разработке Sugarcrete дает нам оптимизм в отношении будущего сценария строительной отрасли, чье негативное воздействие на окружающую среду является значительным и требует эффективных (и быстрых) действий. Как объясняет Алан Чендлер: «Идеология инноваций в области материалов для преодоления климатического кризиса должна определять цепочку поставок, а также технические характеристики. Углерод находится в верхней части списка; мы также должны упомянуть о токсичности в отношении здоровья и безопасности в строительстве. Использование багассы и других быстрорастущих биологических продуктов в сочетании с инертными минеральными вяжущими не только для изоляционных слоев, но и для структуры, начинает исключать химически вредные линии продуктов на основе ископаемого топлива со строительных площадок. приоритеты безопасности Закона о безопасности зданий во время производства, строительства, сноса, повторного использования и утилизации». В заключение Елена Шилова говорит, что «Глядя на отрасли промышленности, мы можем найти много возможностей для местных и экологически чистых материалов и неиспользованных сельскохозяйственных/промышленных побочных продуктов. климатической чрезвычайной ситуации. Климатическая чрезвычайная ситуация требует нового архитектурного языка для таких материалов, как Sugarcrete™, чтобы по-настоящему использовать их потенциал и прославлять их, не покрывая и не скрывая их для придания «современного» вида. Этот новый архитектурный язык и изменение мышления в конечном итоге сделать натуральные материалы привлекательными для клиентов, увеличивая спрос и снижая цену за счет эффекта масштаба».
Признание инновационного подхода Sugarcrete™ к устойчивому строительству привело к тому, что в этом году компания была номинирована на премию Earthshot, известную как крупнейшая мировая награда в области окружающей среды, которая отмечает инновационные решения, оказывающие положительное влияние на планету. Следить за ходом проекта и получать дополнительную информацию можно на официальном сайте.
Источник: АrсhDаilу
