Earth USA 2017, 29 Septembrie – 1 Octombrie 2017
Seyhan Yardimli, Dr.
Universitatea Aydın din Istanbul, Facultatea de Arhitectură, Departamentul de Design, Turcia
seyhanyardimli@aydin.edu.tr
A. Bilge Işik, Prof. Dr.
Universitatea Hasan Kalyoncu, Gaziantep, Turcia
isik.bilge@gmail.com,www.kerpic.org
Koray Arslan
korayars@outlook.com
Melih Samurkas
melih@cypherturk.com
Abstract
Importanța cărămizilor confecționate din lut (chirpici) ca material de construcție sporește, pe măsură ce poluarea mediului crește considerabil. Una dintre caracteristicile definitorii ale materialelor din lut este lipsa de rezistență a acestora la apă. Când apa intră în contact cu solul, poate provoca adesea pierderi de masă prin diluție, ceea ce duce la o scădere considerabilă a rezistenței mecanice. În cadrul acestui studiu, au fost utilizați aditivi pe bază de enzime și polimeri, cu scopul de a crește rezistența la apă a structurilor din lut. Pentru comparație, au fost analizate probe prelevate din cărămizi fără aditivi. Probele au fost lăsate la uscat timp de 30 de zile pentru a câștiga rezistență și apoi s-au efectuat teste de absorbție a apei și de presiune mecanică.Au fost efectuate analize chimice, pentru a determina conținutul solului utilizat. Se poate concluziona că prin utilizarea aditivilor testați a rezultat un produs (chirpici) cu rezistență mai mare la apă.Enzima folosită în experimente este de origine proteică și reacționează chimic cu mineralele, apa și solul. Polimerii utilizați în experimente fac parte, de asemenea, din mediul natural.Prin urmare, aditivii utilizați în cadrul experimentului sunt inofensivi pentru sănătatea umană. Ei au interacționat cu mineralele din sol întărind materialul. Aditivii utilizați în studiu au dus la obținerea de rezultate pozitive și estimate. Produsele din lut la care s-au adăugat enzime și polimeri sunt mai rezistente la apă. Se crede că rezultatele obținute în studiu vor contribui la creșterea ponderii construcțiilor din lut (chirpici) în sectorul construcțiilor civile.
1. Introducere
Cărămizile din lut au fost unele dintre cele mai vechi materiale de construcție a adăposturilor omenești. Pereții de cărămidă din lut din așezarea Çatalhöyük din Anatolia, care datează din anii 7400 – 5200 î.Hr., au rămas intacți până în prezent[1]. În zilele noastre, există o serie de moduri de a produce o astfel de structură. Majoritatea structurilor de pereți de pământ se încadrează în general în trei categorii, cărămizi din lut, pământ bătătorit sau cărămizi din pământ presat[2].
Datorită tehnologiilor în curs de dezvoltare, în prezent există o gamă substanțial largă de materiale de construcție disponibile în întreaga lume. Deși unele dintre produsele industriale folosite astăzi sunt ușor de curățat și construit, ele pot genera probleme în ceea ce privește sănătatea umană și confortul climatic. Cu toate acestea, lutul folosit ca material de construcție nu prezintă astfel de riscuri. De exemplu, structurile de pământ sunt excelente pentru echilibrarea umidității, sunt destul de bune pentru condiționarea climatului interior și sunt materiale ecologice[3]. În zilele noastre, oamenii au așteptări precum confortul, sănătatea și prosperitatea. Pentru ca structurile moderne de pământ să ofere aceste caracteristici, sunt necesare noi dezvoltări în tehnologia matrițelor, noi aditivi și lianți[4]. De exemplu, în ultimii ani a existat o tendință în creștere în Regatul Unit pentru elementele de construcție prefabricate sau compactate. Sectorul construcțiilor din cărămizi din lut a urmărit potențialul de construcție de înaltă calitate din prefabricate cu condiții minime[5]. Pe lângă multele avantaje, structurile de pământ nu sunt rezistente la apă. Dacă umiditatea intră în contact cu peretele de cărămidă din lut, acesta poate fi distrus și transformat în pământ[6]. În multe părți ale lumii se fac eforturi pentru a îmbunătăți materialele din cărămidă din lut. În acest scop, se utilizează diverși lianți. Aceștia sunt soluții chimice precum ciment Portland, var, bitum, fibre naturale și silicați[7]. Folosirea cimentului pentru protecția pereților din lut împotriva umezelii poate provoca daune mai mari, în funcție de cantitatea de ciment. Aplicarea varului pe tencuiala interioară și pe suprafețele exterioare ar constitui o rezolvare mai bună a acestor probleme. Nu se recomandă utilizarea benzilor de gudron, deoarece astfel se va împiedica disiparea umezelii[8]. Într-un alt studiu, fibra de nailon adăugată acestui produs a sporit rezistența la presiune a cărămizilor din lut peste parametrii limită prevăzuți de ASTM și TS. Mai mult, în cazul testelor efectuate cu piatră ponce ca aditiv, s-a constatat o reducere a greutății unitare[9]. Din nou, cărămizile de lut cu adaos de gips și var (20% apă, 2% var și 10% gips) produse la Universitatea Tehnică din Istanbul s-au dovedit a fi foarte bune în ceea ce privește proprietățile mecanice și fizice[10]. În acest studiu, obiectivul a fost îmbunătățirea prin aditivare a materialelor din lut (chirpici) împotriva degradărilor produse de apă și de presiunea mecanică.
2. Materiale și metodă
2.1 Materiale
Două materiale aditive diferite, enzimatice și polimerice, cu scopul de a îmbunătăți cărămizile din lut, precum și un eșantion netratat, fără aditivi, în scop de comparație.
2.1.1 Lut
Lutul folosit pentru producția de cărămizi de chirpici a fost extras din grădina Universității Tehnice din Istanbul. Analizele chimice au fost efectuate pe probe de sol utilizate în test.
Tratare acidă a solului și analiză după sitare
Rapoartele agregatelor de silicați care au rămas nedegradabile în urma tratamentului cu acid și valoarea degradării acestor agregate sunt prezentate în Tabelul 1.
Analiza vizuală a agregatelor reziduale cu un stereomicroscop
În consecință, s-a determinat că la proba de tratare cu acid, 9,51% din mineralele de calcit au reacționat cu acidul și au fost compuse din aproximativ 5-10% fragmente de rocă greywacke, cu fragmente sporadice de coajă fosilă și deșeuri de bumbac. Argila aglomerată a fost observată în conținutul solului uscat din secțiunea probei netratate. Agregatele calcitice și greywacke au fost reținute de sita cu ochiuri de 4 mm.
Analiza petrografică a probelor tăiate
Conținutul de minerale și procentele brute ale secțiunilor subțiri preparate din proba încorporată în epoxid au fost determinate prin scanare utilizând un microscop polarizant (dublu Nikole) și un stereomicroscop. Eșantionul examinat este format din bucăți sporadice de zgură neagră, 5-10% fragmente de marmură și piatră de calcar (rețineri pe sită de 1 mm) și fragmente ocazionale de minerale și rocă. În timp ce fragmentele de rocă sunt de tip gresie, mineralele sunt cuarț și feldspat alcalin. Rezultatele analizei SEM-EDX sunt prezentate în Tabelul 2.
Coroborând toate aceste rezultate; În contextul rezultatelor analizei aferente, proba este alcătuită din 90% argilă și aproximativ 2% calcit, prin care feldspații care alcătuiesc cealaltă argilă din compoziția sa constau din oxizi de elemente precum magneziu, potasiu, mangan. Imaginile microscopice și polarizate ale probei sunt prezentate în Tabelul 3.
2.1.2 Enzimă
O enzimă numită EarthZyme introdusă pe piață de Cypher International Ltd. a fost adăugată în sol pentru a îmbunătăți materialul de cărămidă din lut. Informațiile despre produs sunt furnizate în Tabelul 4. Materialul biodegradabil și enzimatic devine 100% activ în 28 de zile. EarthZyme este potrivit pentru solul care conține nămol și 5% – 30% argilă. EarthZyme este un material care se activează cu materialul argilos al solului și este utilizat pentru stabilizarea drumurilor[11].
2.1.3 Polimeri
Un al doilea aditiv folosit în producția de cărămizi din lut este un produs numit Cypher International Ltd. DSLC (Dust Stop Liquid Concentrate). Este descris ca o emulsie constând din picături mici de polimeri suspendate mai degrabă decât dizolvate în solvent (apă). Mediul de dispersie este apa care oferă sisteme ieftine, neinflamabile, netoxice și relativ inodore[12]. De fapt, polimerii sunt agenți de legare și, pe lângă legarea de alți polimeri din amestec, se leagă de toate solidele cu care intră în contact și sunt complet insolubili după uscare.
2.2 Metodă
Probele preparate au fost supuse unor teste pentru a determina proprietățile lor de rezistență la presiune mecanică și de absorbție a apei. Liniile reprezintă probe enzimatice (I), polimerice (II) și netratate (III). Specimenele au fost preparate prin amestecare în mixer, presate în forme și etichetate în funcție de grupele lor. Figura 1 prezintă procesul de producție.
2.2.1 Producerea de mostre de testare cu EarthZyme
Cantitatea de EarthZyme a fost calculată prin adăugarea a 1 litru de EarthZyme la 35,5 m3 de sol comprimat. Mai întâi enzima a fost amestecată cu apa, apoi adăugată în sol. Figura 2 prezintă etapele de producție a probelor cu EarthZyme. Volumul și greutatea unitară a probelor enzimatice sunt prezentate în Figura 3.
2.2.2 Producerea probelor polimerice de testare
Se folosesc 7 litri de polimer pentru 1 m3 de sol. Cantitatea de amestec de polimeri a fost stabilită în conformitate cu acest raport, probele fiind realizate prin adăugarea de apă. Figura 4 prezintă etapele de producție a probelor polimerice. Volumul și greutatea unitară a probelor polimerice sunt prezentate în figura 5.
2.2.3 Producerea probelor netratate
S-a utilizat doar pământ și suficientă apă pentru a-i da formă. Cantitatea de apă adăugată în sol este cantitatea care împiedică împrăștierea solului atunci când este aruncat pe sol. În același timp, s-a încercat să fie suficient de compact încât să prindă contur. Figura 6 prezintă etapele de producție a probelor netratate. Volumul și greutatea unitară a probelor netratate sunt prezentate în figura 7.
3 Rezultate și interpretare
Probele de test au fost scoase din matrițe după o zi (Figura 8a), apoi așezate pe rafturi și lăsate să se usuce timp de 30 de zile (Figura 8b). Probele au fost supuse testelor de presiune și absorbție de apă.
3.1 Test de presiune
Testul de presiune efectuat pe probe și modurile de fracturare sunt prezentate în figurile 9a și 9b. Tabelul 5 prezintă rezultatele testului de presiune a probelor cu măsurarea dimensiunilor și greutăților. Viteza de încărcare a fost aleasă pentru a genera o tensiune de 0,6 MPa pe secundă. Figura 10 prezintă comportamentul probelor sub presiune.
rafturi pentru uscare
Figuri 9a și 9b. Test de presiune și moduri de fracturare
3.2 Test de absorbție a apei
Pentru testul de absorbție a apei a fost pregătit un aparat în care apa putea doar atinge probele (Figuri 11a, 11b). Ulterior, acestea au fost lăsate în apă pentru perioadele prevăzute în Tabelul 6, apoi cântărite, pentru a se determina cantitatea de apă absorbită.
După cum se arată în fotografia realizată 24 de ore mai târziu (Fig. 12a), absorbția de apă din proba netratată a crescut cu 13 cm, cu 10 cm în proba enzimatică și cu 8 cm în proba polimerică. Proba netratată a pierdut masă prin dizolvarea în bazinul de testare (Fig. 12b) și, după cum se vede, înălțimea sa s-a redus ușor (Fig. 12c). Figura 13 prezintă pierderile de masă în probele enzimatice, polimerice și netratate și creșterile de masă datorate absorbției de apă.
4 Concluzii
În cadrul acestui studiu, au fost efectuate teste de absorbție a apei și presiune mecanică după adăugarea de enzime și polimeri în probele de sol și s-au obținut rezultate pozitive.
Solul trebuie să conțină 5% – 30% argilă și nămol pentru ca enzimele să funcționeze ca aditiv. Solul folosit (rețineri pe sită de 63 de microni) conține 25% argilă și nămol și, în general, conține 90% argilă și, prin urmare, este potrivit pentru ca enzima să funcționeze.
În testul de presiune aplicat, proba enzimatică a avut o medie de 1,86MPa, proba polimerică a avut o medie de 1,80MPa, iar proba netratată a avut o medie de 1,70MPa. Comparativ cu proba netratată, probele polimerice și enzimatice au fost mai rezistente la presiune mecanică.
În testul de absorbție a apei, nivelul de înălțime a apei pentru proba netratată a crescut cu 13cm după 24 de ore, în timp ce pentru proba enzimatică a crescut cu 10cm, iar pentru proba polimerică a crescut cu 8cm. În timp ce proba netratată a pierdut masă prin dizolvare în apă, s-a constatat o pierdere mai mică de masă în ciuda absorbției de apă în cazul probei enzimatice. Pe de altă parte, datorită absorbției de apă în structura probei polimerice, aceasta nu și-a pierdut masa, ci mai degrabă a devenit mai grea deoarece nu s-a dispersat.
În timp ce probele netratate și enzimatice au pierdut în greutate, greutatea probei polimerice a crescut. Probele enzimatice și polimerice s-au dovedit a fi mai rezistente la apă decât proba netratată. S-a descoperit că respectivele materiale aditive măresc calitatea solului pentru a fi utilizat în construcția clădirilor.
5 Referințe
[1] http://whc.unesco.org/en/list/1405/gallery/ (13.05.2017)
[2] Kevan Aubrey Heathcote, ‘An Investigation Into the Erodibility of Earth Wall Units’ Doctor of Philosophy University of Technology Sydney, 2002 p: 1
[3] Berge B., ‘The Ecology of Building Materials, second edition’, ISBN 978-1-85617-537-1 Retrieved 2014-04-29. p: 209, http://ecobooks.greenharmonyhome.com/wp-content/uploads/ecobooks/Ecology_of_Building_Materials_Second_Edition. pdf, (13.05.2017)
[4] Lindsay R., and Krayenhoff M., Edited by Hall M. R., ‘Modern Earh Buildings: Materials, Engineering, Constructions and Applications, Woodhead Publising, 2012, ISBN 978-0-85709-616-6 (online) p: 5
[5] Walker P., Keable R., Martin J., Maniatidis V., ‘Rammed Earth Design and Construction Guidelines’, ISBN-1 86081 7343, 2005, p: 19, https://www.brebookshop.com/samples/148940.pdf, (22.04.2017)
[6] Cornerstones Staff, Cornerstones Community Partnerships, ‘Adobe Conservation: a Preservation Handbook’, ‘Part Two, All About Adobe’, 2006, ISBN 0-86534-527-9 New Mexico P: 50-52, http://cstones.org/pdfs/uploads/adobe_conservation_ handbook_part_2. pdf, all about adobe, (22.04.2017)
[7] Maniatidis V., Walker P., ‘A Review of Rammed Earth Construction’, 2003, University of Bath, Bath BA27AY, UK, p: 22- 24
[8] Keefe L., ‘The Cob Buildings of Devon 2 Repair and Maintenance’, Historic Buildings Trust Devon, 1993, http://www. devonearthbuilding.com/leaflets/the_cob_buildings_of_devon_2.pdf/ (07.11.2016)
[9] Binici H., Durgun, M.Y., Yardım Y., ‘Kerpiç Yapılar Depreme Dayanıksız Mıdır? Avantajları ve Dezavantajları Nelerdir?’, KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi 13 (2), p: 3-12, 2010
[10] Işık B., ‘Conformity of Gypsum Stabilized Earth- Alker Construction with ‘Disaster Code 97’ in Turkey’, Cyprus Interna- tional University, N-Cyprus , International Journal of Civil & Environmental Engineering IJCEE-IJENS Vol: 11 No:02, April 2011
[11] http://www.eco-infrastructuresolutions.com/web_documents/cypherearthzymemsds.pdf (15.05.2017) [12] www.cypherenvironmental.com, (15.05.2017)
