Aplicabilitatea produselor pe baza de lana in amestecuri cu lianti ecologici in ranforsarea structurilor de pamant

Cercetarile aplicative ce au vizat procesul de stabilizare a terenurilor cu structura instabila, dificile, de fundare, au evidentiat posibilitatea utilizarii diferitelor tipuri de fibre naturale si lianti cu beneficii ecologice din perspectiva efectelor acestora asupra caracteristicilor mecanice de performanta, cu implicatii asupra reducerii costurilor si impactului asupra mediului. Aplicatiile experimentale derulate in prezentul studiu au ca obiectiv demonstrarea aplicabilitatii si eficacitatii produselor bio-compozite pe baza de lana de oaie in amestecuri cu diferiti lianti ecologici in lucrarile de stabilizare a pamanturilor argiloase sau ranforsare a structurilor de pamant. Unul dintre scopurile principale ale utilizarii fibrelor ca elemente de armare/consolidare a structurilor de pamant este de a preveni aparitia fisurilor sau crapaturilor de contractie, cauzate in principal de uscarea rapida si neuniforma.

Tematica abordata este in concordanta cu strategiile de mediu si dezvoltare durabila si cercetarile intreprinse la nivel international cu privire la valorificarea deseurilor din fibre naturale in domeniul constructiilor, inclusiv in ingineria geotehnica.

 CONSIDERATII PRELIMINARE 

In domeniul ingineriei civile, cercetatorii au incercat sa aduca inovatii in ceea ce priveste utilizarea materialelor de constructie durabile, evaluand in acelasi timp proprietatile materialelor naturale si artificiale. Lana de oaie nu este un material nou in industria constructiilor, dar odata cu dezvoltarea unui management durabil, acest material, pe langa cele de origine vegetala, a inceput sa capete prioritate. In zona materialelor de constructie, lana de oaie este eficienta ca material de izolare termica, desi s-a incercat si exploatarea proprietatilor sale ca fibra de armare [13]. Izolatiile termice din lana de oaie ofera o protectie excelenta la caldura pe timpul verii, datorita efectului de stocare a caldurii latente. Capacitatea ridicata de difuzie a produselor din fibra naturala, prin furnizarea unui tampon de control al umiditatii, imbunatateste climatul interior, cu efecte pozitive asupra sanatatii.

In literatura de specialitate internationala exista un numar relativ redus de studii de caz si analize punctuale de valorificare a fibrelor de lana in lucrarile de imbunatatire sau stabilizare a terenurilor dificile de fundare sau ca materiale geotextile utilizate in executia drenurilor, straturilor de separatie, la armarea si protectia antierozionala a terasamentelor si taluzurilor etc.

Au fost efectuate o serie de studii referitoare la fezabilitatea utilizarii fibrelor de lana in matrice de pamant prin prepararea unor compozitii stabilizate cu polimerul natural alginat si armate cu fibre de lana neprocesate in adaosuri de 0,25-0,50 % [1]. Integrarea fibrelor de lana in aceste compozite a avut ca scop prevenirea crapaturilor de contractie vizibile, rezultate in urma procesului natural de uscare excesiva. Pentru evaluarea influentei polimerilor naturali in stabilizarea pamanturilor si a potentialului de utilizare in aplicatiile din domeniul constructiilor, s-au configurat si testat o serie de amestecuri stabilizate cu polimer natural si armate cu fibre de lana, cu scopul imbunatatirii rezistentei la compresiune si incovoiere [1], [2]. In domeniul constructiilor au fost elaborate numeroase studii privind utilizarea alginatelor in stabilizarea in situ a terenurilor contaminate si necontaminate si in fabricarea materialelor de constructii [4], [5], [6], [7]. Rezultatele determinarilor efectuate pe pamanturile cu fractiune argiloasa au demonstrat ca integrarea polimerului natural a condus la cresterea rezistentei mecanice a probelor in functie de indicele de plasticitate al pamantului.

 MATERIALE SI METODE DE INCERCARE

 Programul experimental derulat de colectivul de geotehnica si fundatii de la Institutul National de Cercetare – Dezvoltare in Constructii, Urbanism si Dezvoltare Teritoriala Durabila INCD URBAN–INCERC, filiala INCERC Bucuresti, a constat in selectarea tipurilor si dozajelor necesare pentru configurarea amestecurilor alcatuite din pamant, fibre si deseuri de lana, lianti si aditivi ecologici cu rol de stabilizator, confectionarea si conditionarea compozitiilor, efectuarea tipurilor de incercari necesare pentru evaluarea caracteristicilor de performanta specifice in concordanta cu domeniile de aplicare specifice ingineriei geotehnice si bio-ingineriei mediului [14], [15]. In functie de indicatorii de performanta rezultati se vor contura variantele de produse eco-inovatoare bazate pe resursa naturala de lana de oaie aplicabile in lucrarile geotehnice.

La scara de laborator au fost simulate conditii defavorabile ce se pot manifesta in practica, epruvetele fiind expuse la conditii normale de temperatura si umiditate, cicluri de uscare-umectare prin inducerea accelerata a conditiilor climatice de caldura excesiva si uscata de durata, urmate de perioade cu temperaturi normale. Retetele optime pe tipuri de componente s-au selectat in functie de valorile maxime ale caracteristicilor mecanice asociate cu tipurile de aplicatii pentru valorificare si criteriile de performanta superioare materialelor de referinta.

Prima etapa in testarea structurilor compozite a constat in determinarea caracteristicilor fizice de identificare a pamanturilor argiloase ce au permis incadrarea in categoria de pamanturi cu caracter expansiv de tip PUCM, cu un continut ridicat − de peste 40% − de argila coloidala (2 μm) si plasticitate foarte mare.

Incercarea de determinare a presiunii de umflare a constat in estimarea variatiilor de volum cauzate de variatiile de umiditate, in conditiile inundarii complete, si masurarea evolutiei umflarii in timp pentru seturi distincte de amestecuri cu 0,25% si 0,50% fibre de lana turcana si materiale cu rol de liant stabilizator: solutie liant tip Terra (0,25%) si adaos de polimer organic de tipul alginatului (1%). Alginatul a fost utilizat ca liant inlocuitor al cimentului, fiind un polimer organic netoxic extras din alge ce are capacitatea de retinere a apei, formarea de geluri prin reactia cu sarurile de calciu si stabilizarea de emulsii. Gelurile de acid alginic, care reproduc caracteristicile unui solid cand procesul de gelificare se incheie, isi pastreaza forma si rezistenta la efort, fiind compuse din 99,0-99,5% apa si 0,5-1,0% alginat [6], [7], [8]. Sub forma de extract, alginatul absoarbe apa foarte rapid, fiind capabil sa inmagazineze de 200-300 ori greutatea proprie in apa. Caracteristicile fizice si parametrii specifici determinati prin incercarea presiunii de umflare sunt centralizate in tabelele 1 si 2.

Tabelul 1: Parametrii obtinuti din determinarea presiunii de umflare pe epruvete de argila cu 0,25% fibre de lana si materiale cu rol de liant

Tabelul 2: Parametrii obtinuti din determinarea presiunii de umflare pe epruvete de argila cu 0,50% fibre de lana si materiale cu rol de liant

Analiza parametrilor obtinuti din determinarile presiunii de umflare evidentiaza o crestere de 31-47% a modulului de deformatie edometric si o scadere de 35-67% a presiunii de umflare, trecandu-se de la categoria de pamanturi foarte active (p_u>200 kPa) in clasa de pamanturi active (p_u=100-200 kPa) comparativ cu valorile corespunzatoare pamantului argilos in stare naturala, ca efect al adaosului de fibre de lana si materialelor cu rol de liant.

Dupa uscarea excesiva a epruvetelor la o temperatura de 105±2^°C pentru 24 de ore, s-a observat reducerea semnificativa a potentialului de umflare manifestat de pamanturile argiloase, cat si reducerea partiala a crapaturilor de contractie vizibile prin adaosuri de fibre de lana, in special in cazul epruvetelor preparate in amestecuri cu 0,25% fibre de lana (fig. 1), comparativ cu cele obtinute pentru pamantul argilos in stare naturala.

Fig. 1: Efectul adaosului de fibre de lana asupra crapaturilor de contractie la pamanturile argiloase

Pentru evaluarea caracteristicilor de rezistenta la compresiune monoaxiala prin aplicarea in mod continuu, asupra epruvetelor, a unei incarcari axiale, uniform crescatoare, s-au analizat 5 seturi de epruvete: (1) pamant natural, (2) pamant natural cu adaos de 0,25% fibre de lana, (3) pamant natural cu adaos de 0,25% fibre de lana si solutie din 1% alginat si 0,25% solutie liant tip Terra, (4) pamant natural cu adaos de 0,50% fibre de lana, (5) pamant natural cu adaos de 0,50% fibre de lana si solutie din 1% alginat si 0,25% solutie liant tip Terra. Inainte de incercarea la compresiune monoaxiala, structurile de pamant preparate in laborator au fost mentinute in conditii normale de temperatura (19-22^°C) si umiditate (40-60%) pe o perioada de 6 ore, pentru omogenizarea amestecurilor.

Din analiza valorilor rezistentei la compresiune monoaxiala a epruvetelor compuse din pamant argilos, fibre de lana si solutie liant, se observa o tendinta de crestere semnificativa de 57%, respectiv de 103% a caracteristicilor de rezistenta pentru structurile compozite cu 0,25% fibre de lana, comparativ cu valorile obtinute pentru pamantul argilos in stare naturala. De asemenea, se pot remarca cresteri de 48%, respectiv de 122% ale caracteristicilor de rezistenta pentru structurile compozite cu 0,25% fibre de lana, comparativ cu valorile obtinute pentru pamantul argilos in stare naturala. Se constata diferente procentuale intre valorile rezistentei la compresiune monoaxiala intre structurile simple cu adaosuri de fibre de lana, reflectate printr-o scadere de 6% in cazul compozitiilor cu 0,50% fibre de lana comparativ cu cele obtinute pentru cele cu 0,25%, precum si o crestere de 9% a valorilor obtinute pentru compozitele cu 0,50% fibre de lana si solutie liant. Influenta solutiei formate din 1% alginat si 0,25% liant s-a tradus printr-o crestere de 29% pentru cele doua structuri de pamant cu 0,25% fibre de lana, respectiv de 50% pentru compozitiile cu 0,50% fibre de lana.

CONCLUZII

 In functie de indicatorii de performanta rezultati, s-au conturat variantele de produse eco-inovatoare bazate pe resursa naturala de lana de oaie (0,25% si 0,50% fibre de lana turcana) aplicabile in lucrarile de stabilizare sau imbunatatire a terenurilor dificile de fundare prin armare cu fibre de lana si adaosuri de solutii cu rol stabilizator. Din analiza rezultatelor obtinute pentru structurile de pamant in amestecuri simple si multicompozite cu diferite adaosuri de fibre de lana si solutii liant, se remarca urmatoarele aspecte:

• reducerea considerabila a potentialului de umflare pentru pamanturile din categoria PUCM, cresterea modulului de deformatie edometric, influenta in prevenirea aparitiei fisurilor sau crapaturilor de contractie;
• imbunatatirea performantelor mecanice pentru amestecurile pe baza de pamant argilos ranforsate cu fibre de lana prin cresterea rezistentei la compresiune monoaxiala si a capacitatii portante;
• identificarea de materiale si structuri compozite care au demonstrat experimental potentialul de valorificare eficienta a acestora in lucrarile de imbunatatire sau stabilizare a terenurilor dificile de fundare prin integrarea fibrelor de lana sau combinate cu lianti stabilizatori ca elemente de armare/ranforsare a pamanturilor [9], [10].

Rezultatele obtinute au demonstrat ca materialele pe baza de lana pot fi aplicate optim pentru controlul eroziunii sau imbunatatirea performantelor tehnice ale structurilor de pamant ranforsat prin cresterea rezistentei la forfecare a terenului de fundare [11]. In concluzie, dezvoltarea unor produse eco-inovatoare bazate pe lana cu aplicabilitate in domeniul ingineriei geotehnice, cu beneficii economice si impact scazut asupra mediului inconjurator, reprezinta o provocare in domeniu si permite deschiderea unor noi directii de cercetare.

Cercetarile experimentale au fost desfasurate de catre colectivul de geotehnica si fundatii, in cadrul proiectului Ctr. 5PS/2017 „Cercetari privind dezvoltarea capacitatii de transfer si comercializare a rezultatelor din cercetare privind valorificarea integrata a resursei naturale de lana. Aplicabilitatea produselor eco-inovative pe baza de lana de oaie in domeniul constructiilor” – Plan Sectorial al MCI.

BIBLIOGRAFIE

[1]. Galan-Marin C., Rivera-Gomez C., Petric J. (2010a), Clay-based composite stabilized with natural polymer and fibre, Construction and Building Materials, 24: 1462-1468;

[2]. Galan-Marin C., Rivera-Gomez C., Petric J. (2010b), Effect of animal fibres reinforcement on stabilized earth mechanical properties, Journal of Bio-based materials and Bioenergy, 4: 1-8;

[3]. Galan-Marin C., Rivera-Gomez C. (2012), Method for stabilising clay soils with natural organic polymers reinforced with animal fiber, Patent WO2012/101299;

[4]. Galan-Marin C., Rivera-Gomez C., Bradley F. (2013), Ultrasonic, molecular and mechanical testing diagnostics in natural fibre reinforced, polymer-stabilized earth blocks, International Journal of Polymer Science, Hindawi Publishing, 10 p;

[5]. Friedemann K., Stallmach F., Karger F. (2006), NMR diffusion and relaxation studies during cement hydration, Cement and Concrete Research, 36: 817-826;

[6]. Barbuta M., Serbanoiu A. A., Teodorescu R., Rosca B., Mitroi R., Bejan G. (2017), Characterization of polymer concrete with natural fibers, IOP Conference Series, Materials Science and Engineering, 246, 6 p;

[7]. Broda J., Gawlowski A., Przybylo S., Grzybowska-Pietras J., Laszczak R., Rom, M. (2016a), Application of textile wastes for production of geotextiles designed for erosion protection of slopes and embankments, Innovative Technical Textiles. Monography of Lodz University of Technology, Lodz;

[8]. Broda J., Przybylo S., Kobiela-Mendrek K., Binias D., Rom M., Grzybowska-Pietras J., Laszczak R. (2016c), Biodegradation of sheep wool geotextiles, International Biodeterioration & Biodegradation, 115: 31-38;

[9]. Buciscanu I. I. (2014), Sustainable alternatives for wool valorization, Annals of the University of Oradea, Fascicle of Textiles, Leatherwork, 27-32;

[10]. Tiuc Ancuta Elena, Vasile Ovidiu, Vermesan Horatiu, Acoustic Performance of Composite Materials Made from Textile Waste, Romanian Journal of Acoustics and Vibration (ISSN 1584-7284), 2015, Volume XII, issue 2 , 111-115;

[11]. Broda J., Kobiela-Mendrek K., Rom M., Grzybowska-Pietras J., Przybylo S., Laszczak R. (2016d), Biodegradation of Wool Used for the Production of Innovative Geotextiles Designed to Erosion Control, Natural Fibres: Advances in Science and Technology Towards Industrial Applications, RILEM Bookseries 12: 351 – 361;

[12]. Broda J., Grzybowska-Pietras J., Gawlowski A., Rom M., Przybylo S., Laszczak R. (2017b), Application of wool geotextiles for the protection of steep slopes, Procedia Engineering, Proceedings of the 3^rd International Conference on Natural Fibers, Advanced Materials for a Greener World, Portugal, 200: 112-119;

[13]. Denes O., Iacob Florea I., Manea D.L. ‚ Utilization of Sheep Wool as a Building Material, The 12^th International Conference Interdisciplinarity in Engineering, Procedia Manufacturing 32 (2019) 236–241;

[14]. Dobrescu C.F., Calarasu E.A., (2019), Reuse of waste materials as sustainable solution to stabilize the expansive clay soils, 19^th International Muldisciplinary Scientific GeoConferences SGEM2019, Conference Proceedings, ISBN 978-619-7408-77-5, ISSN 1314-2704,doi: 10.5593/sgem2019/1.2, Volume 19, pag. 455-460;

[15]. Dobrescu C.F., (2019), The Zener rheological viscoelastic modelling of dynamic compection of trhe ecologically stabilized soils, ACTA TECHNICA NAPOCENSIS, Series: Applied Mathematics, Mechanics, and Engineering l. 62, Issue II, June, 2019;

[16]. Florea I., Manea D.L., Analysis of Thermal Insulation Building Materials Based on Natural Fibers, The 12^th International Conference Interdisciplinarity in Engineering, Procedia Manufacturing 32 (2019) 230–235.

Autor:

ing. habil. Cornelia-Florentina DOBRESCU, CS II – Institutul National de Cercetare-Dezvoltare in Constructii, Urbanism si Dezvoltare Teritoriala Durabila INCD URBAN–INCERC

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 211 – martie 2024, pag. 40-42