Проектирование зданий, расчет конструкций, авторский надзор

Биопозитивные материалы

Биопозитивные материалы. К биопозитивным можно отнести строительные материалы из возобновимых природных ресурсов, не оказывающие негативного действия на человека (и даже оказывающие позитивное влияние на здоровье человека), не загрязняющие природную среду при их изготовлении, требующие минимальных затрат энергии в процессе изготовления, полностью рециклируемые или разлагающиеся после выполнения функций подобно материалам живой природы. Всем этим требованиям отвечают очень немногие естественные материалы: дерево (и другие растительные материалы — бамбук, тростник, солома и др,), шерсть, войлок, кожа, пробка, коралловый песок и камни, натуральный шелк и хлопок, натуральная олифа, натуральный каучук, натуральные клеи и др. Несколько условно к биопозитивным материалам можно отнести строительные материалы, полученные из широко представленных в земной коре полезных ископаемых, или почти полностью рециклируемые материалы (следовательно, испытывающие незначительную убыль и к тому же позволяющие экономить до 80…90 % энергии на их производство). К ним относятся изделия из глины, стекла, алюминия.

Под биопозитивными материалами подразумеваются такие материалы, которые удовлетворяют принципам биопозитивности: при их изготовлении используются возобновимые ресурсы, они поддаются саморазложению после выполнения функций без загрязнения среды; как частично биопозитивные можно рассматривать полностью рециклируемые материалы, изготовленные из широко представленного в земной коре полезного ископаемого (алюминий, кремний). Совершенствование материалов в направлении их биопозитивности будет, видимо, осуществляться как в соответствии с современными направлениями (применение рециклируемых материалов, сокращение материалоемкости, повышение их долговечности и др.), так и в направлении более полного использования природных воспроизводимых материалов, создания новых материалов с заданными свойствами и биоподобных материалов, которые могли бы подпитываться энергией.

Биопозитивные конструкции изготавливаются из биопозитивных материалов в соответствии с природными принципами конструирования — законами естественного формо — и структурообразования. При создании биопозитивных материалов и конструкций полезны данные о принципах, используемых в природе .
 Природные принципы создания материалов и их использование в технике

Биоматериалы, не требующие затрат невозобновимых ресурсов при изготовлении
Саморазлагающиеся материалы, не загрязняющие природу
Активные материалы, подпитывающиеся энергией и меняющие жесткость (типа мышц) Композиты; сочетание активных и пассивных материалов
Новые технологии и материалы, не потребляющие невозобновимые ресурсы
Саморазрушающиеся (после срока эксплуатации) материалы
Создание активных материалов, воспринимающих временные нагрузки
Композиты, сочетание пассивных и активных материалов
Конструкции
Пространственные конструкции (оболочки, мембраны, сетки)
Гексагональность пор, сеток
Тургор, напряжение пор
Торможение трещин Полифункциональность
Пространственные конструкции
Гексагональность
Тургор, напряжение сот
Торможение трещин

Полифункциональность конструкций

Развитие, разложение
Рост, развитие по программе
Ремонт и изменения в процессе жизни по программе
Разложение после завершения жизни с возвратом всех веществ в кругооборот
Саморастущие сооружения
Самозалечивание и нужные изменения по программе
Саморазрушение с возвратом составляющих в производство или естественный кругооборот

Производство и применение биопозитивных материалов и конструкций в промышленности позволит существенно снизить негативное влияние на природу, сохранить естественные запасы полезных ископаемых и оставить их для потомков.

Очень перспективным направлением производства различных материалов может стать возврат на более совершенном технологическом уровне к природному процессу их получения: например, производство волокон и тканей только из растений с усиленными генетическим путем соответствующими свойствами; выделение каучука только из растений-каучуконосов также с усиленным выделением сока; направленное создание сортовой древесины с ускоренным ростом; получение шерсти и различных утеплителей только из шерсти, получаемой при стрижке животных, а также из растений, и полный отказ от синтетических материалов; таким же путем можно получать различные лаки, краски, смазочные материалы, спирт, и т.д. Весьма эффективным кажется получение расщепляемых полимеров из растительного сырья. Так, в Малайзии на основе пальмового масла получают полиол как основу для производства полиуретана.

Уже созданы различные типы пластмасс, подверженных биохимическому разложению в почве (обычно это — соединения на нефтяной основе с крахмалом или целлюлозой). Одноразовая посуда из крахмала и риса после употребления может идти на корм скоту или на удобрение. Из рисовой шелухи получают углерод, кремниевую кислоту, окислы кремния, которые позволяют выделить очень чистый кремний для микросхем или для сверхпроводящей керамики. Тончайшие волокна из широко распространенного базальта позволяют получить прочные и несгораемые нити, вату, ткани.

В последние годы в Японии, США, ФРГ развиваются исследования возможности природоподобного возведения подводных морских саморастущих сооружений из растворенного в воде кальция. Для этого применяют следующую технологию: вначале под воду устанавливают или на месте собирают легкий пространственный металлический (токопроводящий) каркас, описывающий наружный контур будущего сооружения (трубы, оболочки, подводного здания и др.), затем подают на этот каркас небольшой ток (используют, например, установленную над водой небольшую солнечную батарею), после чего начинается нарастание на каркасе достаточно толстого слоя камня, выделенного из морской воды. В результате можно получить искусственное каменное сооружение, армированное стальной проволокой, наружная поверхность которого может служить естественным субстратом для обрастаний. Интересным примером практического использования этого нетривиального решения является защита стальных свай, сильно разрушенных коррозией в уровне поверхности воды. На сваях было наращено покрытие толщиной около 10 см, надежно защитившее их в зоне наибольшего разрушения.

Вопросы создания новых природоподобных технологий возведения зданий и сооружений на поверхности земли исследуются в институте легких конструкций (IL) в Штуттгарте, ФРГ. Как первое наиболее простое решение предлагается использование высаженных в нужных точках плана здания (там, где необходимы колонны и фундаменты) быстрорастущих деревьев с развитой корневой системой и ровным вертикальным стволом, которые после набора нужного сечения и высоты применяются взамен колонн и фундаментов.

Следует коснуться еще одного весьма перспективного направления в совершенствовании материалов: создания новых, ранее неизвестных человеку материалов с новыми свойствами. Здесь можно на основании предыдущего опыта предположить открытие новых материалов с ранее неизвестными свойствами. Например, новый материал-фуллерен (названный так в честь известного американского конструктора сетчатых куполов Б. Фуллера), представляющий неизвестную ранее форму углерода с атомами, расположенными в узлах пространственной решетки сферы и др. Считается, что фуллерен с молекулами, заполненными внутри (в пространстве сферы) различными материалами, может иметь новые разнообразные свойства.

Древесина и ее производные — это наиболее массовый биопозитивный строительный материал, позволяющий получать легкие, прочные, несгораемые, не гниющие конструкции (с помощью специальной обработки). Дерево в период роста является также естественным фильтром для загрязнений, выделяет полезные для человека вещества в воздух, обогащает атмосферу кислородом, а почву- гумусом, создает ниши для существования различных животных. Лес, использованный для изготовления строительных материалов, полностью восстанавливается, и природная среда «не замечает» изъятие небольшой части леса. Модифицированная древесина — отличный и достаточно высокопрочный материал, который можно армировать. Стены, выполненные из дерева, «дышат» и обеспечивают внутри помещений благоприятный микроклимат. Поэтому можно считать дерево одним из наиболее перспективных биопозитивных строительных материалов (табл. 8.3). В работах по пермакультуре дерево и кустарники рассматриваются как строительный материал для возведения жилых одноэтажных домов, причем часть деревьев и кустарников в этих домах используются в натуральном живом виде.

Вторыми по экологичности являются строительные материалы и изделия из глины: необожженные кирпичи из глины в смеси с соломой и песком, обожженные керамические изделия — кирпичи, большеразмерные пустотелые камни для стен и перекрытий, плитка, черепица и др. Наименее энергоемкие кирпичи из высушенной глины в смеси с армирующей ее соломой много веков используются при строительстве зданий разной этажности в условиях сухого климата или при надежной защите от увлажнения. Четверть всех жителей Земли живет в домах, построенных из высушенных на солнце глиняных кирпичей, причем эти здания в странах с сухим климатом стоят сотни лет. Несомненным достоинством этого строительного материала является его полная рециклируемость, причем можно использовать разбираемый материал и в качестве добавки в почву для выращивания растений.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БИОПОЗИТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Совершенствование применяющихся материалов
Применение материалов из отходов производства и потребления
Расширение производства материалов из возобновимых ресурсов
Сокращение материалоемкости и повышение износостойкости
Применение наиболее рециклируемых материалов (алюминий и др.)

Разработка новых более экологичных материалов
Полностью рециклируемые материалы
Материалы, не подверженные коррозии и другому износу, самозалечивающиеся
Материалы из широко представленных в земной коре минералов
Материалы из воспроизводимых ресурсов (древесина, злаки и др.)

Принципиально новые материалы отдаленного будущего
Саморастущие материалы
Полностью разлагающиеся материалы
Материалы с заранее заданными свойствами
Активные материалы типа мышц, с подпиткой энергией

В последние десятилетия наступила эра второго рождения кирпича, черепицы и эффективных большеразмерных тонкостенных керамических изделий как элементов стен, перекрытий и колонн. Разработаны автоматизированные линии по производству большеразмерных керамических камней с повышенными теплозащитными свойствами, высотой на комнату, и керамических изделий как оставляемой опалубки для изготовления монолитных перекрытий и железобетонных колонн. Кирпич и керамические изделия являются рециклируемыми материалами, хотя и не полностью. При изготовлении этих изделий требуются большие затраты энергии.

Среди невозобновимых материалов можно выделить алюминий и стекло как почти полностью (на 90 %) рециклируемые материалы, к тому же при их повторном изготовлении требуется значительно меньше энергии. Сокращение расхода энергии при производстве биопозитивных строительных материалов является очень важной задачей, так как позволяет не только сокращать их стоимость и снижать расход энергоресурсов, но и меньше загрязнять среду. Так, при первичном изготовлении 1 м3 алюминия требуется очень большой расход энергии — 7250 кВт. ч. (для сравнения — получение 1 м3 цемента требует затрат 1700 кВт. ч, древесноволокнистых плит — 800, кирпича — 500, газобетона — 450, дерева — 180). Такой большой расход энергии делает алюминий неэкологичным материалом, однако, при повторном изготовлении из лома затраты энергии составят около 600 кВт. ч, что позволяет считать алюминий экологичным материалом.

В различных рекомендациях по экологичному строительству (или устойчивому развитию) рекомендуется использование местных материалов и местного опыта. Это положение может быть вполне обосновано резким сокращением затрат на транспортировку, а также возможностью использования богатого опыта предков: например, в странах, богатых лесом, веками строили с применением древесины и накопили богатый опыт; в странах с большими запасами естественного камня делали дома из этого камня; в странах с жарким сухим климатом возводили многоэтажные дома из высушенной на солнце глины.

Применение строительных материалов из невозобновимых ресурсов (цемент, сталь, бетон, железобетон, пластмассы, и др.), которые к тому же требуют значительных затрат энергии, являются плохо рециклируемыми, не позволяют создавать благоприятный микроклимат в помещениях, существенно загрязняют окружающую среду при изготовлении, необходимо постепенно ограничивать. Каждый раз при выборе строительного материала нужно сравнивать варианты с учетом экологичности материалов.

В понятие экологичности (биопозитивности) строительных материалов входит и невозможность выделения вредных веществ в период эксплуатации: например, некоторые натуральные каменные материалы — гранит, сиенит, порфир — имеют повышенный радиоактивный фон; пластмассы или строительные материалы с их применением (древесноволокнистые плиты, линолеум, синтетические краски, синтетические плитки для пола и для облицовки, различные синтетические добавки в бетон, раствор, синтетические клеи, утеплители на синтетической основе и др.) долго выделяют опасные газы в воздух помещений; изделия с асбестом, особенно подверженные выветриванию с поступлением волокон асбеста в воздух, признаны недопустимыми в ряде стран. Все это может быть чрезвычайно вредно для находящихся в помещениях людей, особенно детей.

Интересен возврат к природным материалам в современном строительстве в развитых странах: с целью оздоровления среды зданий не только для стен, перекрытий и кровли рекомендуется использовать естественные материалы, но даже и в качестве утеплителя наружных стен применяют вату из бумаги и отходов ткани, а для отделки рекомендуют только естественные красители и облицовку из естественного дерева, пробки, камня. Широко применяется обваловка стен и кровель грунтом, устройство озелененных крыш — газонов, сплошного вертикального озеленения наружных стен и внутренних двориков — атриумов. Возможно, биопозитивный материал для экологичных зданий будущего – это подобие естественного природного субстрата, осваиваемого флорой и мелкой фауной.

Биопозитивные строительные материалы должны обладать и долговечностью, и стойкостью к различным воздействиям — высокой и низкой температуре, агрессивной среде. Среди воздействий на материалы и здания можно особо выделить агрессивные воздействия живой природы — борьбу живой природы с материалами и искусственными сооружениями (биоповреждения). Надо отметить, что именно биопозитивные ( природные) строительные материалы и конструкции наиболее подвержены биоповреждениям как издавна существующие и освоенные различными живыми организмами. Однако живая природа часто выступает в роли разрушителя любых искусственных материалов и объектов техники.

В Белоруссии Академией экологии предложен и строится экодом со стенами из соломы, которую укладывают в тюках, скрепляемых раствором, либо смешивают солому с глиняным раствором.

Живая природа, как показывает опыт, может активно или пассивно реагировать на изделия человека, включая эти объекты в экосистемы или, отторгая их (если они не носят биопозитивного характера). Ежегодный ущерб от биоповреждений постоянно растет (в начале 50-х годов он составлял около 2 % стоимости всей мировой промышленной продукции, в 70 -х годах — около 5 %, а в конце 80-х — около 7 %). В целом ежегодный ущерб от биоповреждений составляет около 50 млрд. долларов США. Биоповреждения — это следствие взаимодействия искусственных объектов и живой природы: искусственные объекты (здания, сооружения) занимают пространство, ранее занятое природной средой; искусственные объекты ухудшают состояние среды обитания живой природы; они заменяют места обитания на искусственные, урбанизированные, что отрицательно влияет на редкие, несинантропизируемые виды животных; в процессе строительства и эксплуатации здания и сооружения могут вызывать гибель живой природы.

При биоповреждениях живые организмы своей деятельностью или присутствием вызывают ухудшение структурных и функциональных характеристик материалов и искусственных объектов. Строительные материалы и сооружения, с одной стороны, таким образом, занимают пространство, ранее принадлежавшее живой природе, но с другой стороны они могут использоваться живой природой как пища или убежища. Кроме того, есть одна область человеческой деятельности , в которой биоповреждения играют позитивную роль: биологическое разложение отходов жизнедеятельности человека, некоторых видов загрязнений, ненужных отслуживших свой срок строительных материалов.

Биоповреждениям сильно подвержена древесина (домовые и почвенные грибы, термиты, морские организмы и др.), синтетические материалы (грибы и бактерии), бумага (грибы, бактерии), сталь (бактерии). Среди повреждающих живых организмов — бактерии, грибы, термиты, грызуны, моль, мебельные жуки и др. Борьба с нежелательными биоповреждениями строительных материалов и сооружений должна, с одной стороны, заключаться в локальной (местной) или в системной (комплекс мероприятий) защите от воздействий живой природы. С другой стороны, необходимо заранее (на стадии разработки и проектирования материалов и сооружений) учитывать интересы живой природы.

Постепенно уйдут в прошлое недолговечные и плохо разлагающиеся полиэтиленовые пакеты, их заменят долговечные холщовые сумки.

Related Images:

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

Comments are closed.