Строительные материалы на биологической основе включают биомассу, полученную из возобновляемых материалов биологического происхождения, таких как растения (обычно побочные продукты агропромышленного и лесного сектора), животные, ферменты и микроорганизмы. включая бактерии, грибы и дрожжи.
Сегодня материалы на биологической основе могут представлять собой возможную ключевую стратегию решения значительного воздействия строительного сектора на окружающую среду, на долю которого приходится около 40% глобальных выбросов углерода.
Воздействие зданий относится к двум различным, но взаимосвязанным типам выбросов углерода: эксплуатационному и воплощенному углероду. Эксплуатационный углерод включает выбросы, связанные с функционированием здания, например, освещением и отоплением; воплощенный углерод включает выбросы, возникающие в результате физического строительства зданий, включая обработку материалов, материальные отходы, транспортировку, сборку и разборку.
В то время как исследования и политика последних десятилетий в основном были сосредоточены на сокращении выбросов парниковых газов (ПГ) во время строительных работ, например, путем принятия Директивы ЕС по энергоэффективности зданий, воплощенный углерод, связанный со строительными материалами, только недавно привлек значительное внимание. . Эта тенденция, как следствие, привела к растущему интересу к использованию низкоуглеродных материалов на биологической основе.
Биоматериалы и сопутствующие продукты обладают различными преимуществами: они возобновляемы, часто доступны на местном уровне, а во время роста растений углерод связывается, что увеличивает производство возможных альтернативных биокомпонентов.
Это означает, что при использовании строительных материалов на биологической основе в качестве компонентов зданий срок их службы обычно определяется сроком службы здания и приводит к временному снижению концентрации CO2 в атмосфере.
За это время углерод накапливается в здании, и его выбросы, таким образом, замедляются.
Исследователи доказали, что использование большей доли биоматериалов может снизить энергоемкость здания примерно на 20%.
Глядя на более широкую перспективу, исследования показали, что использование материалов на биологической основе в искусственной среде потенциально может сократить выбросы углекислого газа на более чем 320 000 тонн к 2050 году, что установлено Европейским Союзом в качестве целевой даты для достижения углеродной нейтральности. Более того, поскольку здания становятся более энергоэффективными, воплощенное воздействие от производства и установки новых материалов вносит значительный вклад в общий объем выбросов в течение жизненного цикла: от 10% до 80% в высокоэффективных зданиях. Этот сценарий подчеркивает потенциал того, что материалы на биологической основе могут оказать существенное влияние на сокращение общих выбросов энергии в зданиях.
Строительные материалы на биологической основе можно классифицировать в зависимости от их природного происхождения и физических свойств, которые влияют на их поведение при применении в строительной системе. По своей химической структуре и характеристикам возобновляемости материалы на биологической основе можно разделить на лигноцеллюлозные материалы, получаемые в результате лесного, растительного и сельского хозяйства; материалы на основе белка, полученные в результате сельского хозяйства, такие как шерсть и перья; земля; живые материалы, состоящие из микроорганизмов, таких как мицелий и водоросли.
Натуральные материалы традиционно использовались в архитектуре с народного периода. В настоящее время эти материалы выделяются благодаря инновационным применениям, в то время как новые биоматериалы, такие как живые материалы и биологические отходы, вступают в дискуссию с целью улучшения бизнес-моделей замкнутого цикла.
Среди биоматериалов древесина, как часть долгой, доиндустриальной истории строительства, всегда привлекала основное внимание со стороны политики и промышленности, и в последние годы исследователи и политики в основном выступали за ее замену бетона, железа и стали. в строительном секторе. Действительно, модульные деревянные конструкции, такие как фанера, клееный брус (LVL), панели, поперечно-клееный брус (CLT), позволяют сохранять в конструкции значительное количество углерода (50% массы) и выделяют значительно меньше парниковых газов в атмосферу. атмосферу по сравнению со строительством на минеральной основе. Более того, древесина считается легко поддающейся вторичной переработке, поскольку она допускает несколько вариантов повторного использования.
Однако важно учитывать, что климатическая выгода, связанная с хранением биогенного углерода, достигается только в том случае, если его заменяет рост другого дерева, что обычно занимает десятилетия. Таким образом, даже если деревянное строительство по-прежнему представляет собой возобновляемый ресурс, в краткосрочном периоде, например, в 2050 году, оно не может быть климатически нейтральным. Более того, в европейском контексте исследования показали, что количество древесины будет недостаточным для удовлетворения ожидаемого спроса, если произойдет полный переход к построению окружающей среды на основе древесины.
Благодаря своей прочности, долговечности, негорючести и способности улучшать качество воздуха в помещениях утрамбованная земля широко использовалась в строительстве, начиная с 16-17 веков. Однако с приходом промышленной революции стандартизация земляных материалов стала затруднительной, что затруднило их использование так же эффективно, как бетон и кирпич.
В настоящее время из-за низкого содержания углерода, доступности, безопасности и тепловых характеристик этих строительных материалов они становятся особенно привлекательной альтернативой более традиционным. Более того, существует возможность обойти такие недостатки, как зависимость от погодных условий на месте, за счет использования сборных элементов и инновационных производственных процессов. В связи с этим австрийская компания Erden разработала технологию изготовления элементов утрамбованных земляных стен, которые можно штабелировать для строительства крупномасштабных зданий. Вместо этого бельгийская компания BC Materials перерабатывает выкопанную землю в строительные материалы, производя кирпичную кладку из земляных блоков, штукатурку и краски.
Более того, использование аддитивного производства обсуждается как метод, потенциально способный повысить уровень качества детализации, точности, отделки и воспроизводимости при одновременном снижении трудозатрат и увеличении темпов. В этом отношении недавнее сотрудничество Mario Cucinella Architects и итальянской компании Wasp, специализирующейся на 3D-печати, привело к созданию первых полностью круглых жилищных конструкций, напечатанных на 3D-принтере из земли, под названием TECLA.
В отличие от древесины, быстрорастущие материалы представляют собой биоресурсы, которые быстро растут, что делает их легко доступными для сбора и использования в течение очень короткого периода времени. Быстрорастущие материалы обычно получают из побочных продуктов сельского хозяйства, таких как конопля, солома, лен, кенаф и несколько видов тростника, но также могут включать такие деревья, как бамбук и эвкалипт. Из-за коротких периодов севооборота эти материалы при использовании напрямую компенсируются отрастанием новых растений, и в целом это приводит к охлаждающему эффекту на атмосферу.
За последние десятилетия различные строительные проекты продемонстрировали свою универсальность, используя их для самых разных применений: от структурных компонентов, изготовленных из бамбука, до отделочных материалов, таких как штукатурка, полы, сайдинг, кровельная черепица, акустические и тепловые панели.
В нескольких исследованиях документально подтверждено их применение в искусственной среде как в виде сыпучих материалов, так и в составе биосмесей, таких как льняной бетон, бетон из рисовой шелухи, бетон из соломенных волокон или бамбуковый биобетон. Среди других пенобетон, изготовленный из извести и конопляной костры, выделяется своими структурными и изоляционными характеристиками, обеспечивая при этом значительную экономию углерода.
В этом контексте несколько стартапов и инновационных предприятий, таких как RiceHouse, Ecoological Building System и Strawcture, уже вышли на рынок с конкурентоспособными биокомпозитными альтернативами, доступными либо в виде сыпучих материалов, либо связанных натуральными или искусственными связующими.
Водоросли и мицелий вызывают все больший интерес как область исследований для применения в строительстве.
Водоросли в основном обсуждаются для их применения на фасадах зданий для производства энергии посредством разработки биореактивных фасадов. Пилотный проект SolarLeaf, реализованный Arup в Гамбурге в 2013 году, знаменует собой первое реальное применение этой технологии в жилом контексте, демонстрируя ее потенциальную применимость как к новым, так и к существующим зданиям.
Благодаря своей способности действовать как естественное связующее вещество мицелий, вегетативная часть грибов, используется в качестве связующего вещества многих композиционных материалов. В последние годы исследования по этой теме шли в геометрической прогрессии из-за полной биоразлагаемости связующего и его способности повышать ценность отходов, разлагая их и используя в качестве субстратов для их роста.
Различные временные проекты продемонстрировали структурные возможности мицелия как монолитных, так и дискретных отдельных элементов.
Кирпичи мицелия были испытаны в 2014 году при строительстве башни Hi-Fi, построенной в Музее современного искусства Нью-Йорка компаниями Arup и Living Architecture. Вместо этого были разработаны монолитные конструкции, такие как El Monolito Micelio или павильон BioKnit, для выращивания мицелия либо на месте, либо в камере выращивания целиком.
Отсутствие отлаженных методов производства крупногабаритных композитных компонентов на основе мицелия, прежде всего из-за низких структурных возможностей таких композитов и различных технологических и конструктивных ограничений, является сегодня основным препятствием для их промышленного масштабирования для применения в строительстве.
Однако итальянская MOGU и американская Ecovative — две мицелиальные компании, способные масштабировать производство до промышленного уровня, производя и продавая акустические панели для внутренних помещений. В этом контексте проект, разработанный в сотрудничестве между Arup и университетами Левена (Бельгия), Касселя (Германия) и Институтом технологий Кальрсруэ под названием HOME, направлен на содействие масштабированию композитов на основе мицелия путем разработки прототипов и использования разнообразные производственные процессы для внутренней звукоизоляции.
Текстильные, бумажные и пищевые отходы также приобретают все больший интерес для применения в зданиях, поскольку являются циркулярными стратегиями, обеспечивающими процессы вторичной переработки и способствующими эффективному переходу к углеродно-нейтральному обществу.
В литературе описаны строительные компоненты, разработанные из пищевых отходов обрезки оливок, отходов кожуры миндаля, кофейных зерен и стручков гороха для изготовления акустических панелей и теплоизоляционных панелей.
Аналогичным образом, исследования также были сосредоточены на повторном использовании картона и макулатуры для производства биокомпозитных панелей. В связи с этим были протестированы термические свойства целлюлозных волокон, полученных из отходов бумаги и картона, которые оказались особенно эффективными: теплопроводность достигала 0,042 Вт·м-1·К-1, что сопоставимо с традиционными материалами.
Из-за большого количества отходов, образующихся в результате моды и одежды, было разработано несколько исследований и различных исследовательских проектов, таких как проект RECYdress (2022) и MATE.ria tessile (2023), оба проведенных в Миланском политехническом университете, для изучения обработки текстиля и его использования в качестве вторичного сырья в строительном секторе. Действительно, остаточные потоки текстиля, по оценкам, имеют потенциал переработки около 16 кВт·ч сэкономленной энергии на каждый килограмм текстиля.
В связи с этим в 2025 году может быть реализована Рамочная директива об отходах, которая регулирует в Европе текстильные отходы и обязывает государства-члены обеспечивать раздельный сбор текстиля для повторного использования и переработки, чтобы продвигать схемы расширенной ответственности производителей. Это потребует от модных брендов и производителей текстиля уплаты сборов, чтобы покрыть затраты на сбор и переработку текстильных отходов.
Несколько продуктов, в которых для изоляции используется переработанный текстиль, уже доступны на рынке. Компания Inno-Therm из Великобритании производит утеплитель из переработанного промышленного хлопкового материала – джинсовой ткани. Аналогичным образом, Le Relais, французская компания по переработке отходов, которая ежегодно собирает 45 000 тонн использованного текстиля, разработала теплоизоляционный продукт под названием Mettise. Изделие содержит не менее 85 % переработанных волокон и состоит из хлопка (70 %), шерсти/акрила (15 %) и полиэстера (15 %).
Для обеспечения широкого использования биоматериалов в строительной среде необходимо решить ряд важных вопросов, требующих дальнейшего изучения.
По мнению ряда исследователей, одной из основных проблем, связанных с материалами на биологической основе при их применении в строительном секторе, являются их требуемые и ожидаемые характеристики, которые должны быть сопоставимы с характеристиками традиционных инженерных строительных материалов. Таким образом, в настоящее время продолжаются обширные исследования для решения проблем, связанных с долговечностью, надежностью, удобством эксплуатации, свойствами и устойчивым производством.
В европейском контексте, в рамках достижения целей по смягчению последствий изменения климата до 2050 года, Европейский Союз пытается реализовать, среди других мер, производство и использование материалов на биологической основе во многих различных секторах и сегментах общества посредством таких правил, как Европейский Промышленная стратегия, Инициатива ЕС по биотехнологиям и биопроизводству и Циркулярный план действий.
Однако, поскольку традиционные материалы по-прежнему доминируют в строительном секторе, некоторые политики и застройщики не понимают, что такое биоматериалы. По словам Гёсвайна, наличие правовой базы успокоит инвесторов и страховые компании и будет способствовать продвижению динамики экономики замкнутого цикла.
