Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
В условиях растущих требований к экологической устойчивости и снижению себестоимости строительных материалов разработка композитов на основе переработанных компонентов представляет особый научный и практический интерес. В данной работе исследованы прочностные характеристики нового композитного материала на основе цемента, древесных отходов и переработанного ПЭТ. Экспериментальная часть исследования включала лабораторные испытания 30 образцов материала, проведенные в 2024-2025 гг. в соответствии со стандартами ASTM. Результаты показали, что прочность на сжатие материала варьируется в диапазоне 12,4-14,5 МПа, что сопоставимо с характеристиками традиционного керамзитобетона. Прочность на изгиб достигла 3,8-4,5 МПа благодаря армирующему эффекту древесно-полимерных компонентов. Материал демонстрирует высокую морозостойкость, сохраняя более 90% прочности после 50 циклов замораживания-оттаивания, а низкое водопоглощение (4,5%) обеспечивает его долговечность в условиях повышенной влажности. Ключевыми преимуществами разработанного композита являются конкурентоспособные прочностные характеристики, повышенная долговечность и экологическая эффективность за счет использования вторичных материалов. Перспективы дальнейших исследований связаны с изучением долгосрочного поведения материала в различных климатических условиях и оптимизацией его реологических свойств.
композиционные материалы, древесные отходы, полиэтилентерефталат, цемент, песок, прочностные характеристики
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Современная строительная отрасль переживает смену парадигмы сторону устойчивого развития, где ключевое значение приобретают материалы, сочетающие экологическую безопасность и
высокие эксплуатационные характеристики [1]. Композиты на основе цемента, древесных отходов и полиэтилентерефталата (ПЭТ) представляют особый интерес благодаря возможности утилизации промышленных отходов и создания материалов с программируемыми свойствами [2]. Многочисленные исследования демонстрируют потенциал таких систем для применения в промышленном строительстве, что обусловлено их способностью удовлетворять требованиям как к механическим характеристикам, так и к тепловой эффективности [3].
Переходя к фундаментальным аспектам создания композитов, следует отметить, что основной проблемой является обеспечение совместимости разнородных компонентов [4]. Экспериментальные исследования выявили, что водорастворимые экстрактивные вещества древесины значительно ингибируют процессы гидратации цемента [5]. Для решения этой проблемы предложены различные методы предварительной модификации древесных заполнителей, включая химическую обработку и термическую модификацию, которые позволяют минимизировать негативное влияние органической фазы на формирование цементного камня [6].
В контексте оптимизации структуры материала особый интерес представляют работы по созданию тройных систем "цемент-древесина-ПЭТ" [7]. Проведенные исследования демонстрируют, что ПЭТ-волокна, введенные в оптимальном количестве, способны не только компенсировать хрупкость древесно-цементной матрицы, но и существенно улучшить ее прочностные характеристики [8]. Микроструктурный анализ подтверждает, что при использовании специальных модифицирующих добавок происходит формирование устойчивых межфазных границ, обеспечивающих эффективное перераспределение напряжений в композитной системе [9].
Рассматривая функциональные характеристики разрабатываемых материалов, следует подчеркнуть их уникальное сочетание механических и теплофизических свойств [10]. Достигаемые значения прочности при сжатии позволяют использовать композиты в конструкционных элементах промышленных зданий, в то время как пониженная плотность и улучшенные теплоизоляционные характеристики открывают возможности для их применения в ограждающих конструкциях [11]. Важным аспектом является изучение долговечности материалов в различных условиях эксплуатации, где проведенные испытания подтверждают сохранение эксплуатационных характеристик при циклическом замораживании-оттаивании и воздействии агрессивных сред [12].
Что касается технологических аспектов производства, то современные исследования охватывают широкий спектр процессов переработки композитных смесей [13]. Наибольшую эффективность демонстрируют методы, основанные на прессовании и экструзии, которые обеспечивают достижение высокой степени однородности структуры материала [14]. Разработанные реологические модели позволяют точно прогнозировать поведение композитных смесей на различных стадиях переработки, что является важным условием для оптимизации технологических параметров [15].
Перспективным направлением представляется адаптация аддитивных технологий для производства элементов строительных конструкций [16]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что образцы, полученные методом 3D-печати, демонстрируют соответствие предъявляемым требованиям как по точности геометрических параметров, так и по стабильности физико-механических характеристик, что открывает новые возможности для цифровизации строительной отрасли [17].
Анализируя экологические аспекты, необходимо отметить, что комплексная оценка жизненного цикла подтверждает значительный потенциал разрабатываемых материалов в контексте устойчивого развития [18]. Расчеты демонстрируют существенное снижение углеродного следа по сравнению с традиционными строительными решениями, при этом особое внимание уделяется вопросам утилизации материалов после окончания срока службы [19]. В экономическом плане анализ свидетельствует о целесообразности внедрения композитов при наличии стабильных источников сырьевых ресурсов, где оптимизация транспортных потоков позволяет минимизировать затраты на производство [20].
Переходя к вопросам практической реализации, следует отметить накопленный опыт применения композитных материалов в виде стеновых панелей, теплоизоляционных материалов и элементов несъемной опалубки [21]. Проведенные натурные испытания подтвердили соответствие заявленных характеристик реальным эксплуатационным условиям, при этом особый интерес представляют разработки в области создания многофункциональных строительных систем, сочетающих несущую способность и энергоэффективность [22].
Цель работы - разработка и изучение свойств инновационного композиционного строительного материала на основе портландцемента, древесных отходов (опилок и стружки) и переработанного полиэтилентерефталата (ПЭТ). Исследование направлено на создание конкурентоспособного материала с высокими механическими и эксплуатационными характеристиками, пригодного для применения в строительстве.
Материалы и методы
Объект и предмет исследований Объектом исследования являются композиционные материалы на основе цемента, модифицированные древесными отходами и переработанным полиэтилентерефталатом. Предмет исследования - строительный материал, обладающий высокими технико-механическими характеристиками, полученный путем рационального сочетания цементной матрицы, древесного наполнителя и полимерной фазы.
Характеристика сырьевых материалов В качестве основного вяжущего использовался портландцемент марки М400 со средней плотностью 3,0-3,2 г/см³, удельной поверхностью 300-350 м²/кг и стандартными сроками схватывания: начало - не ранее 45 минут, конец - не позднее 10 часов. Прочностные показатели цемента составляли: прочность на сжатие в 28 суток 39,2-49,0 МПа, прочность на изгиб 5,4-6,4 МПа.
Древесная составляющая включала два фракционных типа отходов: мелкодисперсные опилки размером 0,1-1 мм с влажностью 8-12% и древесную стружку размером 1-5 мм с плотностью 350-450 кг/м³ и зольностью не более 1,5%. Химический состав древесных отходов характеризовался содержанием целлюлозы 40-50%, лигнина 20-30%, гемицеллюлоз 15-25% и экстрактивных веществ 2-5%(рисунок 1).
Рисунок 1. Древесная стружка
Figure 1. Wood shavings
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
Полимерный компонент представлял собой хлопья из переработанного ПЭТ с размером частиц 2-8 мм, толщиной 0,2-0,5 мм, плотностью 1,38 г/см³, температурой плавления 220-230°C и степенью кристалличности 30-40%.
Методика подготовки компонентов Древесные отходы подвергались предварительной сушке до остаточной влажности 3-5%. Подготовка ПЭТ-компонента включала механическое измельчение, воздушную сепарацию и поверхностную активацию 10% раствором NaOH. Критериями отбора материалов служили постоянство физико-химических характеристик, отсутствие токсичных примесей и воспроизводимость свойств (рисунок 2).
Рисунок 2. Сушильный шкаф
Figure 2. Drying cabinet
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
Требования к качеству компонентов Для древесных наполнителей установлены требования: содержание коры не более 5%, отсутствие грибковых поражений, однородность фракционного состава. Для ПЭТ-компонента определены: степень очистки от органических загрязнений не ниже 90%, содержание полиолефинов не более 5%.
Предложенный состав и методика подготовки компонентов обеспечивают точное дозирование, контролируемое фазовое взаимодействие в композите и воспроизводимость экспериментальных результатов.
Методология экспериментальных исследований
Критерии качества компонентов К древесным наполнителям предъявлялись специальные требования, включающие ограничение массовой доли коры до 5%, отсутствие микологических поражений и высокая степень однородности фракционного состава. Для полимерной составляющей регламентировалась степень очистки от органических загрязнений не менее 90% при максимальном содержании полиолефинов 5%. Подобный подход к подбору компонентного состава обеспечил возможность прецизионного дозирования, управляемого фазового взаимодействия в композитной системе и воспроизводимости экспериментальных данных.
Технология получения опытных образцов Процесс изготовления образцов осуществлялся в два технологических этапа. На подготовительной стадии проводили кондиционирование древесных компонентов путем сушки до нормативной влажности и механическую очистку ПЭТ-хлопьев от поверхностных загрязнений.
Ключевой операцией являлся процесс карамелизации, реализуемый при термомеханическом воздействии в смесительном оборудовании при температуре 230°C в течение 15-20 минут. В данных режимных параметрах достигалось полное обволакивание древесных частиц полимерной пленкой без термической деструкции целлюлозной составляющей(рисунок 3).
Рисунок 3. Гранулы карамелизованных в ПЭТ древесных отходов
Figure 3. Caramelized wood waste pellets in PET
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
На основном технологическом этапе осуществляли последовательное введение компонентов в бетоносмеситель. Первоначально проводили гомогенизацию карамелизованных гранул с кварцевым песком фракции 0,1-0,6 мм в течение 5-7 минут, в результате чего абразивное воздействие песчаных частиц создавало развитую адгезионную поверхность на гранулах. Затем вводили цементное вяжущее с последующим затворением системы расчетным количеством воды.
Реологические параметры смеси Свежеприготовленная смесь характеризовалась следующими технологическими показателями:
·подвижность по методике СтройЦНИЛ составляла 3-4 см;
·сроки сохранения удобоукладываемости находились в интервале 90-120 минут;
·средняя плотность смеси варьировалась в пределах 1150-1250 кг/м³.
Формование опытных образцов для механических испытаний выполняли методом вибропрессования (рисунок 4) с последующим твердением в нормальных условиях (рисунок 5).
Рисунок 4. Лабораторное вибропрессовое
оборудование
Figure 4. Laboratory vibratory pressing equipment
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
Методы оценки свойств композита Для комплексной характеристики материала применяли стандартизированные методы испытаний. Определение прочности на сжатие проводили на образцах-кубах размером 100×100×100 мм в соответствии с требованиями ГОСТ в возрасте 7, 28 и 90 суток. Испытания выполняли на прессах с постоянной скоростью нагружения до момента разрушения образцов.
Водопоглощение оценивали гравиметрическим методом после выдержки образцов в водной среде в течение 24 и 72 часов. Данный показатель является критически важным для прогнозирования долговечности материала в условиях эксплуатации при повышенной влажности.
Морозостойкость определяли путем циклических испытаний, включающих 50 последовательных циклов замораживания при -20°C и оттаивания при +20°C. После завершения циклических воздействий проводили оценку изменения прочностных характеристик и визуальный анализ состояния поверхности образцов.
Дополнительно выполняли испытания на стойкость к химическим воздействиям и УФ-излучению для оценки эксплуатационной стабильности материала в различных условиях.
Рисунок 5. Опытный образец строительного блока
Figure 5. Prototype of a building block
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
1. Caldarola B., Mazzilli D., Napolitano L., Patelli A., Sbardella A. Economic complexity and the sustainability transition: a review of data, methods, and literature. Journal of Physics: Complexity. 2024; 5(2): 022001. DOI:https://doi.org/10.1088/2632-072X/ad4f3d.
2. Ulewicz M. Recycled Materials in Civil Engineering Application. Materials (Basel). 2023; 16(22): 7075. DOI:https://doi.org/10.3390/ma16227075.
3. Albayati A.H., Al-Mosawe H., Maher A.M., Al-Ani A.F., Moudhafar M.M. Performance Evaluation of Composite CNT/PE-Modified Asphalt Concrete at Binder, Mixture, and Pavement Levels. Civil Engineering Journal. 2025; 11(10): 4380–4398. DOI:https://doi.org/10.28991/CEJ-2025-011-10-022.
4. Yin F., West R., Powell B., DuBois C.J. Short-Term Performance Characterization and Fatigue Damage Prediction of Asphalt Mixtures Containing Polymer-Modified Binders and Recycled Plastics. Transportation Research Record. 2025; 2679(1): 742–759. DOI:https://doi.org/10.1177/03611981221143119.
5. Hasnat M.R., Hassan M.K., Saha S.A. Comprehensive Review of Aluminium Composite Panels: Current Research, Challenges, and Future Research Direction. Journal of Composites Science. 2025; 9(7): 319. DOI:https://doi.org/10.3390/jcs9070319.
6. Xiao J., Han N., Li Y. et al. Review of recent developments in cement composites reinforced with fibers and nanomaterials. Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2021; 15: 1–19. DOI:https://doi.org/10.1007/s11709-021-0723-y.
7. Srivabut C., Homkhiew C., Rawangwong S. et al. Possibility of using municipal solid waste for manufacturing wood-plastic composites: effects of natural weathering, wood waste types, and contents. Journal of Material Cycles and Waste Management. 2022; 24: 1407–1422. DOI:https://doi.org/10.1007/s10163-022-01443-4.
8. Yao X., Pei Z., Zheng H., Guan Q., Wang F., Wang S., Ji Y. Review of Mechanical and Temperature Properties of Fiber Reinforced Recycled Aggregate Concrete. Buildings. 2022; 12(8): 1224. DOI:https://doi.org/10.3390/buildings12081224.
9. Macías-Silva M.A., Cedeño-Muñoz J.S., Morales-Paredes C.A., Tinizaray-Castillo R., Perero-Espinoza G.A., Rodríguez-Díaz J.M., Jarre-Castro C.M. Nanomaterials in construction industry: An overview of their properties and contributions in building house. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2024; 10: 100863. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cscee.2024.100863.
10. Turoboś P., Przybysz P. Comparative Study of Cement Composites Reinforced with Cellulose and Lignocellulose Fibers. Fibers. 2025; 13(9): 128. DOI:https://doi.org/10.3390/fib13090128.
11. Signorini C., Volpini V. Mechanical Performance of Fiber Reinforced Cement Composites Including Fully-Recycled Plastic Fibers. Fibers. 2021; 9(3): 16. DOI:https://doi.org/10.3390/fib9030016.
12. Vaculik S., Matschei T. Fire Resistance of Wood Fiber Reinforced Concrete. In: Amziane S., Merta I., Page J. (eds) *Bio-Based Building Materials. ICBBM 2023. RILEM Bookseries*. 2023; vol 45. Springer, Cham. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-031-33465-8_38.
13. Stojkovic M., Butt J. Industry 4.0 Implementation Framework for the Composite Manufacturing Industry. Journal of Composites Science. 2022; 6(9): 258. DOI:https://doi.org/10.3390/jcs6090258.
14. Amadi I.G., Mahachi J. Towards Sustainable Concrete: Current Trends and Future Projections of Supplementary Cementitious Materials in South Africa. Construction Materials. 2025; 5(3): 70. DOI:https://doi.org/10.3390/constrmater5030070.
15. Amadi I.G., Mahachi J. State-of-the-art review on construction and demolition waste: The South African context. Cleaner Waste Systems. 2025; 11: 100251. DOI:https://doi.org/10.1016/j.clwas.2025.100251.
16. Hasibuan G.C.R., Al Fath M.T., Yusof N., Dewi R.A., Syafridon G.G.A., Jaya I., Anas M.R., Syahrizal. Integrating circular economy into construction and demolition waste management: A bibliometric review of sustainable engineering practices in the built environment. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2025; 11: 101159. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cscee.2025.101159.
17. Ajith A., Swapna M.S., Sankararaman S. Clay-plastic-biodegradable waste composite as low carbon construction material: A way to sustainable development. Construction and Building Materials. 2025; 488: 142151. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.142151.
18. Paglia C., Mosca C., Giner Cordero E. Properties and durability of recycled concrete with mixed granulates: Application for infrastructures. In: Life-Cycle of Structures and Infrastructure Systems. 1st ed. CRC Press; 2023.
19. Ghosh G., Bhattacharyya R., Penumadu D. Advances in Multi-functional Composite Materials: Applications and Opportunities in Automotive Industry. SSRN Electronic Journal. 2024. DOI:https://doi.org/10.2139/ssrn.5081906.
20. Fartash Naeimi, E., Selvi, K. Ç., & Ungureanu, N. (2025). Exploring the Role of Advanced Composites and Biocomposites in Agricultural Machinery and Equipment: Insights into Design, Performance, and Sustainability. Polymers, 17(12), 1691. https://doi.org/10.3390/polym17121691
21. Zhao J., Li S., Zhang Z. Integrated composite wall with geopolymer permanent insulation formwork: Interface bonding behavior and mechanism. Construction and Building Materials. 2023; 403: 133110. ISSN 0950-0618. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133110.
22. Li H., Saleh M.S., Zhao J., Wang H., Liu H., Iqbal M.S. Bending performance of a novel geopolymer non-dismantling sandwich insulation formwork: Experimental, theoretical, and numerical simulation. Engineering Structures. 2025; 333: 120180. ISSN 0141-0296. DOI:https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2025.120180.
23. Oladele I.O., Oki V.O., Omotosho T.F., Adebanjo M.B., Ayanleye O.T., Adekola S.A. Sustainable polymer and polymer-based composite materials for extreme conditions and demanding applications – A review on pushing boundaries in materials science. Next Materials. 2025; 8: 100775. DOI:https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2025.100775.
24. Li M., Zhong J., Li G., Zhang Q., Cen F., Gao P. Study on the Performance of Polymer-Modified Conductive Cement-Based Materials. Buildings. 2023; 13(12): 2961. DOI:https://doi.org/10.3390/buildings13122961.
25. Bao W., Zhao J., Guo B., Li S., Shen J., Liu M., Han J., Xing S., Hu M., Guo J. The Mechanical Reinforcing Mechanism and Self-Healing Properties of Biomimetic Hybrid Cement Composites via In-Situ Polymerization. Materials. 2025; 18(16): 3763. DOI:https://doi.org/10.3390/ma18163763.
26. Bołtryk M., Pawluczuk E., Kalinowska-Wichrowska K. et al. The influence of two-stage mineralization of organic fillers on the properties of cement composites. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2025; 25: 127. DOI:https://doi.org/10.1007/s43452-025-01170-1.
27. Ba L., Trabelsi A., Ngo T.T., Pliya P., El Abbassi I., Kane C.S.E. Thermal Performance of Bio-Based Materials for Sustainable Building Insulation: A Numerical Study. Fibers. 2025; 13(5): 52. DOI:https://doi.org/10.3390/fib13050052.
28. Tan S.Q., Lim N.H.A.S., Saleh A.T., Wei K.E.L., Samadi M., Huseien G.F. A Bibliometric Review of Lightweight Aggregate Geopolymer Concrete. CivilEng. 2024; 5(4): 892-927. DOI:https://doi.org/10.3390/civileng5040046.
29. Kočí V., Maděra J., Jerman M. et al. Experimental Determination of Frost Resistance of Autoclaved Aerated Concrete at Different Levels of Moisture Saturation. International Journal of Thermophysics. 2018; 39: 75. DOI:https://doi.org/10.1007/s10765-018-2398-8.
30. HaitherAli H., Anjali G. Circular Economy in Construction Sector—a Guideline for Policy Makers from Global Perspective. Circular Economy and Sustainability. 2024; 4: 1285–1313. DOI:https://doi.org/10.1007/s43615-023-00321-x.
31. Lindhard S.M., Wyke S., Mahami H., Vaezzadeh S.S., Svidt K. Waste Generation Predictions and On-Site Waste Management: A Danish Perspective. Sustainability. 2023; 15(5): 4207. DOI:https://doi.org/10.3390/su15054207.
