DOI: https://doi.org/10.3389/frsus.2025.1716779
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Alberto Pietro Damiano Baltrocchi وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات المدعمة بالألياف الطبيعية
نظرة عامة
يؤثر قطاع البناء بشكل كبير على البيئة بسبب استهلاكه الكبير للمواد والطاقة. تستكشف هذه الدراسة إمكانية دمج الألياف الحيوية المعاد تدويرها، وخاصة القنب والخيزران، كبدائل لتعزيز الصلب التقليدي في عوارض الخرسانة المسلحة. باستخدام منهجية تقييم دورة الحياة (LCA)، تقيم الأبحاث الفوائد البيئية لهذه البدائل، كاشفة أن حتى استبدال 30% من الصلب بألياف معاد تدويرها يمكن أن يؤدي إلى تقليل ملحوظ في إمكانات الاحتباس الحراري (GWP). على وجه التحديد، تنخفض انبعاثات GWP من 362 كجم CO₂ مكافئ للخرسانة المسلحة بالصلب إلى 312 كجم CO₂ مكافئ للعوارض المعززة بـ 30% من ألياف الخيزران المعاد تدويرها، مما يمثل انخفاضًا بنسبة 14%.
تشير النتائج إلى أن دمج الألياف الحيوية المعاد تدويرها يمكن أن يعزز استدامة مواد البناء، مما يساهم في اقتصاد دائري. ومع ذلك، تشير الدراسة أيضًا إلى زيادة تأثيرات استخدام الأراضي المرتبطة بألياف الخيزران المعاد تدويرها. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التحقق من الأداء الميكانيكي لهذه المواد وتوسيع التحليل ليشمل العوامل الاقتصادية والاجتماعية من أجل تقييم استدامة أكثر شمولاً. سيتطلب الدمج الناجح للمواد المعاد تدويرها والحيوية في البناء دعمًا تنظيميًا، وتقدمًا تكنولوجيًا، وجهودًا تعاونية عبر القطاعات لمواءمة ممارسات الصناعة مع أهداف الاستدامة.
مقدمة
يعد قطاع البناء مساهمًا كبيرًا في انبعاثات غازات الدفيئة العالمية، حيث يمثل حوالي 37% من إجمالي الانبعاثات في عام 2022، ويرجع ذلك أساسًا إلى إنتاج مواد مثل الخرسانة والصلب. للتخفيف من هذه التأثيرات، يتم استكشاف استراتيجيات بديلة، بما في ذلك استخدام الألياف المعززة الحيوية والنفايات الزراعية كبدائل للمواد التقليدية. هذه المواد الحيوية، المستمدة من مصادر متجددة مثل القنب والخيزران، لا تقلل فقط من الاعتماد على الموارد غير المتجددة ولكنها تتماشى أيضًا مع مبادئ الاقتصاد الدائري، مما يعزز إعادة التدوير والتدوير. ومع ذلك، فإن التحديات مثل تباين جودة الألياف والشكوك بشأن المتانة على المدى الطويل تعيق اعتمادها على نطاق واسع.
تهدف هذه الدراسة إلى تقييم التأثيرات البيئية لاستبدال التعزيز التقليدي من الصلب في عوارض الخرسانة بألياف حيوية معاد تدويرها، وخاصة القنب والخيزران، باستخدام منهجيات تقييم دورة الحياة (LCA). تتناول الأبحاث أسئلة حاسمة بشأن مساهمة المواد في التأثيرات البيئية، وعملية إعادة تدوير الألياف الحيوية، وفوائد دمجها بمعدلات استبدال مختلفة. من خلال التركيز على تقييم دورة الحياة على نطاق الهيكل، تسعى هذه الدراسة إلى سد الفجوات الموجودة في الأدبيات بشأن المزايا البيئية لاستخدام الألياف الحيوية المعاد تدويرها في البناء، مما يعزز فهم إمكانياتها في ممارسات البناء المستدامة.
الطرق
يقدم قسم الطرق تحليلًا للتأثيرات البيئية المرتبطة بمواد العوارض، مع التركيز على سبعة عشر مؤشرًا. تكشف النتائج أن الصلب والخرسانة هما المساهمان الرئيسيان في الأعباء البيئية، حيث يكون للصلب تأثير خاص عبر فئات متعددة. على وجه التحديد، يمثل الصلب نسبًا كبيرة من التأثيرات المختلفة، بما في ذلك 54% من الإثراء بالمياه العذبة (FE)، و76% من الإثراء البحري (ME)، و98% من كل من السمية البيئية الأرضية والبحرية (TE وMC). بالإضافة إلى ذلك، يحتل المرتبة الثانية في عدة فئات أخرى، مثل إمكانات الاحتباس الحراري (GW) بنسبة 21% ونضوب الأوزون الستراتوسفيري (OD) بنسبة 39%، مما يشير إلى بصمته البيئية الواسعة.
كما يظهر الأسمنت كعامل حاسم، حيث يساهم بنسبة 75% في GW ونسب كبيرة في فئات أخرى مثل تشكيل الأوزون (OF) بنسبة 67% وتشكيل الجسيمات الدقيقة (PM) بنسبة 50%. بينما يهيمن الصلب والأسمنت على مشهد التأثير البيئي، تساهم مواد أخرى مثل الحصى والمضافات الفائقة بشكل ملحوظ في فئات معينة، مثل استخدام الأراضي (LU) والسمية غير المسرطنة للإنسان (HN)، على التوالي. تؤكد هذه التقييم الشامل على ضرورة إعادة النظر في تركيبات المواد في البناء للتخفيف من التأثيرات البيئية بشكل فعال.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة المزايا البيئية لاستبدال التعزيز الفولاذي بألياف حيوية معاد تدويرها في عوارض الخرسانة. يكشف تحليل مقارن للتأثيرات البيئية لمواد مختلفة أن الصلب والخرسانة هما المساهمان الرئيسيان في النتائج البيئية السلبية. يؤدي إدخال الألياف الحيوية المعاد تدويرها (rBF) إلى تقليل ملحوظ في عدة فئات تأثير، بما في ذلك انخفاض في إمكانات الاحتباس الحراري (GW) بنسبة تصل إلى 14% وتقليل في ندرة الموارد الأحفورية (FR). بالإضافة إلى ذلك، يقلل استخدام rBF بشكل كبير من السمية المسرطنة البشرية (HC) بنسبة تصل إلى 62%، مما يشير إلى فوائد لكل من التخفيف من تغير المناخ والصحة العامة.
تسلط النتائج الضوء أيضًا على التأثيرات المختلفة لألياف القنب المعاد تدويرها (rHF) وrBF عبر مؤشرات مختلفة. بينما تظهر rHF نتائج إيجابية لاستخدام الأراضي (LU) بسبب فوائد استعادة النظام البيئي المحتملة، يرتبط rBF بزيادة التأثيرات على LU. تدعم المقارنات مع الأدبيات الحالية هذه الرؤى، حيث تكشف أن الألياف التقليدية تظهر تباينات طفيفة في التأثيرات البيئية، بينما تقدم البدائل الحيوية والمعاد تدويرها، وخاصة rBF وrHF، فرصًا كبيرة لتقليل البصمة البيئية لقطاع البناء. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانيات دمج الألياف الحيوية المعاد تدويرها في ممارسات البناء لتعزيز الاستدامة.
المناقشة
تقيّم قسم المناقشة من ورقة البحث التأثيرات البيئية لاستبدال التعزيز الفولاذي التقليدي في العوارض الخرسانية المسلحة مسبقًا بألياف حيوية معاد تدويرها، وخاصة القنب المعاد تدويره (rHF) والخيزران (rBF). تكشف الدراسة، المستندة إلى منهجية تقييم دورة الحياة (LCA)، أن حتى معدلات الاستبدال المتواضعة يمكن أن تؤدي إلى تخفيضات كبيرة في التأثيرات البيئية، خاصة في إمكانات الاحتباس الحراري (GW)، وندرة الموارد الأحفورية (FR)، والسمية المسرطنة البشرية (HC). على سبيل المثال، أدى استبدال بنسبة 30% مع rBF إلى انخفاض بنسبة 14% في انبعاثات GW، من 362 كجم CO₂ مكافئ إلى 312 كجم CO₂ مكافئ. ومع ذلك، تشير التحليلات أيضًا إلى أن rBF قد يقدم تأثيرات متزايدة في استخدام الأراضي (LU)، مما يبرز تعقيد التقييمات البيئية في استبدال المواد.
تشير النتائج إلى أن قطاع البناء يجب أن يعطي الأولوية للدعم التنظيمي والابتكار التكنولوجي لتسهيل دمج المواد الحيوية المعاد تدويرها في ممارسات البناء. يُشجع صانعو السياسات على الاستثمار في الأبحاث والمشاريع التجريبية التي تتحقق من موثوقية هذه المواد الهيكلية، بينما يجب على أصحاب المصلحة في الصناعة مواءمة ممارساتهم مع أهداف الاستدامة. تدعو الدراسة إلى تحديث رموز البناء التي تتضمن الألياف الطبيعية المعاد تدويرها وتؤكد على أهمية التعاون بين الأكاديميا والصناعة لتعزيز تبادل المعرفة والحلول العملية. بشكل عام، تبرز الأبحاث إمكانيات الألياف الحيوية المعاد تدويرها لتعزيز استدامة مركبات الأسمنت في التطبيقات الهيكلية، مما يمهد الطريق لبيئة مبنية أكثر كفاءة في استخدام الموارد.
القيود
تنبع قيود هذه الدراسة بشكل أساسي من الاعتماد على منهجية تقييم دورة الحياة (LCA)، التي استخدمت بيانات الأدبيات بدلاً من البيانات الأولية. قد تؤثر هذه الطريقة على تمثيل وموثوقية النتائج. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على جمع البيانات الأولية بالتعاون مع أصحاب المصلحة في الصناعة ومؤسسات البحث في قطاع البناء لتعزيز صلاحية النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، تعتبر الدراسة الحالية تقييمًا أوليًا يتطلب التحقق التجريبي من خلال اختبارات مختبرية للتحقق من الأداء الميكانيكي والمتانة للمركبات المعززة بالألياف الحيوية. إن إمكانية استبدال الصلب بألياف حيوية معاد تدويرها محدودة بسبب المخاوف المتعلقة بالقوة الميكانيكية (Shelly et al., 2025). لذلك، يجب أن تهدف التحقيقات المستقبلية إلى تحديد محتوى الألياف الأمثل الذي يعزز أداء المركب مع الحفاظ على السلامة الهيكلية. أخيرًا، ركزت هذه الدراسة فقط على العوامل البيئية؛ يجب أن يتضمن تقييم الاستدامة الأكثر شمولاً الأبعاد الاقتصادية (تكلفة دورة الحياة) والاجتماعية (تقييم دورة الحياة الاجتماعية) ضمن إطار عمل التفكير في دورة الحياة (LCT)، كما اقترح Purvis et al. (2019).
DOI: https://doi.org/10.3389/frsus.2025.1716779
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Alberto Pietro Damiano Baltrocchi et al.
Primary Topic: Natural Fiber Reinforced Composites
Overview
The construction sector significantly impacts the environment due to its substantial material and energy consumption. This study explores the potential of integrating recycled bio-based fibers, specifically hemp and bamboo, as alternatives to traditional steel reinforcement in reinforced concrete beams. Utilizing Life Cycle Assessment (LCA) methodology, the research evaluates the environmental benefits of these replacements, revealing that even a modest 30% substitution of steel with recycled fibers can lead to a notable reduction in global warming potential (GWP). Specifically, GWP emissions decrease from 362 kg CO₂ eq for steel-reinforced concrete to 312 kg CO₂ eq for beams reinforced with 30% recycled bamboo fibers, representing a 14% reduction.
The findings indicate that incorporating recycled bio-based fibers can enhance the sustainability of construction materials, contributing to a circular economy. However, the study also notes increased land use impacts associated with recycled bamboo fibers. Future research should focus on validating the mechanical performance of these materials and expanding the analysis to include economic and social factors for a more comprehensive sustainability assessment. The successful integration of recycled and bio-based materials in construction will require regulatory support, technological advancements, and collaborative efforts across sectors to align industry practices with sustainability goals.
Introduction
The construction sector is a significant contributor to global greenhouse gas emissions, accounting for approximately 37% of total emissions in 2022, primarily due to the production of materials like concrete and steel. To mitigate these impacts, alternative strategies are being explored, including the use of bio-based reinforcement fibers and agro-waste as substitutes for traditional materials. These bio-based materials, derived from renewable sources such as hemp and bamboo, not only reduce reliance on nonrenewable resources but also align with circular economy principles, promoting recycling and upcycling. However, challenges such as variability in fiber quality and uncertainties regarding long-term durability hinder their widespread adoption.
This study aims to evaluate the environmental impacts of replacing conventional steel reinforcement in concrete beams with recycled bio-based fibers, specifically hemp and bamboo, using Life Cycle Assessment (LCA) methodologies. The research addresses critical questions regarding the contribution of materials to environmental impacts, the recycling process of bio-based fibers, and the benefits of their integration at various replacement rates. By focusing on structural-scale LCA, this study seeks to fill existing gaps in the literature regarding the environmental advantages of using recycled bio-based fibers in construction, thereby enhancing understanding of their potential in sustainable building practices.
Methods
The section on methods presents an analysis of the environmental impacts associated with beam materials, focusing on seventeen indicators. The findings reveal that steel and concrete are the primary contributors to environmental burdens, with steel being particularly influential across multiple categories. Specifically, steel accounts for significant percentages of various impacts, including 54% of Freshwater eutrophication (FE), 76% of Marine eutrophication (ME), and 98% of both Terrestrial and Marine ecotoxicity (TE and MC). Additionally, it ranks second in several other categories, such as Global warming potential (GW) at 21% and Stratospheric ozone depletion (OD) at 39%, indicating its pervasive environmental footprint.
Cement also emerges as a critical factor, contributing 75% to GW and substantial percentages to other categories like Ozone formation (OF) at 67% and Fine particulate matter formation (PM) at 50%. While steel and cement dominate the environmental impact landscape, other materials like gravel and superplasticiser contribute notably to specific categories, such as Land use (LU) and Human noncarcinogenic toxicity (HN), respectively. This comprehensive assessment underscores the necessity of reconsidering material compositions in construction to mitigate environmental impacts effectively.
Results
The results of this study demonstrate the environmental advantages of substituting steel reinforcement with recycled bio-based fibers in concrete beams. A comparative analysis of the environmental impacts of various materials reveals that steel and concrete are the primary contributors to negative environmental outcomes. The introduction of recycled bio-based fibers (rBF) leads to notable reductions in several impact categories, including a decrease in global warming potential (GW) by up to 14% and a reduction in fossil resource scarcity (FR). Additionally, the use of rBF significantly lowers human carcinogenic toxicity (HC) by up to 62%, indicating benefits for both climate mitigation and public health.
The findings also highlight the differing impacts of recycled hemp fibers (rHF) and rBF across various indicators. While rHF shows favorable results for land use (LU) due to potential ecosystem restoration benefits, rBF is associated with increased impacts on LU. Comparisons with existing literature further support these insights, revealing that conventional fibers exhibit minimal variations in environmental impacts, whereas bio-based and recycled alternatives, particularly rBF and rHF, present substantial opportunities for reducing the environmental footprint of the construction sector. Overall, the study underscores the potential of integrating recycled bio-based fibers into construction practices to enhance sustainability.
Discussion
The discussion section of the research paper evaluates the environmental implications of substituting traditional steel reinforcement in precast reinforced concrete beams with recycled bio-based fibers, specifically recycled hemp (rHF) and bamboo (rBF). The study, grounded in Life Cycle Assessment (LCA) methodology, reveals that even modest replacement rates can yield significant reductions in environmental impacts, particularly in global warming potential (GW), fossil resource scarcity (FR), and human carcinogenic toxicity (HC). For instance, a 30% substitution with rBF led to a 14% decrease in GW emissions, from 362 kg CO₂ eq to 312 kg CO₂ eq. However, the analysis also indicates that rBF may introduce increased impacts in land use (LU), underscoring the complexity of environmental assessments in material substitution.
The findings suggest that the construction sector should prioritize regulatory support and technological innovation to facilitate the integration of recycled bio-based materials into building practices. Policymakers are encouraged to invest in research and pilot projects that validate the structural reliability of these materials, while industry stakeholders should align their practices with sustainability goals. The study advocates for updated building codes that incorporate recycled natural fibers and emphasizes the importance of collaboration between academia and industry to foster knowledge sharing and practical solutions. Overall, the research highlights the potential of recycled bio-based fibers to enhance the sustainability of cement composites in structural applications, paving the way for a more resource-efficient built environment.
Limitations
The limitations of this study primarily stem from the reliance on Life Cycle Assessment (LCA) methodology, which utilized literature data instead of primary data. This approach may compromise the representativeness and accuracy of the findings. Future research should emphasize the collection of primary data in collaboration with industry stakeholders and research institutions in the construction sector to enhance the validity of the results.
Additionally, the current study serves as a preliminary assessment that necessitates experimental validation through laboratory tests to verify the mechanical performance and durability of composites reinforced with bio-based fibers. The potential for replacing steel with recycled bio-based fibers is limited by concerns regarding mechanical strength (Shelly et al., 2025). Therefore, future investigations should aim to determine optimal fiber content that enhances composite performance while maintaining structural integrity. Lastly, this study focused solely on environmental factors; a more holistic sustainability assessment should incorporate economic (Life Cycle Costing) and social (Social Life Cycle Assessment) dimensions within a Life Cycle Thinking (LCT) framework, as suggested by Purvis et al. (2019).