DOI: https://doi.org/10.3390/buildings14082569
تاريخ النشر: 2024-08-20
المؤلف: Jolanta Tamošaitienė وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البناء والحفاظ
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الطلب المتزايد على مواد البناء المستدامة في ضوء التقدم الاجتماعي، مع تسليط الضوء على الدور المعزز للمواد البوليمرية في بناء المنشآت. مقارنةً بالمواد غير العضوية التقليدية، تظهر البوليمرات خصائص متفوقة ويمكن تعديلها لزيادة الوظائف. على الرغم من الاعتماد الناجح للمواد الحيوية البوليمرية في مجالات مختلفة، إلا أن تطبيقها في البناء لا يزال محدودًا. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى نهج علمي في اختيار المواد، بعيدًا عن الأساليب الذاتية القديمة، لإبلاغ المعماريين والمهندسين بشكل أفضل في اختيار المواد المناسبة للتطبيقات المدنية.
تشير المراجعة أيضًا إلى الطبيعة متعددة التخصصات للبناء المستدام، التي تشمل أصحاب المصلحة مثل الملاك والمقاولين والموردين. ركزت الأبحاث الأخيرة بشكل متزايد على مواد البناء القائمة على البوليمر (CBMs)، والتي، عند دمجها مع إضافات وظيفية أو مواد تقليدية مثل الخرسانة، يمكن أن تعزز بشكل كبير من القوة الميكانيكية، وأوقات المعالجة، والالتصاق، ومقاومة العوامل البيئية. يتم تسليط الضوء على دمج البوليمرات المقواة بالألياف (FRPs) كتحول في البناء الجاهز، مع معالجة احتياجات الإسكان لعدد متزايد من السكان. يدعو المؤلفون إلى مزيد من البحث في تحسينات البوليمر، بما في ذلك تقنيات تعديل السطح المتقدمة، لتحسين الخصائص الميكانيكية، ومقاومة الرطوبة، والمتانة لمواد البناء المستدامة، وبالتالي تعزيز ممارسات البناء المستدام.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التقدم الكبير في صناعة البناء نحو الممارسات المستدامة بيئيًا، لا سيما من خلال اختيار واستخدام مواد البناء (CBMs). تؤكد على التحديات البيئية التي تطرحها طرق البناء التقليدية، مثل استنزاف الموارد وتوليد النفايات، وتبرز أهمية اختيار المواد المستدامة كاستراتيجية رئيسية لتعزيز الاستدامة في البناء. تم تطوير منهجيات ونماذج اتخاذ القرار المختلفة، بما في ذلك أساليب اتخاذ القرار متعددة المعايير مثل عملية التحليل الهرمي (AHP)، للمساعدة في اختيار المواد المستدامة وتحقيق التوازن بين مصالح أصحاب المصلحة والاعتبارات البيئية.
تناقش الورقة أيضًا ظهور مواد حيوية بوليمرية مبتكرة مشتقة من الكتلة الحيوية المتجددة، والتي لديها القدرة على تقليل البصمة الكربونية لواجهات المباني بشكل كبير وتقليل نفايات البناء. بينما تقدم هذه المواد مزايا عديدة، مثل القوة الفائقة، وخصائص الوزن الخفيف، ومقاومة التدهور البيئي، إلا أنها تقدم أيضًا تحديات، بما في ذلك القابلية للاشتعال وسمية الدخان. تهدف الدراسة إلى استكشاف تطبيقات كل من المواد البوليمرية الطبيعية والصناعية في البناء المستدام، مقدمة مراجعة شاملة للأدبيات ذات الصلة من قواعد بيانات مثل Google Scholar وScopus وWeb of Science، لتحديد الاتجاهات والرؤى الرئيسية في هذا المجال.
الطرق
تناقش هذه الفقرة دور البوليمرات الصناعية والطبيعية كمواد بناء، مع التأكيد على عملية البلمرة الخاصة بها، التي تحول المونومرات إلى بوليمرات باستخدام مواد كيميائية مختلفة، بما في ذلك تلك المشتقة من النفط وعناصر أخرى. تعتبر البوليمرات مكونات أساسية في أشكال الجرعات، وموثوقيتها، وتكلفتها المعقولة، وعدم سميتها أمر حاسم لتطبيقها. يتم تسليط الضوء على الاهتمام المتزايد بالبوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي، سواء كانت صناعية أو طبيعية، لا سيما في صناعات مثل البناء والزراعة وتغليف الأدوية. تظهر البوليمرات الطبيعية القابلة للتحلل البيولوجي، المشتقة من السكريات المتعددة النباتية (مثل السليلوز، والألجينات) والمصادر الحيوانية (مثل الكولاجين، والكيتوزان)، نشاطًا حيويًا داخليًا ولكن يمكن أن تختلف بشكل كبير بين الدفعات. في المقابل، تقدم البوليمرات الصناعية القابلة للتحلل البيولوجي مثل بوليلاكتيد (PLA)، وبوليكابرولاكتون (PCL)، وبوليغلايكوليد (PGL) خصائص فيزيائية وأنماط تحلل أكثر قابلية للتنبؤ.
تستعرض الفقرة أيضًا تطبيقات متنوعة لهذه البوليمرات في صناعة البناء، بما في ذلك الدراسات التي تستكشف استخدام المواد الطبيعية مثل الخيزران لتعزيز الخرسانة ودمج الزجاج المعاد تدويره والبوليمرات الحرارية لتعزيز الاستدامة. تشير النتائج إلى أن المواد المركبة، مثل البلاستيك المقوى بالزجاج (GFRP) ومركبات البوليمر المقوى بالفولاذ (SRP)، تحسن الخصائص الميكانيكية، والقوة، ومقاومة التآكل للخرسانة. بشكل عام، يظهر دمج البوليمرات الصناعية والطبيعية في ممارسات البناء المستدام إمكاناتها الكبيرة لمعالجة القضايا البيئية مع تحسين أداء المواد.
المناقشة
في قسم المناقشة، تستعرض الورقة أنواعًا مختلفة من البوليمرات وتطبيقاتها في البناء، مع تسليط الضوء على خصائصها الميكانيكية، وفوائدها البيئية، وإمكاناتها كمواد بناء (CBMs). يُلاحظ أن بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) يتمتع بقوة تأثير عالية ووضوح بصري، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات مثل نوافذ الطائرات وبدائل محتملة للخرسانة فائقة الأداء (UHPC). يُظهر تطوير أفلام النانو المركبة PMMA-SiO₂ خصائص واعدة في التنظيف الذاتي ومقاومة الماء لمختلف التطبيقات الخارجية. يتم التأكيد على دور بولي فينيل بوتيرال (PVB) كطبقة مرنة في الزجاج المصفح، مما يعزز السلامة ضد الصدمات والانفجارات، بينما يُعترف ببولي فينيل كلوريد (PVC) لتنوعه وفعاليته من حيث التكلفة في البناء، لا سيما في العزل وكبديل للخشب.
تناقش الفقرة أيضًا البوليمرات متعددة الأميد (النايلون) وقدراتها في تعزيز الخرسانة، مما يحسن مقاومة الصدمات دون التأثير بشكل كبير على قوة الشد. يُبرز بولي كربونات (PC) لخصائصه في العزل الحراري وإمكاناته في تصاميم البناء المستدامة، بينما يُلاحظ أن بولي إيثيلين (PE) يُستخدم على نطاق واسع في البناء بسبب مقاومته الممتازة للمواد الكيميائية ومرونته. أخيرًا، يُعترف ببولي إيزوبوتيلين (PIB) لمقاومته الكيميائية وتطبيقاته في المواد اللاصقة، مما يساهم في طول عمر مواد البناء. بشكل عام، تؤكد المناقشة على أهمية هذه البوليمرات في تعزيز ممارسات البناء المستدام وتحسين أداء مواد البناء.
DOI: https://doi.org/10.3390/buildings14082569
Publication Date: 2024-08-20
Author(s): Jolanta Tamošaitienė et al.
Primary Topic: Building materials and conservation
Overview
The section discusses the growing demand for sustainable construction materials in light of societal advancements, highlighting the enhanced role of polymer materials in building construction. Compared to traditional inorganic materials, polymers exhibit superior properties and can be modified for increased functionality. Despite the successful adoption of bio-polymeric materials in various fields, their application in construction remains limited. The authors emphasize the need for a scientific approach to material selection, moving away from outdated subjective methods, to better inform architects and engineers in choosing suitable materials for civil applications.
The review also notes the multidisciplinary nature of sustainable construction, involving stakeholders such as owners, contractors, and suppliers. Recent research has increasingly focused on polymer-based construction materials (CBMs), which, when combined with functional additives or traditional materials like concrete, can significantly enhance mechanical strength, curing times, adhesion, and resistance to environmental factors. The integration of fiber-reinforced polymers (FRPs) is highlighted as transformative for prefabrication in construction, addressing housing needs for a growing population. The authors advocate for further research into polymer enhancements, including advanced surface modification techniques, to improve the mechanical properties, moisture resistance, and durability of CBMs, thereby promoting sustainable construction practices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant advancements in the construction industry towards ecologically sustainable practices, particularly through the selection and utilization of construction and building materials (CBMs). It emphasizes the environmental challenges posed by traditional construction methods, such as resource depletion and waste generation, and underscores the importance of sustainable material selection as a key strategy for promoting sustainability in construction. Various methodologies and decision-making models, including multi-criteria decision-making approaches like the Analytic Hierarchy Process (AHP), have been developed to aid in the selection of sustainable materials and to balance stakeholder interests with environmental considerations.
The paper also discusses the emergence of innovative bio-polymeric materials derived from renewable biomass, which have the potential to significantly reduce the carbon footprint of building facades and minimize construction waste. While these materials offer numerous advantages, such as superior strength, lightweight properties, and resistance to environmental degradation, they also present challenges, including flammability and smoke toxicity. The study aims to explore the applications of both natural and synthetic polymeric materials in sustainable construction, providing a comprehensive review of relevant literature from databases such as Google Scholar, Scopus, and Web of Science, to identify key trends and insights in the field.
Methods
The section discusses the role of synthetic and natural polymers as construction and building materials, emphasizing their polymerization process, which transforms monomers into polymers using various chemicals, including those derived from petroleum and other elements. Polymers serve as essential excipients in dosage forms, and their reliability, affordability, and non-toxicity are critical for their application. The growing interest in biodegradable polymers, both synthetic and natural, is highlighted, particularly in industries such as construction, agriculture, and pharmaceutical packaging. Natural biodegradable polymers, derived from plant polysaccharides (e.g., cellulose, alginate) and animal sources (e.g., collagen, chitosan), exhibit intrinsic bioactivity but can vary significantly between batches. In contrast, synthetic biodegradable polymers like polylactide (PLA), polycaprolactone (PCL), and polyglycolide (PGL) offer more predictable physical properties and degradation patterns.
The section also outlines various applications of these polymers in the construction industry, including studies that explore the use of natural materials like bamboo for concrete reinforcement and the incorporation of recycled glass and thermoplastic polymers to enhance sustainability. The findings indicate that composite materials, such as glass polymer-reinforced plastics (GFRP) and steel-reinforced polymer (SRP) composites, improve mechanical properties, strength, and corrosion resistance of concrete. Overall, the integration of synthetic and natural polymers in sustainable construction practices demonstrates their significant potential to address environmental concerns while enhancing material performance.
Discussion
In the discussion section, the paper examines various polymers and their applications in construction, highlighting their mechanical properties, environmental benefits, and potential as construction building materials (CBMs). Poly(methylmethacrylate) (PMMA) is noted for its high impact strength and optical clarity, making it suitable for applications such as airplane windows and potential alternatives to ultra-high-performance concrete (UHPC). The development of PMMA-SiO₂ nanocomposite films demonstrates promising self-cleaning and waterproof properties for various external applications. Polyvinyl butyral (PVB) is emphasized for its role as a ductile interlayer in laminated glass, enhancing safety against impacts and blasts, while polyvinyl chloride (PVC) is recognized for its versatility and cost-effectiveness in construction, particularly in insulation and as a wood substitute.
The section further discusses polyamides (nylons) and their reinforcement capabilities in concrete, improving impact resistance without significantly affecting tensile strength. Polycarbonate (PC) is highlighted for its thermal insulation properties and potential in sustainable building designs, while polyethylene (PE) is noted for its widespread use in construction due to its excellent chemical resistance and flexibility. Lastly, poly-isobutylene (PIB) is recognized for its chemical resistance and applications in sealants, contributing to the longevity of building materials. Overall, the discussion underscores the importance of these polymers in advancing sustainable construction practices and enhancing the performance of building materials.