Строительство на основе конопляного сырья — экологичность и энергоэффективность

Армирующие составы из волокна

В поисках устойчивых решений для будущего нашей планеты Бельгия активно внедряет материалы на основе конопли в различные сферы жизни. Проводником этой инициативы является бельгийская ассоциация Valbiom, объединяющая производителей биосырья, востребованного в текстильной и строительной отраслях. Натуральные волокна конопли могут конкурировать с синтетическими волокнами, полученными из нефтехимических продуктов, которые известны своими экологическими недостатками. Фермерское производство конопли концентрируется в Бельгии в регионе Валлония, где почва и климат идеально подходят для выращивания этого нового промышленного сырья, что открывает новые горизонты для местной экономики.

Возможно, вам уже доводилось слышать о применении растительных волокон в строительных материалах. Композитные пластики, в которых растительные волокна сочетаются с другими полимерными материалами, становятся всё более популярными. Например, волокна конопли, используемые как армирующий агент для полимерной матрицы на основе полиэтилена (PE), полипропилена (PP), переработанного полиэстера и биоразлагаемого полилактида (PLA) применяются для получения композиционных материалов методом иглопробивки и термического прессования. «Конопляные» композиты сочетают в себе прочность и лёгкость и снижают зависимость производителей от невозобновляемого сырья.

Некоторые автомобильные компании, такие как Mercedes-Benz, BMW и Peugeot, давно применяют пластмассы на основе конопли, особенно для панелей в салонах транспортных средств. Например, фирма Mercedes-Benz ещё с 1994 года использует пластик, армированный коноплёй, для внутренних дверных панелей своих автомобилей E-класса, что позволяет снизить вес конструкции.

Mercedes-Benz: детали для моделей A-класса, C-класса, E-класса и S-класса, изготовленные с использованием различных натуральных волокон (сизаль, конопля, шерсть, лён и др.)

Благодаря возможности выращивать коноплю в Бельгии она становится основным продуктом для производства армированного пластика. Однако для достижения хорошего армирующего эффекта волокна конопли обычно требуют модификации, чтобы улучшить их характеристики и обеспечить прочное сцепление с полимерными матрицами.

Последние разработки в области композитов, армированных натуральными волокнами, для применения в условиях повышенных нагрузок в основном сосредоточены на использовании однонаправленных армирующих элементов. Композиты, армированные нитями, как правило, демонстрируют лучшие результаты, чем композиты, изготовленные из флиса или игольчатого войлока с произвольной ориентацией волокон.

Некоторые исследования посвящены разработке новых армирующих структур, таких как сетчатые ткани. Результаты этих исследований показывают интересные механические свойства, что открывает перспективы их использования в качестве основы для многослойных композитных конструкций.

В США исследователи из Политехнического института Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute, RPI) создали «конопляное армирование» — композитную арматуру из натурального волокнистого термопластика (Natural Fiber-reinforced Thermoplastic, NFRT). Новая арматура NFRT, разработанная для армирования бетона, по прочностным характеристикам примерно соответствует арматуре из нержавеющей стали или стеклопластиковой (Fiber-reinforced Polymer, FRP), но предлагается по меньшей цене. Фактически она может выступать как альтернатива стальной арматуре. Относительная дешевизна NFRT достигается за счёт использования возобновляемых и вторично переработанных материалов, а также внедрения упрощённой логистики благодаря изготовлению арматуры на месте и автоматизированной гибке в соответствии с требованиями проекта. Кроме того, для производства такой арматуры требуется меньше энергии. При этом «конопляная арматура», в отличие от стальной, не ржавеет и практически безвредна для окружающей среды.

Экспериментальная композитная «конопляная арматура» NFRT

Сырьём для NFRT является канатная заготовка, состоящая из однонаправленных нитей из натуральных волокон (например, конопляной пеньки или льна) в качестве армирования, смешанных с термопластичными нитями, плотно связанными внутри плетёного термопластичного рукава и исполняющими роль полимерной матрицы.

Вместо традиционной громоздкой пултрузионной установки (предназначенной для изготовления высоконаполненных волокном деталей из стеклокомпозитов с постоянной поперечной структурой) со стеллажами для арматуры и катушками полимерных нитей, предлагаемая исследователями из RPI компактная пултрузионная машина обрабатывает неуплотнённый трос, намотанный на большую катушку. Это упрощает производство новой «конопляной» арматуры, делая возможной её производство как на мини-заводе, так и на строительной площадке. При этом на установке возможен выбор комбинации арматуры и матрицы с определённой объёмной долей волокон для достижения достаточной прочности на сдвиг на границе раздела материалов, а также параметров сопротивления на растяжение и изгиб непосредственно самого арматурного стержня — в соответствии с требованиями проекта. Разработанная исследователями из RPI термопластичная матрица нового материала может быть однородной или представлять собой гетерогенную полимерную смесь в зависимости от механических свойств, границ раздела волокно/матрица или требований к обработке.

Возможно, скоро обычная стальная арматура уступит место композитной

Инновационная арматура с коноплей снижает выбросы углерода при строительстве и обещает более длительный срок службы зданий и сооружений. Коррозия стальной арматуры является основной причиной явных дефектов и преждевременного разрушения дамб, мостов и других строений. Армирование бетона конопляными волокнами способно увеличить долговечность конструкции в три раза.

Для защиты железобетонных конструкций от коррозии обычно применяется стекловолокно, однако арматура на основе волокон конопли не требует столько энергии для производства и эксплуатации. Авторы технологии считают, что с конопляной арматурой можно ускорить строительство, сохраняя его низкую стоимость.

Утепляющие и звукоизолирующие материалы

Вы, вероятно, уже слышали о том, что в строительстве используются материалы с растительными волокнами. Одним из самых популярных таких материалов является конопля, которая известна своими превосходными звуко- и теплоизоляционными свойствами.

Конопля — прочный и долговечный материал, который широко применяется для изоляции скатных крыш, деревянных полов, потолков, стен и фасадов. Его использование способствует снижению выбросов углекислого газа при строительстве, что имеет большое значение для окружающей среды. Например, если толщина стен составляет 400 мм и в них установлен утеплитель из костры, то для обогрева помещения площадью 100 м² в зимнее время потребуется всего 3 кВт·ч электроэнергии.

Теплоизоляция из конопли

Конопляные утеплители обладают множеством достоинств, которые способствовали их популярности. Они обеспечивают высокий уровень теплоизоляции, сопоставимый с показателями кирпичной кладки, и при этом абсолютно безопасны для экологии. Эти утеплители также обеспечивают отличную звукоизоляцию, что позволяет избежать необходимости в дополнительном изолирующем слое. Их укладка проста и быстра, что исключает образование мостиков холода. Кроме того, конопляные утеплители сохраняют способность стен «дышать», что крайне важно для создания комфортного микроклимата в помещении. Они также отличаются химической и биологической стойкостью, а их огнестойкость добавляет дополнительную защиту. Ни один другой натуральный утеплитель не обладает таким набором положительных свойств, что объясняет широкую область применения конопляных материалов.

Среди наиболее популярных решений можно выделить конопляные утеплители, в которых содержание натуральных волокон достигает 87%. Остальные 13% составляют вещества, снижающие себестоимость и обеспечивающие стойкость материала к неблагоприятным воздействиям внешней среды. Толщины в 5–10 см достаточно для надёжной защиты конструкции от холодов, сохранения способности стен «дышать» и решения проблемы сырости в толще отделки.

Строительные костроблоки

Исследования показывают, что промышленная конопля — один из самых эффективных поглотителей углекислого газа, улавливая от 8 до 15 тонн CO₂ на гектар посевов. Этот материал быстро восполняется: для строительства дома площадью 120 м² достаточно всего около 4 га конопли, которая за 14 недель может вырасти на 4,2 м. Высушенные стебли конопли разделяют на волокно и костру, которая является отходом процесса переработки технической конопли. Костробетон — это лёгкий бетон, в котором конопляная костра используется в качестве органического наполнителя. Он изготавливается из смеси костры, вяжущего компонента (как правило, цемента), минерального наполнителя (песка) и воды. Для минерализации костры и ускорения отвердения смеси в неё добавляют хлористый кальций, сернокислый глинозём вместе с известью или другие специальные добавки.

Костробетон не содержит вредных добавок, поэтому он безопасен для человека и окружающей среды. Этот материал подходит для строительства круглогодичных домов, обеспечивая прекрасные технические и эксплуатационные характеристики.

Блоки костробетона в руках строителя

Костробетон может заменить ориентированно-стружечную плиту, гипсокартон, все виды утеплителя и строительных материалов для перегородок. Он подходит для возведения домов малой этажности, дач и хозяйственных построек. Из него можно отливать детали для зданий любой формы — от стандартных прямоугольных и квадратных до овальных и круглых. Чтобы создать строение необычного вида, в конопляную смесь добавляют различные пигменты и декоративные добавки.

Теплопроводность материала составляет 0,07–0,09 Вт/(м·К). Прогретый воздух медленно проникает через стены, сокращая расходы на отопление и обеспечивая комфортную температуру в доме. Если толщина стен в конопляном здании составляет 35–40 см, ему не потребуется дополнительное утепление.

Материал обладает множеством положительных свойств, которые делают его привлекательным для использования в строительстве. Он способен эффективно поглощать и отдавать лишнюю влагу из воздуха, что помогает регулировать уровень влажности и предотвращает образование конденсата. Его объёмная масса составляет всего 400–700 кг/м³, что значительно меньше по сравнению с традиционными видами бетона. Повышенная щёлочность материала предотвращает заселение насекомых и грызунов, а также развитие гнилостных процессов.

Кроме того, материал устойчив к различным повреждающим факторам и имеет высокую степень адгезии с другими строительными и отделочными материалами. Он не подвержен растрескиванию при усадке здания и других колебаниях, обладает отличными показателями сопротивления при изгибе и обеспечивает высокий уровень шумоизоляции. Благодаря наличию извести в составе, материал не горит, а при сносе здания полностью разлагается. Также стоит отметить, что для него не требуется возведение тяжёлого и массивного фундамента.

В Южной Африке с использованием промышленной конопли построен отель Hemp Hotel на 54 номера. 12-этажное здание, расположенное в городе Кейптауне на Харрингтон-стрит (д. 84), построено из блоков «конопляного бетона» (hempcrete), который сочетает в себе изоляционные и огнеупорные свойства конопли с цементно-бетонной конструкцией. Этот инновационный подход не только способствует экологичности, но и удовлетворяет насущную потребность в сокращении выбросов углекислого газа в строительной отрасли.

Hemp Hotel в Кейптауне (ЮАР) используется как флагманский магазин Hemporium, ресторан и апарт-отель на 50 номеров. 12-этажное здание сделано из костробетона, включая внутренние стены. Для строительства Hemp Hotel потребовалось 50 тыс. конопляных блоков, что эквивалентно 50 тоннам конопли как сырья. Внутренние стены здания оштукатурены конопляной известью, включающей натуральные волокна

Традиционно производство бетона вносит значительный вклад в выбросы углекислого газа: каждая произведённая тонна цемента «ответственна» за выброс тонны CO₂. Кроме того, на строительные материалы приходится 11% глобальных выбросов углекислого газа. В ответ на эти опасения отрасль активно ищет способы снизить свой углеродный след, что приводит к изучению альтернативных биоматериалов.

Конопляный бетон, основной строительный материал, используемый в Hemp Hotel, представляет собой отличное решение. Конопля не только обладает прекрасными теплоизоляционными свойствами, но и обладает способностью в вегетативной фазе своего жизненного цикла поглощать большой объём углерода, чем выделяет, что делает её «углеродно-отрицательной». Этот процесс основан на естественной способности растения поглощать атмосферный углекислый газ. Затем этот углерод запирается в бетонных блоках, где он хранится более 50 лет или даже дольше. Бошофф Мэллер (Boshoff Muller), директор Afrimat Hemp, компании, ответственной за производство конопляного бетона для отеля, подчеркнул важность этого процесса улавливания углерода.

Хотя строительство с использованием конопли может быть относительно дорогостоящим, возможность продажи углеродных скидок даёт многообещающий способ компенсировать расходы.

Президент Южной Африки Сирил Рамафоса признает растущую роль технической конопли в строительной отрасли, рассматривая это как возможность создать более 130 тыс. рабочих мест. Hemp Hotel является убедительным примером потенциала отрасли, подчёркивающим растущее признание конопли и её интеграцию в строительный сектор.

Во Франции компания-новатор в области архитектуры и ландшафтного дизайна недавно завершила строительство первого в стране общественного здания из конопляного бетона — спортивного зала Pierre Chevet. Помещение площадью около 380 м² включает в себя тренажёрный зал и раздевалки.

В России костробетон используют для возведения домов малой этажности, дач и хозяйственных построек. Летом 2024 года владелец экспериментального конопляного хозяйства «Лама Парк» Антон Доронин построил двухэтажное здание «ХэмпДом» (HempDom) в Волоколамском районе Московской области специально для проведения форума коноплеводов, чтобы все участники форума смогли оценить возможности костробетона в области строительства. Костроблоки для здания были изготовлены им на собственном производстве.

Антон отмечает следующие преимущества костробетона перед кирпичом. У костробетона с несущими свойствами до трёх этажей плотность равна 600 кг/м³ (он относится к группе лёгких бетонов), размеры блока — 500×300×200 мм (объём 0,03 м³). У обычного кирпича стандартными размерами 250×120×65 мм (0,00195 м³) с аналогичными конструкционными возможностями плотность составляет 1500–2000 кг/м³. Соответственно, вес кирпича минимум в 2,0–2,5 раза больше, чем у аналогичного блока из костробетона. А с учётом различий в теплопроводности требуемая масса кирпича для строительства дома аналогичного качества будет уже от 10 до 15 раз выше. Значительно увеличивается стоимость транспортировки материала. Проекты кирпичных домов предусматривают использование значительно более тяжёлого, а значит и более дорогого фундамента. При строительстве дома также применили композитные доски и подоконники из конопли.

Примечательно, что «ХэмпДом» позиционируется как экологичное здание с автономным снабжением электроэнергией исключительно за счёт панелей солнечных батарей, расположенных на участке хозяйства.

Экологический аспект: конопляный биопластик

Пластик — это удивительный материал, который благодаря своей относительной дешевизне получил широкое распространение. С момента своего изобретения в начале XX века он стал самым доступным и простым в производстве материалом в мире. Однако, несмотря на все свои преимущества, пластик оставил после себя тревожное наследие. С момента его появления человечество произвело триллионы тонн пластика, и на сегодняшний день ежегодный объём производства составляет более 335 млн тонн. Традиционный процесс изготовления пластика на основе ископаемого топлива сопровождается выделением большого количества парниковых газов, а его разрушение может занять сотни лет. После этого в окружающей среде могут остаться триллионы мельчайших пластиковых частиц.

Мы переживаем серьёзную экологическую катастрофу, последствия которой уже ощущаем на себе: ощутимое изменение климата, утрата биоразнообразия, ухудшение состояния почвы, воздуха и морей — это лишь часть ущерба, нанесённого окружающей среде. По данным организации Greenpeace, каждую секунду в мировой океан выбрасывается более 200 кг пластика, что эквивалентно более 8 млн тонн пластиковых отходов в год. Многие страны рассматривают возможность запрета пластика, но они не могут этого сделать, потому что требуется экономически выгодная альтернатива.

В отличие от традиционного пластика, биопластик может полностью разложиться за полгода-год, в зависимости от условий окружающей среды. Это означает, что он не будет усугублять проблему загрязнения пластиком.

Пластик, производимый из ископаемого топлива, изготавливается из невозобновляемых ресурсов и в течение своего жизненного цикла выделяет значительное количество парниковых газов. Конопля же, с другой стороны, представляет собой возобновляемый ресурс, который фактически не содержит углерода — она потребляет гораздо больше парниковых газов, чем выделяется при её производстве. Всего одна тонна конопли может поглощать до 1,6 тонны углекислого газа, что делает её одним из лучших способов улавливания углерода на планете.

Конопля не только является «углеродно-отрицательной» культурой, но и предотвращает эрозию почвы, её можно выращивать снова и снова на одной и той же земле, что даже может снизить загрязнение воды.

Использование материалов на биологической основе также решает экономическую проблему использования избыточных запасов и производства материалов с более высокой добавленной стоимостью из сельскохозяйственной продукции и побочных продуктов, способствуя развитию агробизнеса и достижению экобаланса.

Альтернативный пластик из конопли легко поддаётся биологическому разложению. В конопле не содержатся такие токсичные химические вещества, как толуол и бензол, которые являются наиболее токсичными производными пластмасс, изготовленных из углеводородов. Он безопасен для окружающей среды.

Интересно рассмотреть возможности производства конопляного пластика, который при переходе на полимеры из конопли может сократить использование пластиков, полученных из нефти, на 25–100%. Чистый (100%-й) биопластик из конопли ещё не разработан, но композитные биопластики, производимые из смеси конопли и других компонентов, уже используются. Они обладают высокой прочностью и жёсткостью, что делает их подходящими для различных сфер применения: от лодочных производств до автомобилестроения, производства потребительских товаров, электроники, архитектурных решений, строительства, упаковки и пластиковых бутылок.

Пластик из конопли очень лёгкий и имеет высокое соотношение плотности к весу. Это позволяет использовать его в аэрокосмической промышленности для снижения веса крупных конструкций и производства таких изделий, как автомобильные запчасти, упаковка и игрушки.

Изучение биоразлагаемых пластиковых материалов в настоящее время является важным направлением материаловедения, агробизнеса и анализа использования биомассы в возобновляемых источниках энергии.

Для производства биопластика целлюлоза из конопли смешивается с пластификаторами и пластиковыми добавками, а затем смесь подвергается термообработке под давлением для получения желаемого биопластика из конопли. Точный процесс изготовления может варьироваться в зависимости от производителя и предполагаемого использования конечного продукта. Большинство полимеров на биологической основе работают так же, как и обычные полимеры, но поддаются быстрому биологическому разложению. Это свойство позволяет утилизировать готовые изделия из биоматериалов по истечении срока их полезного использования без каких-либо опасений для окружающей среды, что становится приоритетным направлением разработок многих предприятий.

Исследования по разработке биоразлагаемого пластика предполагают новые технологии, которые позволят обеспечить конкурентоспособную стоимость изделий из биоматериалов, соответствовать стандартам различных областей применения и оптимизировать их производительность. Это делает конопляный пластик более экологичным вариантом, чем традиционный пластик, изготовленный из невозобновляемых ресурсов, таких как нефть.

Производство биопластика на основе конопли требует меньше энергии и выделяет меньше парниковых газов, чем традиционный пластик. Это делает его экологически безопасной альтернативой, что означает, что для его производства требуется меньше энергии. Также производство биопластика из конопли требует на 22–45% меньше энергии, чем производство продукции из невозобновляемых источников энергии. Это связано с тем, что процесс производства биопластика из конопли требует более низких температур и меньшего давления.

Исследования показывают, что биокомпозиты и биопластики из конопли долговечны, легки и привлекательны, а продукция доступна в больших объёмах и по конкурентоспособным ценам. Обладая свойствами, аналогичными свойствам традиционного пластика, они могут заменить обычные пластмассы без значительных дополнительных капитальных или эксплуатационных затрат, что упрощает переход на новые технологии. Поиск низкозатратных технологий способствует достижению целей в области устойчивого развития.