Исследователи из Университета RMIT в Австралии разработали два строительных материала без цемента, которые сочетают утрамбованную почву с картоном и углеродным волокном. Они обещают быть более экологичными, прочными и дешевыми, чем традиционный бетон.
Строительство стремится найти баланс между эффективностью и воздействием на окружающую среду. Каждый год на цемент и бетон приходится около 8% мировых выбросов углекислого газа, а тонны картона и бумаги попадают на свалки. Столкнувшись с этой перспективой, группа инженеров из Университета RMIT решила взглянуть вниз, на землю, и на повседневную жизнь, на картон, чтобы переосмыслить, как мы возводим стены и колонны. Их идея проста: строить без цемента и не тратя ресурсы впустую.
Команда разработала два экспериментальных материала, которые начинаются с одной и той же основы: утрамбованной земли, смешанной с небольшим количеством воды. В одном случае эта почва уплотняется внутри переработанных картонных трубок, создавая прочную и полностью пригодную для вторичной переработки систему. С другой стороны, грунт заключен в трубы из углеродного волокна, создавая более прочную и легкую конструкцию, предназначенную для зданий с более высокими требованиями. В результате получаются две противоположные, но взаимодополняющие альтернативы: одна сверхлегкая и экологичная, а другая с высокими конструктивными характеристиками.
Оба предложения исключают использование цемента, сокращают выбросы и упрощают логистику строительных работ. Вместо того, чтобы перевозить тонны бетона и стали, строителям нужно было бы только нести легкие трубы (картонные или волокнистые) и использовать грунт местности. Этого было бы достаточно, чтобы поднять стены и колонны, способные выдержать вес малоэтажных домов. Принцип тот же: использовать то, что уже существует, более разумно и с меньшим воздействием.
Возвращение на Землю: как восстановить древний материал
Строительство с использованием грунта не ново. На протяжении веков это был самый распространенный ресурс в жарких и засушливых регионах благодаря своей способности сохранять прохладу в помещениях и естественным образом регулировать влажность. Однако с появлением цемента эта техника отошла на второй план. Сегодня, в разгар климатического кризиса, этот взгляд возвращается с новой силой. Земля предлагает второй шанс в эпоху нулевого выброса углерода.
Исследователи RMIT продолжили эту традицию, но с современным подходом. Вместо того, чтобы стабилизировать грунт цементом, как это обычно делается для придания ему большей прочности, они уплотнили его внутри трубы, которая действует как структурная «рубашка». Таким образом, материал приобретает прочность, не теряя при этом своего природного характера и низкого воздействия на окружающую среду. Удержание почвы — это ключ к тому, чтобы она выдерживала нагрузки без образования трещин.
В этом методе используется простой физический принцип: когда грунт сжимается, он имеет тенденцию расширяться в стороны. Если ему мешают это сделать, он становится сильнее. Труба, картонная или из углеродного волокна, делает именно это.
Разница в масштабе: картон предлагает доступное решение для домов и небольших построек, в то время как углеродное волокно предназначено для более прочных конструкций. Два пути, одна и та же цель: сократить использование цемента.
Картон, который превращается в стену
Первый материал, известный как утрамбованная земля с картонным покрытием, изготавливается исключительно из картона, почвы и воды. Картонные трубки функционируют как постоянная форма и как структура, удерживая уплотненную почвенную смесь слоями. При высыхании сборка получается на удивление прочной и устойчивой. Простой материал, который использует то, что мы обычно выбрасываем.
Производительность превзошла ожидания команды. Испытательные цилиндры, изготовленные из картона различной толщины, показали прочность, достаточную для того, чтобы выдерживать вес невысоких стен, сравнимую с весом утрамбованной земли, стабилизированной цементом.
Кроме того, система сохраняет тепловые преимущества грунта: она помогает сохранять тепло зимой и прохладу летом, снижая потребность в кондиционировании воздуха. Экологичность, которая также означает комфорт.
Но настоящая разница заключается в воздействии на окружающую среду. Согласно расчетам исследования, этот материал имеет углеродный след почти на 80% ниже, чем традиционный бетон. Он также использует преимущества большого количества отходов: только в Австралии ежегодно выбрасывается более двух миллионов тонн картона и бумаги. Использование его в качестве конструктивного компонента не только предотвращает выбросы, но и дает новую жизнь обычным отходам.
Углеродное волокно и грунт: прочность при меньшем весе
Второй материал, называемый утрамбованной землей с углепластиковым покрытием, сочетает в себе ту же утрамбованную землю с трубами из углеродного волокна. Этот тип материала обычно используется в самолетах и автомобилях из-за его легкости и высокой прочности.
Исследователи адаптировали его для удержания грунта и получили замечательный результат: колонны с прочностью, близкой к прочности высококачественного бетона, но с небольшой долей его веса. Отличный способ добиться прочности без цемента.
Углеродное волокно действует как сверхлегкая броня, предотвращающая разрушение грунта под давлением. В то же время заземляющий сердечник придает трубе жесткость и устойчивость, создавая баланс между обоими материалами. Конструкция может лучше поглощать сейсмические движения и деформироваться без разрушения, что является фундаментальным фактором в безопасных конструкциях. Дело не только в прочности, но и в гибкости.
Хотя эта система дороже картонной, она обеспечивает исключительные конструктивные характеристики и меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с железобетоном. Ее потенциал заложен в зданиях, где требуется прочность, но также и легкость: жилье в сейсмоопасных зонах, временные сооружения и даже сборные конструкции. Шаг к более эффективному и адаптивному строительству.
Стройте на месте, используя все, что есть
Обе инновации имеют один простой принцип: использовать материалы окружающей среды. Вместо того, чтобы перемещать тонны цемента и стали, строители могли бы использовать землю с того же участка, сокращая транспортировку, затраты и выбросы. Экологичность начинается с того места, где вы строите. Это открывает возможности, особенно в сельских и изолированных регионах, где доступ к промышленным материалам ограничен.
Кроме того, земляные стены имеют дополнительное преимущество: их высокая тепловая масса помогает поддерживать стабильную температуру и влажность в помещении. Это означает меньшую потребность в отоплении и охлаждении и, следовательно, меньшее потребление энергии в течение всего срока службы здания.
Экономия продолжается еще долго после завершения строительства. По мнению исследователей, такое сочетание простоты, эффективности и низкого воздействия на окружающую среду может определить будущее устойчивого строительства.
Еще не все решено. Предстоит оценить долговечность этих материалов перед лицом влаги и износа, а также то, как они будут вести себя в крупномасштабных конструкциях. Также необходимо будет разработать более быстрые методы сушки и изучить их долговечность. Результаты многообещающие, но все еще экспериментальные.
Два пути к одной цели
Два исследования указывают в одном направлении: сократить использование цемента без потери прочности и безопасности. Система с использованием картона предлагает доступный, экономичный и низкоуглеродный вариант для жилищных и общественных проектов. С другой стороны, углеродное волокно демонстрирует потенциал земли как высокотехнологичного материала, способного конкурировать с высокопроизводительными бетонами.
Помимо лабораторий, эти идеи связаны с чем-то важным: ответственным строительством с использованием имеющихся ресурсов. На планете, где строительная отрасль производит почти 40% выбросов, связанных с потреблением энергии, подобные небольшие инновации могут иметь огромное значение.
Исследователи RMIT уже ищут партнерские отношения с компаниями, чтобы воплотить эти прототипы в реальные проекты. Если им удастся масштабировать производство и адаптировать методы к различным условиям, подобные материалы могут изменить правила строительства. Из земли и картона может вырасти новое поколение устойчивых зданий.
Ссылки:
doi: 10.1016/j.compstruct.2025.119512
doi: 10.1016/j.istruc.2025.110117
