Блоки из цемента и опилок: изготовление вариантов для дома и бани своими руками, как называются виды под кирпич, отзывы

1. Введение

Жилье является одной из трех основных потребностей человечества, и оно является наиболее важным для физического выживания человека после предоставления продовольствия. Жилье, как в единицах, так и в нескольких формах, является важным компонентом физической формы и структуры сообщества. Другими словами, адекватное жилье способствует достижению физического и морального здоровья нации и стимулирует социальную стабильность и эффективность работы.Это также показатель уровня жизни человека и его места в обществе [1].

Одной из постоянных проблем, создаваемых беспрецедентной урбанизацией в Нигерии и многих других странах Африки к югу от Сахары, является обеспечение доступного и доступного жилья на человек. Доступное жилье — это термин, используемый для описания жилых единиц, чьи общие расходы на жилье считаются «доступными» для группы людей в пределах определенного диапазона доходов. Хотя этот термин часто применяется к арендуемому жилью, которое находится в пределах финансовых возможностей тех, кто находится в регионах с низким уровнем дохода в географическом районе, концепция применима как к арендаторам, так и к покупателям во всех диапазонах доходов.В Соединенных Штатах и ​​Канаде общепринятым принципом доступности жилья является стоимость жилья, которая не превышает 30% валового дохода домохозяйства. Расходы на жилье, рассматриваемые в данном руководстве, обычно включают налоги и страховку для владельцев и обычно включают расходы на коммунальные услуги. Когда ежемесячные расходы на содержание дома превышают 30–35% дохода домохозяйства, жилье считается недоступным для этого домохозяйства [2].

Проблемы урбанизации и связанные с этим последствия для жилищного обеспечения, вероятно, более распространены в Нигерии, чем где-либо еще в странах Африки к югу от Сахары.Приблизительно 50% нигерийского населения проживает в городских городах с прогнозами, что городское население достигнет отметки 65% к 2020 году. Быстрый рост городов привел к проблемам городских заторов или переполненности и плохого жилья, среди других проблем. Типичные проявления этого неудовлетворенного спроса включают распространение трущоб в городах, где Нигерия занимает четвертое место по количеству обитателей трущоб в мире (Рисунок 1), а также угрожает стремительно растущей арендной платой за жилье. Оценки показывают, что дефицит жилья в Нигерии составляет более 16 миллионов единиц.В среднем 1 миллион единиц жилья в год требуется не только для пополнения разрушающегося жилого фонда, но и для удовлетворения растущего спроса [3, 4].

Рисунок 1.

Число обитателей трущоб в разных странах. Источник: [3].

К сожалению, близнецовые концепции Государственное жилье , форма владения жильем, в котором собственность принадлежит центральному или местному правительственному органу, и Социальное жилье , общий термин, относящийся к арендному жилью, которое принадлежит и управляется Государственные, некоммерческие организации или их комбинация пока не популярны в Нигерии, хотя общая цель обеих концепций — обеспечить доступное жилье.Следствием этого является то, что подавляющее большинство людей занимаются строительством личных домов, финансируемых различными способами, включая сбережения и займы, за исключением, в большинстве случаев, долгосрочного финансирования — ипотечного финансирования и ипотечных ценных бумаг, которое все еще находится в зачаточном состоянии. Существование в стране на данный момент [4].

Жилищная проблема в Нигерии является более серьезной для групп с низкими доходами, чьи проблемы осложняются несколькими факторами, включая постоянно растущую стоимость строительных материалов.Поэтому цель этой главы — обсудить потенциал нетрадиционных строительных материалов, полученных из агролесоводства и муниципальных отходов, в решении проблем строительства доступного жилья в Нигерии.

2. Краткий обзор традиционных строительных материалов, широко используемых в Нигерии

Камни и их производные, включая камни, гранит, гравий, песок и глину и дерево, ветки и листья, использовались для строительства зданий по всей Нигерии на протяжении веков. Камень — самый длительный строительный материал, доступный в стране.Древесина, являющаяся продуктом деревьев и иногда других волокнистых растений, также используется в строительных целях при рубке или прессовании в пиломатериалы и пиломатериалы, такие как доски, доски и аналогичные материалы. Помимо вышеупомянутых природных строительных материалов используются многие искусственные продукты, в том числе сталь, используемая в качестве структурного каркаса для более крупных зданий, таких как небоскребы или в качестве покрытия внешней поверхности, стекло и бетон. Наиболее распространенной формой бетона является портландцементный бетон, который состоит из минерального заполнителя (обычно гравия и песка), портландцемента и воды [4].

Бетонные пустотелые блоки (Рисунок 2) и необожженные глиняные кирпичи (Рисунок 3) являются двумя из преобладающих традиционных материалов для строительства домов в Нигерии. Бетонные пустотелые блоки, изготовленные на заводе или на месте из портландцемента и песка в соотношении 1: 8 и чаще используемые в городских и пригородных районах, обычно имеют прямоугольную форму, часто шириной 45 см и толщиной 15 см. и 30 см в высоту и желтого / беловатого цвета. Пустоты имеют тенденцию проходить сверху вниз и занимают около двух третей объема блока [5].Блоки обычно соединяются вместе с раствором в строительстве зданий, как показано на рисунке 4.

Рисунок 2.

Свежеприготовленные бетонные пустотелые блоки.

Рисунок 3.

Типичное здание, построенное из глиняного кирпича.

Рисунок 4.

Типичное строящееся здание с использованием бетонных пустотелых блоков.

Глина является относительно дешевой, экологически чистой и широко доступной, и в шести геополитических зонах Нигерии имеются большие залежи латеритной глины [6].Следовательно, глина широко используется для строительства зданий по всей стране. Необожженные глиняные кирпичи особенно заметны в сельском жилищном строительстве. Такие здания бывают разных форм, например, когда стены изготавливаются непосредственно из глиняной смеси, когда стены строятся путем укладки глиняных кирпичей, высушенных на воздухе, когда стены сделаны из глины в сочетании с соломкой для создания светлой глины, и когда кирпичные стены изготавливаются из цементно-стабилизированного кирпича, то есть латерита, стабилизированного всего 5% цемента или цементно-стабилизированных блокирующих блоков [7].

3. Последние достижения в производстве экологически чистых строительных материалов в Нигерии

Одной из проблем, связанных с использованием бетонных пустотелых блоков в строительстве, является относительно высокая стоимость портландцемента. Хотя Нигерия не производит достаточно цемента внутри страны для удовлетворения спроса, импорт был ограничен, что привело к резкому росту цен на цемент. Кроме того, бетонные блоки и необожженные глиняные кирпичи имеют тенденцию проявлять хрупкость при разрушении. Одним из способов решения проблемы увеличения стоимости цемента является частичная замена портландцемента либо пуццоланом, либо известью при производстве бетонных пустотелых блоков.Проблема стоимости и хрупкого разрушения может быть решена одновременно путем добавления волокнистых материалов для задержки и контроля растрескивания матрицы при растяжении [8]. Между прочим, образуются огромные количества агролесоводства, промышленных и муниципальных твердых отходов, которые являются источником опасности для здоровья и загрязнения окружающей среды в Нигерии. Одним из способов снижения стоимости жилищного строительства является утилизация некоторых материалов агролесоводства и промышленных муниципальных отходов, таких как пуццоланы, наполнители или армирующие материалы, в инновационных недорогих строительных материалах на цементной и глинистой основе.Это должно помочь в сохранении энергии и сохранении окружающей среды, даже если ожидается, что продукты будут обладать приемлемыми прочностными, звуковыми, термическими и долговечными свойствами [8]. Примеры таких устойчивых строительных материалов, исследованных для различных применений в Нигерии в течение последних двух десятилетий, включают следующие параграфы.

3.1. Пуццоланы и смешанный цемент

В Нигерии многие сельскохозяйственные отходы находятся в свободном доступе и часто рассматриваются как отходы. Примеры включают жмых (отходы, полученные при переработке сахарного тростника ( Saccharum officinarum )) и кукурузу ( Zea mays) початков.Пуццолановая активность пепла этих двух остатков была проверена и доказана [9, 10]. Химический анализ золы багассы представлен в Таблице 1. Совокупный процентный состав кремнезема, глинозема и оксида железа превышает минимальное требование в 70% для хорошего пуццолана для производства смешанного цемента как в багассе, так и в золе кукурузного початка. Далее сообщалось, что цемент с добавлением золы кукурузного початка (CCA), содержащий не более 15% CCA, удовлетворяет требованиям NIS 439: 2000 и ASTM C 150 для цемента.Работоспособность и прочность на сжатие цементобетона с добавками CCA также были исследованы [11]. Экспериментальные результаты показали, что смешанный с CCA цемент, содержащий не более 8% CCA, подходит для бетонных конструкций.

Таблица 1.

Химический анализ золы багассы.

Остаток карбида кальция является побочным продуктом газокислородной сварки оксиацетилена, очень токсичного материала, токсичность которого может быть включена путем включения его в строительные материалы [12]. Тем не менее, он в основном отправляется на свалки в Нигерии.Обычно считается, что поскольку остаток карбида кальция богат гидроксидом кальция, он ведет себя как гидратированная известь. Следовательно, остаток карбида кальция также был проанализирован для потенциального использования в качестве частичной замены цемента в бетонных работах [13]. Сравнение результатов химического анализа образцов карбида кальция, испытанных в Нигерии, с результатами, представленными другими исследователями в других местах [14, 15] и представленными в таблице 2, показывает, что в химических составах были небольшие, но незначительные различия.

Таблица 2.

Химический анализ остатков карбида кальция различного происхождения.

3.2. Кровельная черепица, армированная натуральным волокном

Основные типы кровельных материалов, которые в настоящее время используются в Нигерии, включают в себя гофрированное железо и алюминиевые листы, сланцы и асбестовые листы [16]. Хотя листы из гофрированного железа подвержены коррозии и могут быть шумными во время дождя, кровельные листы из асбеста относительно дороги и во многих странах объявлены вне закона из-за канцерогенной природы асбестовых волокон.Исследования по разработке альтернативных кровельных материалов из древесно-волокнистых цементных композитов ведутся во всем мире уже более 30 лет [17].

Основным источником волокна для производства кровельной черепицы на цементной основе является ротанг, специализированная группа чешуйчатых плодоносящих, колючих, взбирающихся ладоней с гибким стеблем, обычно встречающихся у водоемов не менее чем в 20 африканских странах, включая Нигерию. Стебель, обычно называемый «тростником», обычно считается ресурсом «открытого доступа», который легко добывается из диких лесов, главным образом для производства мебели и изделий кустарного промысла.Однако во многих сельских районах трость расколота, чтобы сделать веревки, используемые для завязывания бамбука и приклеивания каркаса домов до того, как каркас был оштукатурен грязью [18, 19]. Преимущество ротанга заключается в том, что его легче собирать, требуются более простые инструменты, его гораздо проще транспортировать, и он растет намного быстрее, чем большинство тропических пород дерева [19]. Сообщалось о связывании цельных ротанговых тростников, волокон и расщеплений с обычным портландцементом [20], а также о разработке методологий применения ротангового волокна, частиц и прядей в производстве цементно-связанных композитов [21, 22, 23].Кроме того, сообщалось о производстве относительно прочных и стабильных по размерам цементных кровельных плиток, армированных волокнами ротанга, в которых цемент был частично заменен твердосплавными отходами [24, 25], а образцы показаны на рис.

Прототип кровли из ротангоцементной композитной черепицы. Источник: [16]. Волокно

Banana (Musa acuminata ) также было исследовано в качестве армирующего материала при производстве композитной кровельной черепицы на цементной основе в Нигерии [26].Исследователи изучили влияние частичной замены цемента остатком карбида кальция и добавлением хлорида кальция (CaCl ₂ ) на свойства кровельной черепицы, армированной банановым волокном. Содержание волокна было зафиксировано на уровне 3%, тогда как уровни замещения извести по массе цемента были 0 (контроль), 10, 20 и 30%. Два процента оксида железа II добавляли для окрашивания, тогда как CaCl ₂ добавляли при 0 (контроль) и 3% уровнях. Плотность кровельной черепицы колебалась между 1.63 и 2,0 г / см ³ . Остаток карбида кальция и Cacl ₂ снижали плотность композитов. Также наблюдалось снижение ударной вязкости при увеличении содержания остатков карбида кальция.

Другие волокнистые материалы, которые уже были исследованы и признаны пригодными для производства цементно-стружечной черепицы в Нигерии, включают бамбук ( Bambusa vulgaris ), кокосовую шелуху ( Cocos nucifera ), жмых сахарного тростника ( Saccharum officinarum ), пальму рафии ( Raphia africana ) и Luffa ( Luffa cylindrica ) [27, 28, 29, 30, 31].Образцы кровельной черепицы из бамбука и кокосовой шелухи показаны на рисунках 6 и 7а, б.

Рисунок 6.

Фибробетонная кровельная черепица, установленная в здании с двускатной крышей в Ибадане, Нигерия. Источник: [23].

Рисунок 7.

(a) Образцы отвержденной кровельной черепицы, армированной волокнами из кокосовой шелухи, (b) кровельной черепицы, армированной волокнами из кокосовой шелухи, установленной на здании с плоской крышей. Источник: [30].

В отличие от использования обычного портландцемента в качестве связующего, было исследовано производство кровельной черепицы из глинисто-цементно-опилочных композитных материалов с использованием опилок, полученных из тика ( Tectona grandis ), и древесной золы в качестве частичной замены цемента. [32].Основные свойства используемого латеритного глинистого материала представлены в Таблице 3, в то время как свойства полученных плиток представлены в Таблице 4. Частичная замена обычного портландцемента примерно на 10% древесной золы была признана очень приемлемой при производстве композитных кровельных плиток. с относительно хорошей прочностью на изгиб, в то время как частичная замена цемента от 20 до 30% древесной золы снижает теплопроводность композитной кровельной черепицы до приемлемых уровней.

Таблица 3.

Основные свойства использованного латерита для производства композитной черепицы.

Таблица 4.

Отдельные свойства латеритно-цементных композитных кровельных плиток.

3.3. Цементно-склеенные композитные потолочные плиты

Цементно-стружечная плита — это общий термин для панельного продукта, изготовленного из лигноцеллюлозы, в основном в форме отдельных кусков или частиц, в сочетании с цементом и уплотненных. Некоторые из замечательных свойств цементно-стружечных плит включают относительно высокое соотношение прочности и веса и долговечность; высокая устойчивость к влагопоглощению, гвоздям и легкости распиловки; отличная изоляция от шума и тепла; и высокая устойчивость к воздействию огня, насекомых и грибков.Панели не выделяют газы и не пропускают вредные химические вещества [33]. Одним из распространенных неструктурных применений цементно-стружечных плит в жилищном строительстве является потолок, то есть верхняя внутренняя поверхность, которая ограничивает верхнюю границу помещения, а готовая поверхность скрывает нижнюю часть конструкции крыши. Потолочные плиты служат для теплоизоляции, снижения / поглощения шума и защиты от огня.

Потолочные плиты были изготовлены из ряда лигноцеллюлозных волокон и отходов в Нигерии, включая опилки, макулатуру, ротанговый тростник, кокосовую шелуху, кукурузную шелуху, слоновую траву ( Pennisetum purpureum ), pawpaw ( Carica papaya , pseud) Бамия ( Abelmoschus esculentus л.Moench) и Cissus populnea , среди других. Во многих из этих исследований обычный портландцемент был частично заменен либо пеплом рисовой шелухи (RHA), либо остатком карбида кальция [34, 35, 36, 37, 38, 39]. Также сообщалось о разработке недорогой моторизованной машины для изготовления потолочных досок (рис. 8) [16]. Образцы выбранных потолочных плит, изготовленных в Нигерии, показаны на рисунках 9 и 10, а сравнение основных свойств некоторых потолочных плит с асбестоцементными потолочными досками представлено в таблице 5.

Рисунок 8.

Машина для производства потолочных панелей «Сделано в Нигерии». Источник: [16].

Рисунок 9.

Изготовленные в Нигерии древесно-цементные композитные потолочные плиты после монтажа. Источник: [16].

Рисунок 10.

Потолочные плиты изготовленные из Нигерии, изготовленные из макулатуры. Источник: [16].

Таблица 5.

Сравнение асбестоцементных и цементно-стружечных композитных потолочных плит, изготовленных из отобранные агролесные материалы.

100% опилочные цементные панели

Трехслойные плиты с хлопьями

Теоретическое расчетное значение

3.4. Железобетонные пустотелые блоки и глиняные кирпичи

Как уже отмечалось ранее, бетонные пустотелые блоки и глиняные кирпичи остаются популярными строительными материалами в Нигерии для стен одноэтажных зданий в городских и сельских районах, соответственно. Хотя прочность бетонного пустотелого блока меньше, чем у обожженного глиняного кирпича, он значительно дешевле.В целях дальнейшего снижения стоимости бетонных пустотелых блоков, возможность включения в смесь опилок из тикового дерева ( Tectona grandis ), выращенных в Нигерии, и частичной замены цемента остатками карбида кальция и скорлупы яичной скорлупы для производства низкосортных продуктов. полые бетонные блоки исследовали [30]. Репрезентативные образцы пустотелых железобетонных блоков размером 100 × 100 × 100 мм были изготовлены с использованием различного процентного содержания опилок (20, 25, 30%) и карбидного остатка карбида кальция (30, 25, 20%) в смеси.Они были отверждены в течение 28 дней, после чего определялись водопоглощение в течение 24 часов и набухание по толщине, а также прочность на сжатие. Водопоглощение (6,1–10,3%) и толщина набухания (1,2–1,9%) были вполне приемлемыми. Максимальная прочность на сжатие, полученная в смеси, содержащей 20% опилок и 30% карбидных отходов, находилась в пределах измеренных значений прочности (0,5–1 Н / мм ² ) серийно выпускаемых бетонных пустотелых блоков в Нигерии. Предварительный анализ затрат показал возможность 20-процентного сокращения производства бетонных пустотелых блоков с включением опилок и остатков карбида кальция в производственную смесь.

В другом исследовании были изучены возможности использования опилок древесины Cordia millenii , остатков карбида кальция и порошка яичной скорлупы птицы для производства стабилизированного латеритного глиняного кирпича [40]. Хорошо известно, что куриное яйцо содержит около 95% карбоната кальция и, следовательно, может использоваться в качестве добавки для извести. Индексные свойства латерита были впервые определены. Затем был изготовлен набор кирпичей размером 100 мм × 100 мм × 100 мм (рис. 11) с использованием латерита, стабилизированного 50% опилок и 10% обычного портландцемента (вес / вес).На основании комбинированных результатов анализа предела жидкости и размера частиц глина была классифицирована как A-7-6 и CH в соответствии с AASHTO и Единой системой классификации почв соответственно. Его удельный вес 2,8 находился в пределах 2,6 и 3,4, сообщенных для латеритных почв, в то время как его рН 6,7 показал, что он был слегка кислым. В некоторых образцах обычный портландцемент был частично заменен (вес / вес) остатком карбида кальция (50%) и порошком яичной скорлупы (30%). Плотность, прочность на сжатие и 24-часовое водопоглощение кирпичей были определены после 28 дней сушки на воздухе под тенью и показаны в Таблице 6.Как остаток карбида кальция, так и порошок скорлупы яиц значительно снизили плотность и прочность на сжатие (p ≤ 0,05). Включение порошка из скорлупы домашней птицы привело к увеличению водопоглощения кирпичей. Только кирпичи, изготовленные из смеси латерита, опилок и цемента, удовлетворяли минимальной прочности на сжатие 1,65 Н / мм ² , установленной Нигерийским научно-исследовательским институтом строительства и дорожного строительства для строительства.

Рисунок 11.

Образцы нетрадиционного глиняного кирпича.Источник: [33].

Таблица 6

Избранные свойства модифицированного глиняного кирпича.

3,5. Плитка для пола и стен из армированного натуральным волокном

Плитка — это износостойкие тонкие плоские плиты или блоки, обычно изготовленные из фарфора, обожженной глины или керамики с твердой глазурью или других материалов, таких как стекло, металл, пробка и камень.Они обычно используются для формирования настенных и напольных покрытий и могут варьироваться от простых квадратных плиток до сложных мозаик. Современные бетонные плитки изготавливаются из смеси портландцемента и карьерного песка в качестве заполнителя. Основным преимуществом армирования волокнами бетонных плиток является придание дополнительной способности поглощать энергию и превращение хрупкого материала в псевдо-пластичный материал [41]. Одним из источников натуральных волокон, которые можно найти в Западной Африке и которые легко доступны в Нигерии, является Cissus populnea (Guill.и Perr.), показанный на рисунке 12, сильный древесный вьющийся кустарник, обычно 8–10 м в длину и 7,5 см в диаметре. Хотя больше внимания уделялось связующим свойствам Cissus populnea [42], меньше внимания уделяется волокнистому остатку после извлечения смолы, потенциальному материалу для производства армированного волокнами цементного композита.

Рисунок 12.

Cissus populnea кустарники.

Ручная машина для производства композитных плиток для пола из цементного волокна Cissus (рисунок 13) была разработана и использовалась для производства 200 (длина) × 100 (ширина) × 10.5 мм (толщина) плитки разных цветов — белого, красного, желтого, синего, зеленого, черного и серого (рис. 14) [41]. Средняя масса на единицу площади составила 25,5 кг / м ² . Способность поглощения ударной энергии композитных плиток (2943 Нмм) была относительно ниже, чем у типичной керамической плитки (3746 Нм). Однако армированные волокном плитки имели значительно более низкое водопоглощение, 7%, чем 12% для типичной керамической плитки после выдерживания в холодной воде через 24 часа, в то время как оба типа плиток имели одинаковую толщину набухания, составляющую 3%.

Рисунок 13.

Вид сбоку машины для производства плитки. Источник: [41].

Рисунок 14.

Произведены образцы цементно-связанных плиток для пола Cissus populnea, армированных волокнами. Источник: [41].

3.6. Арматура для бетонных балок

Портландцементный бетон относительно прочен на сжатие, но слабый на растяжение. Слабость в растяжении обычно преодолевается путем использования обычной арматуры стержня (стальной стержень). Однако проницаемость бетона позволяет проникать другим агрессивным элементам, что приводит к карбонизации и воздействию хлорид-ионов, что приводит к проблемам с коррозией, что приводит к поиску альтернативных армирующих материалов.

Была исследована прочность сцепления тростников отдельных видов ротанга в бетоне [43]. Сообщалось, что прочность может составлять примерно до 30% от прочности мягкой стали с бетоном. Было также исследовано использование целых тростников, волокон и трещин ротанговых тростей в качестве армирующих материалов в бетонных плитах [20]. Было отмечено, что тростники из ротанга остаются стабильными по прочности и размерам после 36 месяцев погружения в бетон, и что тростники могут использоваться в качестве усиления в слегка нагруженных конструкциях.В другом исследовании была также исследована и подтверждена пригодность бамбука ( Bambusa vulgaris ) в качестве альтернативного армирующего материала в бетонных плитах [44], а также пригодность бамбука и ротангового тростника в качестве армирования в бетонных стойках [45]. Сообщалось, что средняя прочность на сжатие стоек, армированных бамбуком и ротангом, составляла около 78 и 64% от эквивалентной стальной арматуры, что указывает на то, что оба материала могут быть использованы в качестве замены стали в стойках конструкций с низкой несущей способностью.

Также было подтверждено потенциальное использование ствола масличной пальмы ( Elaeis guineensis ) в качестве арматуры в бетоне [46], а также пригодность ротангового тростника для изготовления железобетонной балочной перемычки в сельском строительстве в Нигерии [30]. Размеры бетонной перемычки составляли 0,23 м × 0,254 м × 1,37 м, в то время как средний диаметр стеблей ротангового тростника составлял 30 мм. Их вымачивали в воде в течение 24 часов для обеспечения гибкости, выпрямляли вручную и разрезали на 4 длинных (1300 мм) и 12 коротких (187 мм) кусочков.Короткие куски были привязаны к длинным в качестве стремена с помощью связующих проводов, высушены на солнце в течение 2 дней до содержания влаги около 15%, а затем помещены в опалубку для литья трех бетонных перемычек шириной 0,23 м × 0,254 м × 1,37 м (рис. 15а). , б). Содержание цемента в бетоне было частично заменено 20% RHA для снижения щелочности. После 28 дней после литья опалубка была удалена, и было замечено, что перемычка была прямой без признаков деформации (Рисунок 15c). Следовательно, было успешно продемонстрировано, что трости из ротанга диаметром от 26 до 31.В качестве альтернативы стали в конструкции перемычки можно использовать 5 мм с сокращением производственных затрат до 54%.

Рис. 15.

(а) Усиление из тростникового ротанга, (б) отливка балки перемычки, (в) перекладина из отвержденного бетона через 28 дней. Источник: [23].