|
|
|
|
|
|
|
| Hemp (CannabisSativa L.) is a fast growing, multi-purpose and annual herbaceous plant, and almost all parts of it are used for different product processing. Up to now the most commonly produced and used parts are fibers and seeds, but shives (woody core of hemp stalk) in most cases are considered as a by-product and burned or used as animal bedding, mulch, compost or chemical absorbent. However, recently, investigations of hemp shives have shown that their usage could be much wider, and that they could be turned into new, high-quality products with a higher added value. Nowadays, hemp shives as a local agricultural, renewable raw material are used in a wide range of applications such as paper, packaging, plastics and polymers, building materials (insulation, fiberboard, hemp concrete), construction products etc., which create a more viable market with new and high-quality products from hemp shives. It is considered that the application of hemp shives in hemp concrete is of great promise. Hemp concrete is a composite material which combines hempshives, biding aģents and water. The purpose of this study is to explore and producē light weight and self-bearing composite (hemp concrete) that can be used as a building material. This solution could be suitable for Latvia. |
|
Atslēgas vārdi: atjaunojamie resursi, kaņepes, spaļi, kaņepju betons. |
Sējas kaņepes ir augstvērtīgi kaņepju dzimtas viengadīgi augi, kas piemēroti audzēšanai
Latvijā. Kaņepju stublāja ārpusi klāj miza (epiderma), zem tās atrodas lūksnes šķiedras,
bet stublāja centrā – koksnes kodols (spaļi), kuru īpatsvars kaņepju sastāvā
ir apmēram 60–80% no kopējās stublāja masas. Spaļu šķiedras ir ļoti
īsas
(0,2–0,6 mm), to galvenās ķīmiskās komponentes, līdzīgi egles koksnei, ir
celuloze (34–48%), hemiceluloze (21–37%) un lignīns (16–28%) (1.
tab.). Ķīmiskā sastāva atšķirības nosaka šķirne, augsnes tips, klimatiskie
apstākļi un piemērotais agrotehnisko pasākumu komplekss (Troëdec,
2009).
| 1. tabula. Celulozes saturs koksnē, kokvilnā, linu, kaņepju šķiedrās /spaļos (Thygesen, 2006) | |||||||
|
Šķiedru sastāvs, % |
Celuloze, % |
Hemiceluloze, % |
Lignīns, % |
Pektīns, % |
Vasks, % |
Ūdenī šķīstošas komponentes, % |
|
|
Norvēģijas egle |
49 |
20 |
29 |
1 |
0 |
1 |
|
|
Kokvilna |
81 |
12 |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
|
Kaņepes |
Felina 34 |
64 |
14 |
5 |
5 |
0 |
8 |
|
Uso |
60 |
15 |
3 |
7 |
1 |
10 |
|
|
Futura 77 |
54 |
14 |
13 |
15 |
|||
|
Fedora 19 |
61 |
10 |
12 |
12 |
|||
|
Fedora 19 (spaļi) |
47–48 |
21–25 |
16–19 |
8–9 |
|||
|
Lini |
64 |
16 |
2 |
2 |
nav noteikts |
||
Līdz šim kaņepju spaļi galvenokārt izmantoti lopkopībai un lauksaimniecībai nepieciešamos produktos vai sadedzināti apstrādes rūpnīcās. Tomēr, ņemot vērā spaļu ķīmisko sastāvu un īpašības, šobrīd to pielietojums paplašinājies. Būvniecības jomā īpaša uzmanība pievērsta kaņepju kaļķbetonam ( turpmāk tekstā KK), kas veidots no spaļiem kā mazas tilpummasas pildvielas, ūdens un kaļķa, cementa saistvielām dažādās proporcijās.
KK ir daudzfunkcionāls un otrreiz pārstrādājams materiāls, kas absorbē CO2 cietēšanas procesā, tam nepieciešams neliels enerģijas patēriņš izstrādes, ekspluatācijas un demontāžas laikā. Materiālam piemīt augsta siltuma inerce, laba gaisa un mitruma caurlaidība, augsta ugunsdrošība un aizsardzība pret dažādiem insektiem, kukaiņiem un citas ekspluatācijā vērtīgas īpašības.
Variējot sastāvus un iestrādes tehnoloģijas, KK lietojumu spektrs var būt plašs – tie izmantojami gan senu un vēsturisku ēku saglabāšanā un atjaunošanā, gan jaunu karkasa tipa ēku būvniecībā kā pašnesošu sienu konstrukcijas materiālu ar siltumizolācijas īpašībām vai sienu pildmateriālu, apdares materiālu un jumtu, grīdu izolācijas materiālu (1. att.) (Bruijn, 2008; Allin, 2005; Arnaud, Cerezo, 2001).
|
|
|
| 1. att. Kaņepju kaļķbetons kā sienu materiāls un jumta izolācijas materiāls (Woolley, 2007) | |
KK var izliet veidņos (tamping, 2006), materiālu pakāpeniski sablietējot; izsmidzināt (spraying, 2008), izmantojot speciālu aprīkojumu, vai arī bloku veidā (blocks, 2007) (Bruijn, 2008; Ronchetti, 2007). Blietēšanas paņēmiens ir piemērots maziem projektiem (50–70 m3). Izsmidzināšanas metode vairāk piemērota lielākiem projektiem (> 70 m3), lai gan šīs metodes trūkums ir lieli materiāla zudumi. (Lhoist, 2011; Elfordyetal, 2010). Ja izmanto blokus, tiem ir jānostāvas, kamēr sacietē, rezultātā tas ir dārgāks variants, bet, ja blokus lej uz vietas, KK daudzas no priekšrocībām zaudē (Bruijn, 2008).
Šobrīd pasaulē jau ir realizēti vairāki projekti, kuros izmantots KK, piemēram, Francijā uzcelti vairāki simti māju, Apvienotajā Karalistē – Oksfordšīrā – pilnībā atjaunots uzņēmuma Lime Technology galvenais birojs (2007), izmantojot 110 m3 KK, un uzcelta trīsstāvu vides izglītības centra ēka Machynlleth Velsā. Īrijā Old Builders uzņēmuma īpašnieks Henrijs O’Tomsons (Henry O’Thompson), sadarbojoties ar Monaghan, pabeidzis pirmo īru kaņepju kaļķbetonu celtni Klonē (2004). Stīvs Alins (Steve Allin) ar līdzautoru Kerry ir uzskatāms par vienu no galvenajiem celmlaužiem Īrijā, kas izmantoja kaņepes būvniecībā, viņš arī 2005. gadā izdevis grāmatu Building with Hemp (Ronchetti, 2007; Coyle, 2004).
Mājām no KK ir daudz mazāka ietekme uz vidi kā tradicionālajām būvēm – mazāks enerģijas patēriņš izejmateriālu ieguvē, mazāks būvatkritumu daudzums un siltumapgādes patēriņš (Woolleyetal, 2007), turklāt šādās mājās ir komfortablāks iekštelpu klimats, ko palīdz nodrošināt materiāla samērā augstā siltuminerce. Šī īpašība apstiprinājusies BRE pārbaudēs Haverhilā (2001), tomēr, lai pierādītu KK priekšrocības salīdzinājumā ar citiem būvmateriāliem, vēl nepieciešams veikt pētījumus (Limetechnology, 2006; Woolley, 2006).
Kaņepju kaļķbetons ir elpojošs materiāls: novērš kondensātu veidošanos un samazina mitrumu ēkā, rezultātā mājas vide ir veselīgāka un dabīgāka, turklāt nepārtraukti tiek nodrošināts pietiekams mitruma līmenis (Ronchetti, 2007; Evrardetal, 2005; Evrard, 2006).
CO2 koncentrācijas samazināšanu Zemes atmosfērā var panākt, samazinot izmešu daudzumu vai piesaistot un uzkrājot CO2. Mežiem un koksnes produktiem, t. sk. kaņepēm, ir unikāla spēja nodrošināt abus šos emisiju samazināšanas veidus, jo kaņepes augšanas procesā absorbē CO2 un izdala O2. Kaņepju piesaistītais CO2 nenokļūst atmosfērā visa kaņepju izstrādājuma dzīves cikla laikā, kā arī pēc tā, ja tās produkciju pārstrādā un izmanto atkārtoti. KK saista CO2 no atmosfēras arī cietēšanas procesā, taču ekspluatācijas gaitā CO2 no atmosfēras neuzņem (Biedrība Zaļās mājas, 2010). Veģetācijas procesā kaņepes uzņemto CO2 pārveido glikozē, celulozē, hemicelulozē un lignīnā. CO2 molekulai sabrūkot, oglekli uzņem augs, bet skābeklis tiek izdalīts atmosfērā. Materiāli, ko izmanto sienu konstrukcijās tipiskajās mājās, rada desmitiem tonnu CO2 emisiju. Aizstājot visus vai dažus materiālus ar KK, var ietaupīt aptuveni līdz 50 t CO2 uz māju. Viens kubikmetrs KK saista ap 110 kg CO2, 300 mm bieza kompozīta siena saista 31 kg CO2 uz m2, bet 500 mm bieza – 53 kg/m2. Lai arī, dedzinot kaļķi, atmosfērā izdalās CO2, tas KK sastāvā, pateicoties kaņepju spaļiem, saista CO2, tāpēc var teikt, ka māja no KK ir CO2 neitrāla (Woolleyetal, 2007; HLCPA, 2006).
KK ir izturīgs pret dažādiem grauzējiem (piem., pelēm), kukaiņiem un baktērijām, līdz ar to tas saglabā savu higiēnisko līmeni nemainīgu samērā ilgi, jo kaļķis ir ideāls dabisko šķiedru konservants, turklāt insektiem nepatīk kaļķī esošais silīcijs (0 – 2% tīra kaļķakmens sastāvā ir mālains materiāls (SiO2+Al203+Fe2O3)).(Woolley, 2006)
Būvniecības materiālam ir svarīgas īpašības, ko tas nodrošina un kāds ir tā dzīves cikls, jo no tā ir atkarīgs pielietojums. Kaņepju spaļi ar saistvielām un ūdeni rada būvmateriālu ar mehāniskām, termiskām un akustiskām īpašībām, kas atšķiras no parastā betona: tam ir zemāks blīvums, mazāka siltuma vadītspēja un labāka skaņas izolācija, tomēr tas nav slodzi nesošs materiāls (2. tab.).
| 2. tabula. Kaņepju/kaļķa sienu maisījuma un citu materiālu īpašību salīdzinājums (Evrard, 2003; Bruijn, 2008) | ||||
|
Materiāls |
Junga modulis, |
Spiedes stiprība, |
Blīvums, |
Siltuma vadītspēja, |
|
Tērauds |
210 000 |
350–1 000 |
7 500–8 500 |
52 |
|
Betons |
20 000 |
12–80 |
2300 |
1,5 |
|
Šūnu betons |
1 000–2 500 |
5 |
420–1 250 |
0,14–0,23 |
|
Ķieģeļi |
10 000–2 5000 |
25–60 |
1 300–1 700 |
0,27–0,96 |
|
Koks |
230–20 000 |
4 | –34|| ¹ |
350–900 |
0,12–0,3 |
|
Kaņepju/ kaļķu sienu maisījums |
24 |
0,4 |
445 |
0,17 |
| ¹ | perpendikulāri koksnes šķiedrai, | | paralēli koksnes šķiedrai. | ||||
Kaņepju/ kaļķa sienu maisījuma sastāvs: 19% kaņepju spaļu, 31% kaļķu saistvielas, 50% ūdens. Kaļķu saistvielas maisījums: 75% hidratētais kaļķis, 15% ihidrauliskais kaļķis, 10% pucolāni un <5% citas piedevas.
Ņemot vērā iepriekš veiktos pētījumus un dažādos literatūras avotos pieejamo informāciju, var secināt, ka līdz šim lielākā problēma ir bijusi grūti prognozējama ūdens apmaiņa starp kaņepju spaļiem un saistvielām, jo trūkst datu par spaļu īpašībām un to granulu vispiemērotākajiem izmēriem (lielumu sadalījumu) kaļķbetonā, tāpēc ir vajadzīgi rūpīgi plānoti zinātniski pētījumi, vērsti uz sastāvu un tehnoloģiju izstrādi, lai pierādītu, ka KK var būt slodzi nesošs būvmateriāls un tam piemīt īpašības, kas atbilst būvniecības noteikumiem.
Šī pētījuma mērķis: izpētīt Latvijas atjaunojamo izejvielu – kaņepju spaļu – pielietošanas iespējas inovatīva un funkcionāla būvmateriāla izstrādē.
Pētījuma nolūkos izgatavoti paraugi veidnēs 10x10x10 cm un 35x35x10 cm no 2010. gadā SIA "Latgales lauksaimniecības zinātnes centrā" izaudzētajiem kaņepju spaļiem ("Pūriņi", "Bialobrzeskie") un cementa/kaļķa javas (2. att.).
|
| 3. att. Kaņepju kaļķa – cementa bloki |
Lai noteiktu optimālas kaņepju spaļu un saistvielu attiecības un tehnoloģiju mehāniski izturīga kaņepju kaļķbetona iegūšanai, tika izmantotas: 1) dažādas sastāvdaļu sajaukšanas metodes; 2) dažādas saistvielu proporcijas, nemainot spaļu daudzumu. Pēc cietēšanas procesa paraugiem noteikta spiedes stiprība un blīvums, bet plātnēm – siltumvadītspēja.
Pētījums un eksperimentālās pārbaudes veiktas Rīgas Tehniskajā universitātē Būvniecības fakultātē Materiālu un konstrukciju institūtā Betona izgatavošanas laboratorijā. Paraugiem noteikts blīvums ρ (kg/m3), spiedes stiprība (fc, MPa) un siltumvadāmība (λ, w/mK).
Eksperimentu rezultātā iegūts materiāls ar blīvumu robežās no 266 līdz 749 kg/m3 (vidējais blīvums ρ=525 kg/m3) (3. att.). Aptvertajās spaļu īpatsvara robežās kubveida paraugu blīvums praktiski lineāri samazinās, palielinoties gan "Pūriņu", gan "Bialobrzeskie" spaļu saturam maisījumā (vismazākais blīvums ir pie 43–44% spaļu īpatsvara sastāvā, bet visaugstākais – pie 18% spaļu). Plātnēm visaugstākais blīvums (708 kg/m3) ir paraugam, kura sastāvā ir tikai 12% spaļu, 32% dolomītu atsijas un 56% cementa/kaļķa javas, savukārt plātnēs ar 18% spaļu īpatsvaru sastāvā starp P S2 un B S2 blīvumi atšķiras nenozīmīgi.
|
| 3. att. P (y1) un B (y2) paraugu blīvums kā spaļu īpatsvara funkcija |
Spiedes stiprības rādītāji ir atkarīgi no maisījuma sastāva, materiāla aizpildījuma un cietēšanas laika. Literatūrā sastopamā spiedes stiprība KK ir robežās no 0,02 līdz 1,22 MPa. Šajā eksperimentā iegūti paraugi ar spiedes stiprību robežās no 0,15 MPa (B250 S1) līdz 1,39 MPa (P300+400 S4). Tā kā paraugu spiedes izturība ir relatīvi zema, atbilstošos sastāvus var izmantot kā pašnesošus sienu konstrukcijas materiālus, bet ne slodzi nesošajās konstrukcijās.
Plātnēm no kaņepju spaļiem un cementa/kaļķa javu siltumvadītspējas koeficienti praktiski neatšķiras (attiecīgi P S2 λvid = 0,127 W/mK, B S2 λvid = 0,121 W/mK), un tie ir līdzīgi kokšķiedru, kokskaidu plātnēm un labāki par magnezīta loksnēm, izdedžu betonu, bet zemāki par keramzītu, kūdras plāksni. Ņemot vērā to, ka testēto plātņu sastāvā spaļu īpatsvars ir tikai 18 % P S2 un B S2 plātnēs un tikai 12 % P S4 plātnēs, palielinot spaļu īpatsvaru, būtu iespējams nodrošināt labākas siltumizolācijas īpašības.
Kaņepju kaļķbetons ir salīdzinoši jauns un perspektīvs kompozītmateriāls, kas ar samērā vienkāršām tehnoloģijām veidojams, jaucot kaņepju spaļus, kaļķi un cementu proporcijās, kas atbilst paredzamajam lietojumam.
Latvijā pašlaik kaņepes tiek audzētas ~ 250 ha platībā. Ierobežojošs faktors kaņepju audzēšanas paplašināšanai Latvijā ir nepietiekamās pārstrādes iespējas un neattīstīts komerciālais tirgus kaņepju produktiem. Kaņepju spaļu izmantošana sienu būvmateriālos varētu attīstīt šo tirgu, tomēr vēl ir nepieciešams veikt virkni pētījumu, lai noskaidrotu spaļu ķīmisko sastāvu, tā ietekmi uz KK īpašībām, izveidotu tehnoloģiju spaļu sagatavošanai prognozējamas struktūras veidošanai un pierādītu, ka šis materiāls ir piemērots ekoloģiskas dzīvojamās vides veidošanai mūsu klimatiskajos apstākļos un to varētu veiksmīgi integrēt Latvijas būvmateriālu tirgū.
Eksperimentā izstrādātie sastāvi ļauj iegūt vieglus, pašnesošus sienu materiālus karkasa būvēm ar labu siltumvadītspēju, ko nākotnē iespējams vēl uzlabot.
PATEICĪBAS
Šis darbs izstrādāts ar Eiropas Sociālā fonda atbalstu projektā "Atbalsts RTU doktora studiju īstenošanai". Autors pateicas Rīgas Tehniskās universitātes Būvmateriālu un būvizstrādājumu profesoru grupai, kā arī Dr.agr. Venerandai Stramkalei par iespēju eksperimentālajā daļā izmantot SIA "Latgales lauksaimniecības zinātnes centrs" izaudzētos kaņepju spaļus.
Allin, S. (2005). Building with Hemp, SeedPress, Rusheens, Kenmare, Co. Kerry, Ireland, 192. p
Arnaud, L. &Cerezo, V. (2001). Qualification physique desmatériaux de construction à basede chanvre [Physical evaluation of construction materials based on hemp]. Ph.D. thesis. École Nationale des Travaux Publics del'État, Departement Genie Civilet Batiment (inFrench).
Biedrība Zaļās mājas: Klimata izmaiņas ir tepat blakus, [tiešsaiste]. [Skatīts 02.06.2011]. http://www.zalasmajas.lv/CO2/klimata-izmainas-ir-tepat-blakus/.
Bruijn P. (2008). Hemp Concretes: Mechanical Properties using both Shives and Fibres: LicentiateThesis, [tiešsaiste]. [Skatīts 20.04.2011]. http://diss-epsilon.slu.se:8080/archive/00001913/01/Lic_kappan_PdB.pdf.
Coyle, C. (2004). Don’t Be a Dope: Build with Hemp, The Sunday Times, 4th April 2004. Retrieved June 20, 2007, [tiešsaiste]. [Skatīts 20.05.2011]. http://www.iol.ie/~oldbuilders/oldbuilders/
Elfordy S., Lucas F., Tancret F., Scudeller Y., Goudet L. (2008). Mechanical and thermal properties of lime and hemp concrete (‘‘hempcrete’’) manufactured by a projection process. Construction and Building Materials. – No 22. – 2116–2123 p.
Evrard A. (2006). Sorption behaviour of Lime-Hemp Concrete and its relation to indoor comfort and energy demand : PLEA2006 – The 23rd Conference on Passive and Low Energy Architecture, 6–8 September,– 5 p. [tiešsaiste]. [Skatīts 15.05.2011]. http://edoc.bib.ucl.ac.be:81/ETD- db/collection/available/BelnUcetd05192008140409/restricted/PhD_AE_ Appendix_4.pdf
Evrard, A. & DeHerde, A. (2005). Bioclimatic envelopes made of lime and hemp concrete. CISBAT, September, Ecole Polytechnique Federale de Lausmane, Switzerland.
Hemp Lime Construction Products Association (HLCPA) (2006). Hemp and lime. Retrieved June 20, 2007, [tiešsaiste]. [Skatīts 14.03.2011]. http://www.hlcpa.co.uk/PDF/hlcpa%20leaflet%20final.doc
Lhoist Group (2011). Understanding Lime, [tiešsaiste]. [Skatīts 02.06.2011]. http://www.lhoist.co.uk/tradical/understanding-lime.html
Lime technology (2006). Tradical® Hemcrete® Information Pack. Retrieved June 20, 2007, [tiešsaiste]. [Skatīts 16.04.2011]. http://www.lime technology.co.uk/upload/documents/1173608499_tradical_information_pack.pdf
Priesnitz, R. Hemp for houses, [tiešsaiste]. [Skatīts 12.05.2011]. http://www.natural life magazine.com/0604/hemphouse.htm
Ronchetti, P. (2007). The Barriers to the Mainstreaming of Lime-hemp: a Systemic Approach, [tiešsaiste]. [Skatīts 12.05.2011]. www.visionecondivisa.it/.../MSc_dissertation_on_lime-hemp_ _Paolo_Ronchetti.pdf
Thygesen, A. (2006). Properties of hemp fibre polymer composites – An optimisation of fibre properties using novel defibration methods and fibre characterisation, [tiešsaiste]. [Skatīts 17.04.2011]. http://130.226.56.153/rispubl/bio/biopdf/ris-phd-11.pdf
Troëdec, L. M., Peyratout, S. Claire, Smith, A., Chotard, T. (2009). Influence of various chemical treatments on the interactions between hemp fibresand a lime matrix // JournaloftheEuropeanCeramicSociety. – Volume 29, Issue 10. – 1861–1868 pages
Woolley, T. &Bevan, R. (2007). Hemp and Lime Composite Construction Design Guidance, Tom Woolley Rachel Bevan Architects, NorthernIreland.
Woolley, T. (2006). Natural Building: A Guide to Materials and Techniques, The Crowood Press Ltd, Ramsbury, Marlborough, Wiltshire, UK.
|
|
Una Skrastiņa SOCIĀLI ATBILDĪGS PUBLISKAIS IEPIRKUMS |
Ingrīda Veikša AR AUTORTIESĪBĀM AIZSARGĀTA SATURA LIKUMĪGA IZMANTOŠANA UZŅĒMĒJDARBĪBĀ |
|
