Opracowanie i zbadanie ekologicznych budowlanych kompozytów wapiennych modyfikowanych ekstraktami sfermentowanych roślin

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację projektu badawczego

OPUS 30

Lider: Politechnika Lubelska

Partner: Politechnika Warszawska

Tytuł projektu: Opracowanie i zbadanie ekologicznych budowlanych kompozytów wapiennych modyfikowanych ekstraktami sfermentowanych roślin

Tytuł w j. angielskim: Development and testing of ecological lime-based building composites modified with extracts of fermented plants

Numer umowy: UMO-2025/59/B/ST8/03063

Okres realizacji: 01.10.2026 - 30.09.2030

Wartość projektu: 3 124 260,00 PLN

Wartość przyznanych środków: 3 124 260,00 PLN

Budżet Politechniki Lubelskiej: 1 612 680,00 PLN

Budżet Politechniki Warszawskiej: 1 511 580,00 PLN

Kierownik projektu: dr inż. Przemysław Brzyski

Słowa kluczowe:  wapno, fermentacja, rośliny, karbonatyzacja, wytrzymałość mechaniczna, mikrostruktura, zachowanie cieplno-wilgotnościowe, modelowanie cieplno-wilgotnościowe

Streszczenie popularnonaukowe:

Projekt będzie realizowany w dyscyplinie inżynieria lądowa, geodezja i transport i dotyczy opracowania innowacyjnych, zrównoważonych materiałów budowlanych na bazie wapna powietrznego, paździerzy konopnych oraz fermentowanych ekstraktów roślinnych. Głównym celem badań jest określenie wpływu naturalnego dodatku organicznego na proces twardnienia, właściwości mechaniczne, fizyczne i wilgotnościowe kompozytów wapiennych, a także ocena możliwości ich zastosowania w energooszczędnych i ekologicznych przegrodach budowlanych.

Materiały na bazie wapna powietrznego charakteryzują się stosunkowo powolnym procesem twardnienia, co ogranicza ich wytrzymałość i trwałość, szczególnie w początkowym okresie dojrzewania. Stosowanie dodatków hydraulicznych może poprawiać właściwości mechaniczne i ograniczać nasiąkliwość, jednak niekiedy prowadzi do pogorszenia innych istotnych parametrów, w tym paroprzepuszczalności. W projekcie zaproponowano alternatywne rozwiązanie polegające na wykorzystaniu produktów fermentacji roślinnej. Przyjęto hipotezę, że dwutlenek węgla powstający podczas fermentacji może wspomagać karbonatyzację spoiwa wapiennego, również w głębszych warstwach kompozytu. Ponadto zawarte w ekstraktach związki organiczne, takie jak polifenole, taniny i kwasy tłuszczowe, mogą oddziaływać ze składnikami mineralnymi, wpływając na strukturę i właściwości materiału.

W ramach projektu zostanie opracowana technologia przygotowania dodatku organicznego oraz sposób jego wprowadzania do mieszanek wapiennych. Badania obejmą różne zawartości dodatku, metody i warunki fermentacji, a także zmienny udział paździerzy konopnych. Pozwoli to określić zależności między składem kompozytów, ich mikrostrukturą i właściwościami użytkowymi. Ocenione zostaną właściwości świeżych mieszanek, w tym konsystencja, lepkość, zawartość powietrza i zdolność zatrzymywania wody. W przypadku stwardniałych kompozytów przeprowadzone zostaną badania wytrzymałości na ściskanie, rozciąganie i zginanie, z uwzględnieniem różnych warunków wilgotnościowych oraz stężeń CO₂ podczas dojrzewania próbek. Analizie poddane zostaną również skurcz, paroprzepuszczalność, sorpcja wilgoci, ciepło właściwe, przewodność cieplna oraz podciąganie kapilarne.

W celu wyjaśnienia mechanizmów oddziaływania dodatków organicznych ze spoiwem mineralnym przeprowadzone zostaną szczegółowe badania mikrostrukturalne. Zastosowane będą m.in. porozymetria rtęciowa, dyfrakcja rentgenowska (XRD), spektroskopia w podczerwieni (FTIR), mikroskopia elektronowa i cyfrowa oraz mikrotomografia komputerowa (mCT). Uzyskane wyniki pozwolą powiązać zmiany struktury porowatej i składu fazowego z właściwościami fizykomechanicznymi i cieplno-wilgotnościowymi opracowanych materiałów.

Istotnym elementem projektu będzie modelowanie numeryczne w skali mikro- i makroskopowej, realizowane we współpracy z partnerem naukowym – Politechniką Warszawską. Na podstawie rzeczywistej mikrostruktury kompozytów odwzorowanej za pomocą mCT opracowany zostanie model umożliwiający przewidywanie efektywnych właściwości cieplno-wilgotnościowych, z uwzględnieniem anizotropii materiału. Drugi model posłuży do symulacji transportu ciepła i wilgoci w przegrodach wykonanych z nowych kompozytów oraz optymalizacji ich struktury warstwowej. Modele zostaną skalibrowane i zweryfikowane na podstawie wyników badań eksperymentalnych, obejmujących również dynamiczne procesy transportu ciepła i wilgoci. Zaplanowano ponadto badania na stanowisku ściennym, pozwalające ocenić zachowanie opracowanych przegród w warunkach zbliżonych do rzeczywistej eksploatacji.

Oczekiwanym rezultatem projektu będzie określenie możliwości zastosowania fermentowanych ekstraktów roślinnych jako naturalnych modyfikatorów kompozytów wapiennych, poprawiających ich wybrane właściwości bez istotnego pogorszenia zdolności do transportu pary wodnej i buforowania wilgoci. Zróżnicowanie składu mieszanek umożliwi wskazanie materiałów odpowiednich do zastosowań izolacyjnych, wykończeniowych i renowacyjnych. Wyniki projektu przyczynią się do rozwoju wiedzy w dyscyplinie inżynieria lądowa, geodezja i transport, szczególnie w obszarze inżynierii materiałów budowlanych, fizyki budowli oraz projektowania zrównoważonych przegród budowlanych o korzystnych parametrach użytkowych i środowiskowych.