Poprawa właściwości połączenia międzyfazowego zaprawy geopolimerowej zbrojonej włóknami z odpadów tekstylnych do wzmacniania murów

Przekształcanie starych ubrań w mocniejsze ściany

Co roku dziesiątki milionów ton odzieży trafiają na wysypiska, podczas gdy cement używany do budowy domów i mostów odpowiada za znaczną część globalnych emisji dwutlenku węgla. W badaniu tym przeanalizowano nietypowy sposób rozwiązania obu problemów jednocześnie: wykorzystanie odrzuconych tkanin, wzmocnionych cienką powłoką z żywicy, razem z niskoemisyjną zaprawą „geopolimerową” do wzmocnienia murów ceglanych. Praca pokazuje, jak odpady tekstylne można przekształcić z problemu składowisk w materiał o wysokiej wydajności, służący do uczynienia starych budynków murowanych bezpieczniejszymi i trwalszymi.

Dlaczego mury z cegły potrzebują wsparcia

Mury z cegieł i bloczków od tysięcy lat stanowią trzon budownictwa, cenione za trwałość i zdolność przenoszenia dużych obciążeń. Tradycyjnie cegły łączy się zaprawą na bazie cementu portlandzkiego, piasku i wody. Choć skuteczna, produkcja cementu portlandzkiego jest bardzo energochłonna i odpowiada za około 8% światowych emisji dwutlenku węgla. Jednocześnie konwencjonalne zaprawy i starsze mury mogą mieć problemy podczas trzęsień ziemi lub innych ekstremalnych obciążeń, dlatego inżynierowie coraz częściej poszukują metod wzmacniania istniejących ścian bez konieczności ich całkowitej odbudowy.

Nowe zadanie dla odpadowych tkanin

Równolegle do tych wyzwań konstrukcyjnych świat zagarnia fala odpadów tekstylnych — ponad 90 milionów ton rocznie. Naukowcy postanowili przekształcić część tego strumienia odpadów w użyteczne zbrojenie do murów. Wzięli tkaninę poliestrowo-bawełnianą podobną do tej używanej w codziennej odzieży i pozostawili ją w stanie niezmienionym lub pokryli ją precyzyjnie odmierzonym ilościowo epoksydową żywicą za pomocą techniki szczotkowania. Ta cienka powłoka usztywnia tkaninę, poprawia jej przyczepność do otaczającej zaprawy oraz pomaga poszczególnym włóknom współpracować podczas ich rozciągania.

Bardziej ekologiczny „klej” do cegieł

Zamiast polegać wyłącznie na zwykłej zaprawie cementowej, zespół opracował też alternatywny spoiwo nazwane zaprawą geopolimerową. Geopolimery wytwarza się z produktów ubocznych przemysłu, takich jak popioły lotne czy żużle wielkopiecowe, aktywowanych roztworami alkalicznymi zamiast tradycyjnej chemii cementowej. Takie mieszanki mogą osiągać wysoką wytrzymałość, odporność na ciepło i chemikalia oraz znacznie redukować emisje dwutlenku węgla. Badacze przygotowali zaprawy geopolimerowe o trzech różnych stężeniach chemicznych — oznaczonych jako 8M, 10M i 12M — obok konwencjonalnej zaprawy cementowej i osadzili w nich pasy zarówno nieobrobionych, jak i pokrytych żywicą tekstyliów, tworząc zbrojone próbki murów.

Jak testowano nowy system

Aby zrozumieć, jak dobrze tkanina i zaprawa współpracują, zespół zmierzył podstawowe właściwości wytrzymałościowe zapraw oraz, co istotniejsze, jak mocno tekstylia wiążą się z murem. Odlewano małe kostki i pryzmy do oceny wytrzymałości na ściskanie i zginanie, stwierdzając, że mocniejsze mieszanki geopolimerowe zwykle przewyższały tradycyjną zaprawę cementową, zwłaszcza w późniejszych etapach dojrzewania. Dla zachowania wiązania użyto testu ścinania na pojedynczym zakładzie: część każdego pasa tekstylnego wklejono między warstwy zaprawy na powierzchni cegły, podczas gdy wolny koniec był ciągnięty przez maszynę wytrzymałościową. Rejestrując siłę i przemieszczenie tekstyliów, badacze mogli ocenić, jak skutecznie zaprawa chwyta tkaninę i jak dochodzi do uszkodzenia układu.

Co się stało, gdy ciągnięto tkaniny

Wyniki wykazały wyraźną przewagę tkanin pokrytych żywicą. We wszystkich rodzajach zaprawy tkaniny poddane obróbce przenosiły znacznie wyższe naprężenia rozciągające — około 48–60% więcej — zanim uległy zerwaniu. Jednocześnie ilość poślizgu między tkaniną a zaprawą przy maksymalnym obciążeniu zmniejszyła się mniej więcej o połowę, z około 9–9,5 mm dla tekstyliów nieobrobionych do około 4,3–4,8 mm dla tkanin traktowanych żywicą. W praktyce oznacza to, że poprawione połączenie pozwala tkaninie pełniej zaangażować się i dzielić obciążenie zamiast po prostu się wyślizgiwać. Co istotne, każda próbka zawiodła przez przerwanie tkaniny w obrębie strefy związanej, podczas gdy zaprawa i cegła pozostały nienaruszone — pożądany tryb, który pokazuje, że połączenie między warstwami jest mocniejsze niż sama tkanina.

Znajdowanie optimum w nowej zaprawie

Wśród mieszanek geopolimerowych wersja 10M dała najlepsze ogólne wyważenie właściwości. Była na tyle wytrzymała i zwarta, by pewnie zakotwić tkaninę, a jednocześnie wystarczająco plastyczna, by zaprawa mogła wniknąć w szczeliny między włóknami i wokół pęczków pokrytych żywicą. Najmocniejsza mieszanka 12M zapewniała doskonałą wytrzymałość podstawową, lecz była bardziej sztywna i kruchejsza, co nieco ograniczało dalsze korzyści w zakresie połączenia. Mimo to tkaniny pokryte żywicą we wszystkich zaprawach geopolimerowych osiągały wytrzymałości połączenia i efektywność porównywalną lub lepszą niż wiele systemów opartych na drogich, zaawansowanych włóknach jak włókno węglowe czy bazaltowe.

Co to oznacza dla budynków i odpadów

Dla osób niezwiązanych ze specjalistyczną dziedziną przesłanie jest proste: przez lekkie pokrycie odpadkowych tkanin i osadzenie ich w bardziej ekologicznym typie zaprawy inżynierowie mogą znacząco zwiększyć wytrzymałość i niezawodność murów ceglanych, jednocześnie wykorzystując materiały, które w innym przypadku zostałyby wyrzucone. Wzmocnione ściany odkształcają się w kontrolowany sposób, z tkaniną pracującą niemal do swojej pełnej nośności zanim ulegnie zerwaniu, a połączenie cegła–zaprawa pozostaje nienaruszone. Podejście to wskazuje na przyszłość, w której modernizacja starzejącej się zabudowy murowej na potrzeby odporności sejsmicznej lub zużycia nie musi zależeć od wysokoemisyjnego cementu czy kosztownych syntetycznych włókien. Zamiast tego starannie zaprojektowane kombinacje produktów ubocznych przemysłu i odrzuconych tkanin mogą zapewnić bezpieczniejszą, bardziej zrównoważoną drogę utrzymania naszego dziedzictwa budowlanego.

Cytowanie: Sai Krishna, A., VishnuPriyan, M. & Khan, N.A. Enhancing interfacial bond performance of waste textile-reinforced geopolymer mortar for masonry retrofitting. Sci Rep 16, 11513 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42217-4

Słowa kluczowe: zaprawa geopolimerowa, odpady tekstylne, wzmacnianie murów, wzmacnianie tekstylne, zrównoważone budownictwo