Innovative approaches to construction using eco-friendly materials for the construction of industrial infrastructure facilities

Abstract

The paper presented the results of an experimental study of the use of ecological materials for the construction of industrial infrastructure facilities, conducted during 2022-2024. Based on a series of standardised tests, a comparative analysis of the physical and mechanical characteristics of conventional and environmental materials (steel/recycled steel, ordinary/geopolymer concrete, mineral wool/flax and hemp shives, ceramic tiles/bamboo panels) was carried out. It was established that ecological materials reach 85-95% of the strength indicators of conventional analogues while reducing the weight of structures by 30-40%. The reduction of energy consumption of buildings by 25-35% and reduction of CO2 emissions during production by 40-60% was confirmed. The study of physical and mechanical properties showed that recycled steel shows a decrease in tensile strength by only 5-8% with a reduction in the weight of structures by 3%, and geopolymer concrete shows a decrease in compressive strength by 10% compared to concrete. Thermal insulation materials based on flax and hemp shives showed an increase in thermal conductivity by 10% with a significant decrease in density by 60%. Durability tests had shown a 25% reduction in frost resistance and 20-25% reduction in fire resistance, which requires the development of additional technical solutions. Technical and economic analysis of the life cycle had shown that despite the higher initial cost of environmental materials by 15-20%, their use reduces operating costs by 30-40%. The most significant reduction in heating and cooling costs was by 35-40%. The possibility of recycling 85-90% of materials has been confirmed, which reduces recycling costs by 50-60%. Based on the results of accelerated ageing tests, it was found that the service life of structures made of eco-friendly materials reaches 20-25 years while maintaining the main operational characteristics. Increased resistance of geopolymer concretes to aggressive media was revealed – maintaining up to 90% strength after prolonged exposure to chemically active substances. Practical recommendations on the ion and use of ecological materials were developed, considering the specifics of the operation of industrial facilities, and a methodology for comprehensive assessment of their effectiveness was proposed.

У статті представлено результати експериментального дослідження застосування екологічних матеріалів для будівництва об’єктів виробничої інфраструктури, проведеного впродовж 2022-2024 років. На основі серії стандартизованих випробувань здійснено порівняльний аналіз фізико-механічних характеристик традиційних та екологічних матеріалів (сталь/перероблена сталь, звичайний/геополімерний бетон, мінеральна вата/костра льону та конопель, керамічна плитка/бамбукові панелі). Встановлено, що екологічні матеріали досягають 85-95 % міцнісних показників традиційних аналогів при зменшенні ваги конструкцій на 30-40 %. Підтверджено зниження енергоспоживання будівель на 25-35 % та скорочення викидів CO2 при виробництві на 40-60 %. Дослідження фізико-механічних властивостей виявило, що перероблена сталь демонструє зниження міцності на розтяг лише на 5-8 % при зменшенні ваги конструкцій на 3%, а геополімерний бетон показує зниження міцності на стиск на 10 % порівняно з бетоном. Теплоізоляційні матеріали на основі костри льону та конопель продемонстрували підвищення теплопровідності на 10% при значному зниженні щільності на 60 %. Випробування на довговічність показали зниження морозостійкості на 25 % та вогнестійкості на 20-25 %, що вимагає розробки додаткових технічних рішень. Техніко-економічний аналіз життєвого циклу продемонстрував, що незважаючи на вищу початкову вартість екологічних матеріалів на 15-20 %, їх застосування забезпечує зниження експлуатаційних витрат на 30-40 %. Найбільш суттєвим є скорочення витрат на опалення та охолодження на 35-40%. Підтверджено можливість повторної переробки 85-90 % матеріалів, що знижує витрати на утилізацію на 50-60 %. За результатами прискорених випробувань на старіння встановлено, що термін експлуатації конструкцій з екологічних матеріалів досягає 20-25 років при збереженні основних експлуатаційних характеристик. Виявлено підвищену стійкість геополімерних бетонів до агресивних середовищ – збереження до 90 % міцності після тривалого впливу хімічно активних речовин. Розроблено практичні рекомендації щодо вибору та застосування екологічних матеріалів з урахуванням специфіки експлуатації промислових об’єктів та запропоновано методику комплексної оцінки їх ефективності