Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
In the context of growing demands for environmental sustainability and cost reduction of construction materials, the development of composites based on recycled components is of particular scientific and practical interest. This study investigates the strength characteristics of a new composite material based on cement, wood waste, and recycled PET. The experimental part of the research included laboratory tests of 30 material samples conducted in 2024-2025 in accordance with ASTM standards. The results showed that the compressive strength of the material ranges from 12.4 to 14.5 MPa, which is comparable to the characteristics of traditional expanded clay concrete. The flexural strength reached 3.8-4.5 MPa due to the reinforcing effect of the wood-polymer components. The material demonstrates high frost resistance, retaining over 90% of its strength after 50 freeze-thaw cycles, while low water absorption (4.5%) ensures its durability under high humidity conditions. The key advantages of the developed composite are competitive strength characteristics, increased durability, and environmental efficiency through the use of secondary materials. Future research prospects are associated with studying the long-term behavior of the material in various climatic conditions and optimizing its rheological properties.
composite materials, wood waste, polyethylene terephthalate, cement, sand, strength characteristics
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Современная строительная отрасль переживает смену парадигмы сторону устойчивого развития, где ключевое значение приобретают материалы, сочетающие экологическую безопасность и
высокие эксплуатационные характеристики [1]. Композиты на основе цемента, древесных отходов и полиэтилентерефталата (ПЭТ) представляют особый интерес благодаря возможности утилизации промышленных отходов и создания материалов с программируемыми свойствами [2]. Многочисленные исследования демонстрируют потенциал таких систем для применения в промышленном строительстве, что обусловлено их способностью удовлетворять требованиям как к механическим характеристикам, так и к тепловой эффективности [3].
Переходя к фундаментальным аспектам создания композитов, следует отметить, что основной проблемой является обеспечение совместимости разнородных компонентов [4]. Экспериментальные исследования выявили, что водорастворимые экстрактивные вещества древесины значительно ингибируют процессы гидратации цемента [5]. Для решения этой проблемы предложены различные методы предварительной модификации древесных заполнителей, включая химическую обработку и термическую модификацию, которые позволяют минимизировать негативное влияние органической фазы на формирование цементного камня [6].
В контексте оптимизации структуры материала особый интерес представляют работы по созданию тройных систем "цемент-древесина-ПЭТ" [7]. Проведенные исследования демонстрируют, что ПЭТ-волокна, введенные в оптимальном количестве, способны не только компенсировать хрупкость древесно-цементной матрицы, но и существенно улучшить ее прочностные характеристики [8]. Микроструктурный анализ подтверждает, что при использовании специальных модифицирующих добавок происходит формирование устойчивых межфазных границ, обеспечивающих эффективное перераспределение напряжений в композитной системе [9].
Рассматривая функциональные характеристики разрабатываемых материалов, следует подчеркнуть их уникальное сочетание механических и теплофизических свойств [10]. Достигаемые значения прочности при сжатии позволяют использовать композиты в конструкционных элементах промышленных зданий, в то время как пониженная плотность и улучшенные теплоизоляционные характеристики открывают возможности для их применения в ограждающих конструкциях [11]. Важным аспектом является изучение долговечности материалов в различных условиях эксплуатации, где проведенные испытания подтверждают сохранение эксплуатационных характеристик при циклическом замораживании-оттаивании и воздействии агрессивных сред [12].
Что касается технологических аспектов производства, то современные исследования охватывают широкий спектр процессов переработки композитных смесей [13]. Наибольшую эффективность демонстрируют методы, основанные на прессовании и экструзии, которые обеспечивают достижение высокой степени однородности структуры материала [14]. Разработанные реологические модели позволяют точно прогнозировать поведение композитных смесей на различных стадиях переработки, что является важным условием для оптимизации технологических параметров [15].
Перспективным направлением представляется адаптация аддитивных технологий для производства элементов строительных конструкций [16]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что образцы, полученные методом 3D-печати, демонстрируют соответствие предъявляемым требованиям как по точности геометрических параметров, так и по стабильности физико-механических характеристик, что открывает новые возможности для цифровизации строительной отрасли [17].
Анализируя экологические аспекты, необходимо отметить, что комплексная оценка жизненного цикла подтверждает значительный потенциал разрабатываемых материалов в контексте устойчивого развития [18]. Расчеты демонстрируют существенное снижение углеродного следа по сравнению с традиционными строительными решениями, при этом особое внимание уделяется вопросам утилизации материалов после окончания срока службы [19]. В экономическом плане анализ свидетельствует о целесообразности внедрения композитов при наличии стабильных источников сырьевых ресурсов, где оптимизация транспортных потоков позволяет минимизировать затраты на производство [20].
Переходя к вопросам практической реализации, следует отметить накопленный опыт применения композитных материалов в виде стеновых панелей, теплоизоляционных материалов и элементов несъемной опалубки [21]. Проведенные натурные испытания подтвердили соответствие заявленных характеристик реальным эксплуатационным условиям, при этом особый интерес представляют разработки в области создания многофункциональных строительных систем, сочетающих несущую способность и энергоэффективность [22].
Цель работы - разработка и изучение свойств инновационного композиционного строительного материала на основе портландцемента, древесных отходов (опилок и стружки) и переработанного полиэтилентерефталата (ПЭТ). Исследование направлено на создание конкурентоспособного материала с высокими механическими и эксплуатационными характеристиками, пригодного для применения в строительстве.
Материалы и методы
Объект и предмет исследований Объектом исследования являются композиционные материалы на основе цемента, модифицированные древесными отходами и переработанным полиэтилентерефталатом. Предмет исследования - строительный материал, обладающий высокими технико-механическими характеристиками, полученный путем рационального сочетания цементной матрицы, древесного наполнителя и полимерной фазы.
Характеристика сырьевых материалов В качестве основного вяжущего использовался портландцемент марки М400 со средней плотностью 3,0-3,2 г/см³, удельной поверхностью 300-350 м²/кг и стандартными сроками схватывания: начало - не ранее 45 минут, конец - не позднее 10 часов. Прочностные показатели цемента составляли: прочность на сжатие в 28 суток 39,2-49,0 МПа, прочность на изгиб 5,4-6,4 МПа.
Древесная составляющая включала два фракционных типа отходов: мелкодисперсные опилки размером 0,1-1 мм с влажностью 8-12% и древесную стружку размером 1-5 мм с плотностью 350-450 кг/м³ и зольностью не более 1,5%. Химический состав древесных отходов характеризовался содержанием целлюлозы 40-50%, лигнина 20-30%, гемицеллюлоз 15-25% и экстрактивных веществ 2-5%(рисунок 1).
Рисунок 1. Древесная стружка
Figure 1. Wood shavings
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
Полимерный компонент представлял собой хлопья из переработанного ПЭТ с размером частиц 2-8 мм, толщиной 0,2-0,5 мм, плотностью 1,38 г/см³, температурой плавления 220-230°C и степенью кристалличности 30-40%.
Методика подготовки компонентов Древесные отходы подвергались предварительной сушке до остаточной влажности 3-5%. Подготовка ПЭТ-компонента включала механическое измельчение, воздушную сепарацию и поверхностную активацию 10% раствором NaOH. Критериями отбора материалов служили постоянство физико-химических характеристик, отсутствие токсичных примесей и воспроизводимость свойств (рисунок 2).
Рисунок 2. Сушильный шкаф
Figure 2. Drying cabinet
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
Требования к качеству компонентов Для древесных наполнителей установлены требования: содержание коры не более 5%, отсутствие грибковых поражений, однородность фракционного состава. Для ПЭТ-компонента определены: степень очистки от органических загрязнений не ниже 90%, содержание полиолефинов не более 5%.
Предложенный состав и методика подготовки компонентов обеспечивают точное дозирование, контролируемое фазовое взаимодействие в композите и воспроизводимость экспериментальных результатов.
Методология экспериментальных исследований
Критерии качества компонентов К древесным наполнителям предъявлялись специальные требования, включающие ограничение массовой доли коры до 5%, отсутствие микологических поражений и высокая степень однородности фракционного состава. Для полимерной составляющей регламентировалась степень очистки от органических загрязнений не менее 90% при максимальном содержании полиолефинов 5%. Подобный подход к подбору компонентного состава обеспечил возможность прецизионного дозирования, управляемого фазового взаимодействия в композитной системе и воспроизводимости экспериментальных данных.
Технология получения опытных образцов Процесс изготовления образцов осуществлялся в два технологических этапа. На подготовительной стадии проводили кондиционирование древесных компонентов путем сушки до нормативной влажности и механическую очистку ПЭТ-хлопьев от поверхностных загрязнений.
Ключевой операцией являлся процесс карамелизации, реализуемый при термомеханическом воздействии в смесительном оборудовании при температуре 230°C в течение 15-20 минут. В данных режимных параметрах достигалось полное обволакивание древесных частиц полимерной пленкой без термической деструкции целлюлозной составляющей(рисунок 3).
Рисунок 3. Гранулы карамелизованных в ПЭТ древесных отходов
Figure 3. Caramelized wood waste pellets in PET
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
На основном технологическом этапе осуществляли последовательное введение компонентов в бетоносмеситель. Первоначально проводили гомогенизацию карамелизованных гранул с кварцевым песком фракции 0,1-0,6 мм в течение 5-7 минут, в результате чего абразивное воздействие песчаных частиц создавало развитую адгезионную поверхность на гранулах. Затем вводили цементное вяжущее с последующим затворением системы расчетным количеством воды.
Реологические параметры смеси Свежеприготовленная смесь характеризовалась следующими технологическими показателями:
·подвижность по методике СтройЦНИЛ составляла 3-4 см;
·сроки сохранения удобоукладываемости находились в интервале 90-120 минут;
·средняя плотность смеси варьировалась в пределах 1150-1250 кг/м³.
Формование опытных образцов для механических испытаний выполняли методом вибропрессования (рисунок 4) с последующим твердением в нормальных условиях (рисунок 5).
Рисунок 4. Лабораторное вибропрессовое
оборудование
Figure 4. Laboratory vibratory pressing equipment
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
Методы оценки свойств композита Для комплексной характеристики материала применяли стандартизированные методы испытаний. Определение прочности на сжатие проводили на образцах-кубах размером 100×100×100 мм в соответствии с требованиями ГОСТ в возрасте 7, 28 и 90 суток. Испытания выполняли на прессах с постоянной скоростью нагружения до момента разрушения образцов.
Водопоглощение оценивали гравиметрическим методом после выдержки образцов в водной среде в течение 24 и 72 часов. Данный показатель является критически важным для прогнозирования долговечности материала в условиях эксплуатации при повышенной влажности.
Морозостойкость определяли путем циклических испытаний, включающих 50 последовательных циклов замораживания при -20°C и оттаивания при +20°C. После завершения циклических воздействий проводили оценку изменения прочностных характеристик и визуальный анализ состояния поверхности образцов.
Дополнительно выполняли испытания на стойкость к химическим воздействиям и УФ-излучению для оценки эксплуатационной стабильности материала в различных условиях.
Рисунок 5. Опытный образец строительного блока
Figure 5. Prototype of a building block
Источник - собственные фотографии авторов
Source: the authors' own photographs
1. Caldarola B., Mazzilli D., Napolitano L., Patelli A., Sbardella A. Economic complexity and the sustainability transition: a review of data, methods, and literature. Journal of Physics: Complexity. 2024; 5(2): 022001. DOI:https://doi.org/10.1088/2632-072X/ad4f3d.
2. Ulewicz M. Recycled Materials in Civil Engineering Application. Materials (Basel). 2023; 16(22): 7075. DOI:https://doi.org/10.3390/ma16227075.
3. Albayati A.H., Al-Mosawe H., Maher A.M., Al-Ani A.F., Moudhafar M.M. Performance Evaluation of Composite CNT/PE-Modified Asphalt Concrete at Binder, Mixture, and Pavement Levels. Civil Engineering Journal. 2025; 11(10): 4380–4398. DOI:https://doi.org/10.28991/CEJ-2025-011-10-022.
4. Yin F., West R., Powell B., DuBois C.J. Short-Term Performance Characterization and Fatigue Damage Prediction of Asphalt Mixtures Containing Polymer-Modified Binders and Recycled Plastics. Transportation Research Record. 2025; 2679(1): 742–759. DOI:https://doi.org/10.1177/03611981221143119.
5. Hasnat M.R., Hassan M.K., Saha S.A. Comprehensive Review of Aluminium Composite Panels: Current Research, Challenges, and Future Research Direction. Journal of Composites Science. 2025; 9(7): 319. DOI:https://doi.org/10.3390/jcs9070319.
6. Xiao J., Han N., Li Y. et al. Review of recent developments in cement composites reinforced with fibers and nanomaterials. Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2021; 15: 1–19. DOI:https://doi.org/10.1007/s11709-021-0723-y.
7. Srivabut C., Homkhiew C., Rawangwong S. et al. Possibility of using municipal solid waste for manufacturing wood-plastic composites: effects of natural weathering, wood waste types, and contents. Journal of Material Cycles and Waste Management. 2022; 24: 1407–1422. DOI:https://doi.org/10.1007/s10163-022-01443-4.
8. Yao X., Pei Z., Zheng H., Guan Q., Wang F., Wang S., Ji Y. Review of Mechanical and Temperature Properties of Fiber Reinforced Recycled Aggregate Concrete. Buildings. 2022; 12(8): 1224. DOI:https://doi.org/10.3390/buildings12081224.
9. Macías-Silva M.A., Cedeño-Muñoz J.S., Morales-Paredes C.A., Tinizaray-Castillo R., Perero-Espinoza G.A., Rodríguez-Díaz J.M., Jarre-Castro C.M. Nanomaterials in construction industry: An overview of their properties and contributions in building house. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2024; 10: 100863. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cscee.2024.100863.
10. Turoboś P., Przybysz P. Comparative Study of Cement Composites Reinforced with Cellulose and Lignocellulose Fibers. Fibers. 2025; 13(9): 128. DOI:https://doi.org/10.3390/fib13090128.
11. Signorini C., Volpini V. Mechanical Performance of Fiber Reinforced Cement Composites Including Fully-Recycled Plastic Fibers. Fibers. 2021; 9(3): 16. DOI:https://doi.org/10.3390/fib9030016.
12. Vaculik S., Matschei T. Fire Resistance of Wood Fiber Reinforced Concrete. In: Amziane S., Merta I., Page J. (eds) *Bio-Based Building Materials. ICBBM 2023. RILEM Bookseries*. 2023; vol 45. Springer, Cham. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-031-33465-8_38.
13. Stojkovic M., Butt J. Industry 4.0 Implementation Framework for the Composite Manufacturing Industry. Journal of Composites Science. 2022; 6(9): 258. DOI:https://doi.org/10.3390/jcs6090258.
14. Amadi I.G., Mahachi J. Towards Sustainable Concrete: Current Trends and Future Projections of Supplementary Cementitious Materials in South Africa. Construction Materials. 2025; 5(3): 70. DOI:https://doi.org/10.3390/constrmater5030070.
15. Amadi I.G., Mahachi J. State-of-the-art review on construction and demolition waste: The South African context. Cleaner Waste Systems. 2025; 11: 100251. DOI:https://doi.org/10.1016/j.clwas.2025.100251.
16. Hasibuan G.C.R., Al Fath M.T., Yusof N., Dewi R.A., Syafridon G.G.A., Jaya I., Anas M.R., Syahrizal. Integrating circular economy into construction and demolition waste management: A bibliometric review of sustainable engineering practices in the built environment. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2025; 11: 101159. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cscee.2025.101159.
17. Ajith A., Swapna M.S., Sankararaman S. Clay-plastic-biodegradable waste composite as low carbon construction material: A way to sustainable development. Construction and Building Materials. 2025; 488: 142151. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.142151.
18. Paglia C., Mosca C., Giner Cordero E. Properties and durability of recycled concrete with mixed granulates: Application for infrastructures. In: Life-Cycle of Structures and Infrastructure Systems. 1st ed. CRC Press; 2023.
19. Ghosh G., Bhattacharyya R., Penumadu D. Advances in Multi-functional Composite Materials: Applications and Opportunities in Automotive Industry. SSRN Electronic Journal. 2024. DOI:https://doi.org/10.2139/ssrn.5081906.
20. Fartash Naeimi, E., Selvi, K. Ç., & Ungureanu, N. (2025). Exploring the Role of Advanced Composites and Biocomposites in Agricultural Machinery and Equipment: Insights into Design, Performance, and Sustainability. Polymers, 17(12), 1691. https://doi.org/10.3390/polym17121691
21. Zhao J., Li S., Zhang Z. Integrated composite wall with geopolymer permanent insulation formwork: Interface bonding behavior and mechanism. Construction and Building Materials. 2023; 403: 133110. ISSN 0950-0618. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133110.
22. Li H., Saleh M.S., Zhao J., Wang H., Liu H., Iqbal M.S. Bending performance of a novel geopolymer non-dismantling sandwich insulation formwork: Experimental, theoretical, and numerical simulation. Engineering Structures. 2025; 333: 120180. ISSN 0141-0296. DOI:https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2025.120180.
23. Oladele I.O., Oki V.O., Omotosho T.F., Adebanjo M.B., Ayanleye O.T., Adekola S.A. Sustainable polymer and polymer-based composite materials for extreme conditions and demanding applications – A review on pushing boundaries in materials science. Next Materials. 2025; 8: 100775. DOI:https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2025.100775.
24. Li M., Zhong J., Li G., Zhang Q., Cen F., Gao P. Study on the Performance of Polymer-Modified Conductive Cement-Based Materials. Buildings. 2023; 13(12): 2961. DOI:https://doi.org/10.3390/buildings13122961.
25. Bao W., Zhao J., Guo B., Li S., Shen J., Liu M., Han J., Xing S., Hu M., Guo J. The Mechanical Reinforcing Mechanism and Self-Healing Properties of Biomimetic Hybrid Cement Composites via In-Situ Polymerization. Materials. 2025; 18(16): 3763. DOI:https://doi.org/10.3390/ma18163763.
26. Bołtryk M., Pawluczuk E., Kalinowska-Wichrowska K. et al. The influence of two-stage mineralization of organic fillers on the properties of cement composites. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2025; 25: 127. DOI:https://doi.org/10.1007/s43452-025-01170-1.
27. Ba L., Trabelsi A., Ngo T.T., Pliya P., El Abbassi I., Kane C.S.E. Thermal Performance of Bio-Based Materials for Sustainable Building Insulation: A Numerical Study. Fibers. 2025; 13(5): 52. DOI:https://doi.org/10.3390/fib13050052.
28. Tan S.Q., Lim N.H.A.S., Saleh A.T., Wei K.E.L., Samadi M., Huseien G.F. A Bibliometric Review of Lightweight Aggregate Geopolymer Concrete. CivilEng. 2024; 5(4): 892-927. DOI:https://doi.org/10.3390/civileng5040046.
29. Kočí V., Maděra J., Jerman M. et al. Experimental Determination of Frost Resistance of Autoclaved Aerated Concrete at Different Levels of Moisture Saturation. International Journal of Thermophysics. 2018; 39: 75. DOI:https://doi.org/10.1007/s10765-018-2398-8.
30. HaitherAli H., Anjali G. Circular Economy in Construction Sector—a Guideline for Policy Makers from Global Perspective. Circular Economy and Sustainability. 2024; 4: 1285–1313. DOI:https://doi.org/10.1007/s43615-023-00321-x.
31. Lindhard S.M., Wyke S., Mahami H., Vaezzadeh S.S., Svidt K. Waste Generation Predictions and On-Site Waste Management: A Danish Perspective. Sustainability. 2023; 15(5): 4207. DOI:https://doi.org/10.3390/su15054207.
