Bio-Based Building Materials - Proceedings of ICBBM 2025

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Manufacturing of Bio-based Materials

   1. Frontmatter

   2. Rice Husk Bio-Aggregates for 3D Printing in Construction: Balancing Fresh and Hardened Properties

      Matheus Pimentel Tinoco, Romildo Dias Toledo Filho, Oscar Aurelio Mendoza Reales

      Das Kapitel untersucht das Potenzial von Reisschalen als nachhaltiges Bioaggregat in 3D-druckbaren Zementverbundwerkstoffen und adressiert das kritische Gleichgewicht zwischen frischen und gehärteten Eigenschaften. Reisschalen, ein weithin verfügbares landwirtschaftliches Nebenprodukt, werden auf ihre Fähigkeit hin untersucht, die Rheologie frischer Betonmischungen zu modifizieren und damit Ertragsstress, Viskosität und Extrudierbarkeit zu beeinflussen. Die Studie bewertet die grüne Festigkeit, die mechanische Leistung und die mikrostrukturellen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichem Reisschalen-Gehalt und zeigt sowohl Vorteile als auch Herausforderungen auf. Reisschalen erhöhen zwar den Ertragsdruck und die Strukturationsrate, verbessern die Bedruckbarkeit, erhöhen aber auch die Porosität und verringern die mechanische Festigkeit im gehärteten Zustand. Das Kapitel diskutiert die Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf nachhaltiges Bauen und betont die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Ansatzes, der sowohl frische als auch gehärtete Eigenschaften berücksichtigt. Abschließend werden Empfehlungen für weitere Forschungen und potenzielle Strategien zur Optimierung der Leistung von Reisschalen-basierten Verbundwerkstoffen ausgesprochen, die den Weg für innovative und umweltfreundliche 3D-Druckanwendungen im Bauwesen ebnen.

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   3. Fresh and Hardened Properties of Cellulose Fiber-Reinforced Mortars for 3D Printing in Construction

      Matheus Tinoco, Álvaro Marquez, Laura Ramallo, Gonzalo Barluenga, Oscar Mendoza Reales, Romildo Toledo Filho

      Das Kapitel untersucht die Integration von Zellulosefasern in Mörtel, die für den 3D-Druck entwickelt wurden, wobei der Schwerpunkt sowohl auf dem Frisch- als auch auf dem Härtezustand dieser Materialien liegt. Die Studie zeigt, dass Zellulosefasern den Zusammenhalt der Mischungen verbessern, den Streudurchmesser und den Einfall verringern und zugleich die grüne Festigkeit und den Elastizitätsmodul beeinflussen. Insbesondere fördern die Fasern im Laufe der Zeit einen Übergang von duktilen zu spröden Ausfallmodi, was die Verformbarkeit und Maßhaltigkeit des Materials während des 3D-Druckprozesses beeinflusst. Die Forschung hebt auch die verbesserte Biegefestigkeit von faserverstärkten Mörteln hervor, die dem Faserüberbrückungsmechanismus zugeschrieben wird, der die Rissausbreitung verringert. Ein höherer Fasergehalt kann jedoch die Haftung zwischen den Schichten beeinträchtigen und innere Defekte verursachen, die die Biegefestigkeit gedruckter Proben beeinträchtigen. Das Kapitel untersucht weiter die Extrudierbarkeit und Verarbeitbarkeit dieser Mischungen und demonstriert ihre Eignung für 3D-Druckanwendungen ohne Verstopfung der Düsen. Darüber hinaus untersucht die Studie die Kapillarabsorptionskinetik und zeigt, dass Cellulosefasern trotz relativ konstanter offener Porosität die Wasseraufnahme erhöhen. Diese umfassende Analyse liefert wertvolle Erkenntnisse über die mechanische Leistung und strukturelle Zuverlässigkeit von Zellulosefaserverstärkten Mörteln für den 3D-Druck und trägt zur Entwicklung robusterer und haltbarerer Materialien in der additiven Fertigung bei.

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   4. Microstructural and Hygric Properties of Miscanthus Aggregates

      Mohammed Yacine Benariba, Anh Dung Tran Le, Dang Mao Nguyen, Geoffrey Promis

      Das Kapitel untersucht die mikrostrukturellen und hygroskopischen Eigenschaften von Miscanthus-Aggregaten und hebt ihr Potenzial als biobasierte Dämmstoffe hervor. Die Studie verwendet Röntgen-Nanotomographie, um die komplizierte Porenstruktur von Miscanthus aufzudecken, und zeigt eine hohe Porosität von 69,9%, die zu seinen überlegenen Isolationseigenschaften beiträgt. Die Forschung beschäftigt sich mit den Wasserdampfsorptionsisothermen, die als "hygroskopischer Fingerabdruck" des Materials dienen, und wie sie von der Mikrostruktur beeinflusst werden. Es wurde gezeigt, dass Größe und Verteilung der Poren eine entscheidende Rolle bei der Adsorptionskapazität von Miscanthus spielen, wobei kleinere Aggregate bei höherer relativer Luftfeuchtigkeit eine etwas höhere Feuchtigkeitsadsorption aufweisen. Das Kapitel untersucht auch den Einfluss der Temperatur auf die Sorptionsisothermen und zeigt, dass eine erhöhte Temperatur die Wasseradsorptionskapazität der Aggregate verringert. Darüber hinaus modelliert die Studie die Sorptionsisothermen mit dem Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) -Modell und liefert damit ein umfassendes Verständnis des hygroskopischen Verhaltens von Miscanthus-Aggregaten. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Mikrostruktur bei der Beherrschung der hygrothermischen Eigenschaften biobasierter Materialien und ebnen den Weg für innovative Anwendungen in nachhaltigem Bauen und Umwelttechnologie.

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   5. Foam Formation Capacity of Water-Wood Suspensions

      Mônica Cristina Pinto, M’hamed Yassin Rajiv da Gloria, Romildo Dias Toledo Filho

      Der erhebliche Energieverbrauch des globalen Bausektors hat das Interesse an nachhaltigen Dämmstoffen geweckt. Dieses Kapitel befasst sich mit der Schaumbildungskapazität von Wasser-Holz-Suspensionen und stellt einen neuartigen Ansatz zur Herstellung leichter, poröser Materialien ohne chemische Schaummittel vor. Die Studie untersucht den Einfluss von Mischzeit, Geschwindigkeit und Konsistenz auf den Luftgehalt, die Schäumbarkeit und Stabilität von Schaumstoffen, die aus Holzstaub entstehen. Zu den wichtigsten Erkenntnissen zählen die Identifizierung optimaler Mischparameter für hohe Schaumvolumen und Stabilität sowie das Potenzial von Holzstaub als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Dämmstoffen. Im Kapitel werden auch die Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf die Entwicklung umweltfreundlicher Baumaterialien und die Reduzierung des Energieverbrauchs im Bausektor diskutiert. Durch die Untersuchung der Schaumbildungskapazität von Holzstaub bietet dieses Kapitel eine neue Perspektive auf nachhaltige Dämmstoffe und ihre Produktionsmethoden und macht es zu einer unverzichtbaren Lektüre für diejenigen, die an innovativen und umweltfreundlichen Lösungen interessiert sind.

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   6. Particle Size Influence on the Properties of Bamboo Bio-Concrete in Fresh and Hardened States

      Ludmilla Cardoso de Carvalho Gangorra, Vanessa Maria Andreola, Thaís Pinto Lôbo Siqueira, Romildo Dias Toledo Filho

      Die beträchtlichen Umweltauswirkungen der Bauindustrie haben die Entwicklung nachhaltiger Materialien vorangetrieben, und Biobeton hat sich als vielversprechende Alternative herauskristallisiert. In diesem Kapitel wird der Einfluss der Biokraftstoffgröße von Bambus auf die Eigenschaften von Biobeton sowohl in frischem als auch in gehärtetem Zustand untersucht. Durch die Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Anteile feiner und grober Bioaggregate ergeben sich entscheidende Erkenntnisse über Verarbeitbarkeit, Luftgehalt, Kapillarabsorption und Druckfestigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung des Anteils an groben Bioaggregaten die mechanische Leistung und Haltbarkeit von Biobeton verbessert und ihn zu einer praktikablen Option für nicht-strukturelle Anwendungen macht. Das Kapitel unterstreicht auch die Bedeutung des Schutzes von Biobeton vor direkter Wassereinwirkung, um eine langfristige Haltbarkeit zu gewährleisten. Mit detaillierten experimentellen Daten und praktischen Empfehlungen bietet dieses Kapitel eine überzeugende Untersuchung, wie die Optimierung der Partikelgrößenverteilung die Leistung von Biobeton verbessern und den Weg für nachhaltigere Baupraktiken ebnen kann.

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   7. Analysis of the Feasibility of Manufacturing Ceiling Panels Using Sawdust and Castor Oil Resin

      Sabrina da Rocha Paixão, Tâmiris Nathyara Neves Pires, Rian Vitor Flores Almeida, Renan José da Costa Ribeiro, Leila Cristina Nunes Ribeiro

      Die steigende Nachfrage nach Produkten auf Holzbasis hat zu einem erheblichen Anstieg der Abfallerzeugung geführt, der ökologische Herausforderungen mit sich bringt. Dieses Kapitel untersucht die Machbarkeit der Herstellung von Deckenpaneelen mit Sägemehl und Rizinusölharz und bietet eine nachhaltige Lösung für dieses Problem. Die Studie konzentriert sich auf die mechanischen Eigenschaften von Platten aus Angelim-Ferro, Cupiúba und Zeder mit Caferana, gebunden mit Rizinusöl-Harz. Die Paneele wurden auf Wasseraufnahme, Biegefestigkeit und Ausreißfestigkeit getestet, was die Übereinstimmung mit brasilianischen und internationalen Normen belegt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Verbundwerkstoffe nicht nur die Umweltbelastung verringern, sondern auch neue wirtschaftliche Chancen eröffnen. Die detaillierten experimentellen Verfahren und Ergebnisse bieten einen soliden Rahmen für die weitere Forschung und Anwendung in der nachhaltigen Bau- und Möbelindustrie. Das Kapitel unterstreicht das Potenzial dieser innovativen Materialien, zur Kreislaufwirtschaft und zu nachhaltigen Entwicklungszielen beizutragen, insbesondere bei der Verringerung von Abfall und der Förderung einer effizienten Nutzung natürlicher Ressourcen.

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   8. Influence of a Controlled Retardation Mechanism on 3D Printability and Engineering Performance of Geopolymer-Earth Materials

      Pitabash Sahoo, Souradeep Gupta

      Dieses Kapitel untersucht den Einfluss eines kontrollierten Retardierungsmechanismus auf die 3D-Druckbarkeit und die technische Leistung von Geopolymer-Erde-Materialien, wobei der Schwerpunkt auf der Verwendung von Saccharose als Retarder liegt. Die Studie hebt die ökologischen Vorteile von Erdkonstruktionen hervor, die wirtschaftlich, lokal verfügbar und CO2-arm sind und zu einer Kreislaufwirtschaft beitragen. Allerdings leiden diese Materialien häufig unter verminderter mechanischer Leistung, wenn sie Wasser ausgesetzt sind, und müssen stabilisiert werden, typischerweise mit Ordinary Portland Cement (OPC), was die CO2-Bilanz erhöht. Geopolymere als alternatives Bindemittel bieten eine bessere Bindung aufgrund des hohen pH-Wertes, der die Auflösung von Al und Si aus Tonmineralen erhöht. Das Kapitel untersucht das Potenzial des 3D-Drucks, um Arbeitskräftemangel und Zeitverbrauch im Erdbau zu bekämpfen und die Digitalisierung und Automatisierung voranzutreiben. Die Forschung zeigt, dass die Zugabe von Saccharose als Retarder die offene Druckzeit, Extrudierbarkeit und Baubarkeit von Geopolymer-Erde-Materialien signifikant verbessert. Saccharose bindet sich chemisch mit Kationen im Geopolymer, was zur Bildung von Essigsäure- und Hexanolgruppen führt, die die Abbindezeit verzögern. Dieser Verzögerungsmechanismus sorgt für ein längeres Druckfenster, was die allgemeine 3D-Druckbarkeit und die technische Leistung der Materialien verbessert. Die Studie zeigt auch, dass Saccharose als hervorragender Superweichmacher wirkt, den Fließwert erhöht und eine reibungslosere Extrusion bei einem niedrigeren Aktivator-Bindemittel-Verhältnis ermöglicht. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Saccharose-basierten Bio-Retardern, nachhaltige und effiziente 3D-Druckkonstruktionen zu erreichen.

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   9. Water Resistance of 3D Printed Clay with Bio-Stabilizers

      Ruth Natali Inga Guillen, Lapo Naldoni, Katerina Quka, Flavio Gioia, Emmanuel Keita

      Das Kapitel untersucht das vielversprechende Potenzial von Baustoffen auf Lehmbasis im zeitgenössischen Bauwesen und konzentriert sich dabei auf ihre geringen Umweltauswirkungen und die steigende Nachfrage nach nachhaltigen Lösungen. Es untersucht die Schnittmenge von Technologie und Nachhaltigkeit durch 3D-Druck von Materialien auf Tonbasis, was den Wert lokaler Rohstoffe mit digitalem Design verstärkt. Die Haltbarkeit dieser Materialien, insbesondere ihre Empfindlichkeit gegenüber Wasser, ist ein kritisches Thema in dieser Arbeit. Die Forschung untersucht die Verwendung von biobasierten Zusatzstoffen wie Gelen aus Aloe Vera und Opuntia Ficus, um die Wasserresistenz zu erhöhen. Diese natürlichen Stabilisatoren wurden in der Vergangenheit in antiken Bauwerken verwendet und haben ihre Wirksamkeit bei der Verstärkung und Erhöhung der Haltbarkeit unter Beweis gestellt. Das Kapitel beschreibt die experimentellen Methoden, einschließlich des Einsatzes eines Wesp 2040 Clay 3D-Druckers und verschiedener Tests zur Messung der Wasserresistenz, wie Imbibibitions- und Tauchtests. Die Ergebnisse unterstreichen die signifikante Verbesserung der Wasserbeständigkeit bei der Verwendung dieser Biostabilisatoren sowohl in Schüttgütern als auch als Oberflächenbeschichtung. Die praktische Anwendung dieser Erkenntnisse wird anhand eines großflächigen Wandprototyps demonstriert, der extremen Niederschlagsbedingungen ausgesetzt ist und das Potenzial für eine Umsetzung in der realen Welt aufzeigt. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die zukünftigen Aussichten natürlicher Stabilisatoren bei der Herstellung wasserbeständiger Materialien auf Tonbasis ohne die Notwendigkeit anorganischer Bindemittel, was den Weg für nachhaltigere Baupraktiken ebnet.

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   10. Optimization of Rheological and Hardened Properties of 3D Concrete Printing

       Mohammed Sonebi, Sandipan Kaushik, Sofiane Amziane, Gerard Hamill

       Das Kapitel untersucht die revolutionären Auswirkungen des 3D-Betondrucks (3DCP) auf die Konstruktion, wobei der Schwerpunkt auf der Optimierung rheologischer und gehärteter Eigenschaften liegt. Er beginnt mit der Diskussion des empfindlichen Gleichgewichts zwischen Extrudierbarkeit und Baubarkeit, das traditionell durch Versuch-und-Irrtum-Methoden erreicht wird. Anschließend geht der Text auf die jüngsten Fortschritte bei der statistischen Modellierung ein, wie etwa Faktorendesigns, die die Optimierung dieser Eigenschaften rationalisieren und den experimentellen Aufwand minimieren. Praxisnahe, praxisnahe Tests wie Solldurchfluss und Kegeldurchdringung werden aufgrund ihrer Zuverlässigkeit bei der Beurteilung druckfähiger Mörteleigenschaften hervorgehoben. Das Kapitel befasst sich auch mit Nachhaltigkeitsherausforderungen im 3DCP und schlägt die Verwendung zusätzlicher zementartiger Materialien wie Flugasche vor, um die Umweltauswirkungen zu verringern. Die Rolle von Superweichmachern und Fasern bei der Verbesserung der Fließfähigkeit und Festigkeit wird untersucht, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem Dehnungshärtungsverhalten faserverstärkter Verbundwerkstoffe liegt. Der Text präsentiert detaillierte Isoresponse-Analysen, die kritische Wechselwirkungen zwischen Mischkomponenten und ihren Auswirkungen auf rheologische und mechanische Eigenschaften aufzeigen. Sie schließt mit wertvollen Einsichten in die Optimierung nachhaltiger, leistungsstarker 3D-gedruckter Betonmischungen unter Nutzung natürlicher Fasern zur Verbesserung der mechanischen Leistung.

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   11. Rheological Investigation and Improvement of Vine Shoots Bio-Based Concretes

       Lucas B. R. Araujo, Rime Chehade, Lally Garrigue, Stephane Hans, Lucas F. A. L. Babadopulos, Antonin Fabbri, Nassim Sebaibi

       Das Kapitel untersucht das Potenzial von Rebensprossen, einem Nebenprodukt der Traubenproduktion, als nachhaltiges Aggregat in biobasierten Betonen. Rebtriebe, die normalerweise weggeworfen oder verbrannt werden, stellen Umweltprobleme dar, bieten aber vielversprechende Wärmedämmungseigenschaften und die Fähigkeit, die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen zu regulieren. Die Studie konzentriert sich auf das rheologische Verhalten und die Druckfestigkeit von Rebentriebbeton und bewertet unterschiedliche Wassergehalte und Gesamtbedingungen. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört der signifikante Einfluss der Gesamtsättigung auf die Druckfestigkeit, wobei gesättigte Aggregate einen 2,5-fachen Anstieg aufweisen. Die Forschung hebt auch den Einfluss des Wassergehalts auf die rheologischen Eigenschaften hervor. Höhere Wassergehalte führen zu einem flüssigeren Verhalten und verminderter Mischenergie. Darüber hinaus vergleicht das Kapitel Beton aus Rebtrieben mit Beton auf Hanfbasis und zeigt ähnliche Leistungen in frischen und gehärteten Zuständen. Die ökologischen Vorteile, einschließlich CO2-Sequestrierung und verringerter Emissionen, werden hervorgehoben und stimmen mit den Dekarbonisierungszielen überein. Die Studie trägt zur Entwicklung nachhaltiger Baumaterialien bei, verringert die Umweltauswirkungen von Rebtriebabfällen und fördert umweltfreundliche Baumethoden.

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