Development of high performance cement-based composites reinforced with nonwoven fabrics from sustainable raw materials and textile wastes

Abstract

(English) Currently there is a growing concern about the sustainability of the construction sector due to its great contribution to climate change. Approximately one third of carbon dioxide emissions are produced by this sector, both during the construction and operational phases of buildings. Another environmental problem is the abundance of waste produced by industrial processes and products at the end of their useful life. In this sense, the use of more sustainable building materials and, in particular, the reduction of the necessary amount of cement is of great interest. This thesis focuses on developing and characterizing sustainable cement-based building materials reinforced with biodegradable nonwoven fabrics or produced from fibers recovered from textile wastes, mainly designed to be applied on thin panels for application on ventilated facades, pavements and reinforcement of masonry structures, as well as for the development of multifunctional sandwich panels for applications on facades or ceilings. The first phase of the research focuses on the preparation and characterization of the nonwoven structures. On the one hand, nonwoven fabrics are prepared from biodegradable fibers such as flax fiber, and on the other hand, nonwoven fabrics are prepared with fibers from post-consumer textile waste, both of a technical nature such as aramid fibers, or from end-of-life textiles from fashion, such as cotton-polyester blends. In a second phase, the preparation and characterization of the reinforced composite materials is carried out. The compounds are characterized mechanically (with the bending-deformation test), microstructurally (with observations from SEM and BSEM) and finally the thermal and fire resistance properties are evaluated. In a third and final phase of the research, comparisons are established between the different reinforcements, evaluating the reinforcement capacities that each of these textiles give to the cement matrix. From the results, it can be concluded that cementitious composite materials reinforced with the nonwoven fabrics developed in this thesis become a suitable material for its application as a construction material. Despite multiple works related to the recovery of textile waste and its applications in composites have been published, there is limited knowledge about the combination of raw materials that we propose in this project, as well as for its possible applications. In particular, there is also limited knowledge on cement-based composites in which the reinforcement is a nonwoven fabric prepared from biodegradable fibers or recovered from textile waste. In this sense, composites reinforced with textile waste represent a great advance in sustainability for the sector, in addition to offering resistance properties that are highly suitable for this type of construction applications. The results will help to develop new sustainable building materials with a high content of raw materials recovered from waste and that, applied in panels for ventilated facades, floors and roofs or for the reinforcement of masonry, will contribute to improve the energy efficiency of buildings already reduce emissions generated for the construction sector.

(Español) Actualmente existe una preocupación creciente por la sostenibilidad del sector de la construcción debido a su gran contribución al cambio climático. Aproximadamente un tercio de las emisiones de dióxido de carbono son producidas por este sector, tanto durante la fase de construcción como operativa de edificios. Otro problema ambiental es la abundancia de desechos producidos por los procesos industriales y los productos al final de su vida útil. En este sentido, el uso de más materiales de construcción sostenibles y, en particular, la reducción de la cantidad necesaria de cemento es de gran interés. Esta tesis se centra en desarrollar y caracterizar materiales de construcción sostenibles a base de cemento reforzados con telas no tejidas biodegradables o bien producidas a partir de fibras recuperadas de residuos textiles, principalmente diseñados para ser aplicados sobre paneles delgados para su aplicación en fachadas ventiladas, pavimentos y refuerzo de estructuras de mampostería, así como para el desarrollo de paneles sándwich multifuncionales para aplicaciones en fachadas o techos. La primera fase de la investigación se centra en la preparación y caracterización de las estructuras no tejidas. Por un lado, se preparan telas no tejidas a partir de fibras biodegradables como es la fibra de lino, y por otro lado se preparan telas no tejidas con fibras procedentes de residuos textiles post-consumo, tanto de carácter técnico como es la fibra de aramida como procedentes de textiles en desuso del ámbito de la moda, como son las mezclas algodón-poliéster. En una segunda fase se realiza la preparación y caracterización de los materiales compuestos reforzados. Los compuestos se caracterizan mecánicamente (con el ensayo a flexión-deformación), microestructuralmente (con observaciones de SEM y BSEM) y finalmente se evalúan las propiedades térmicas y de resistencia al fuego. En una tercera y última fase de la investigación se establecen comparativas entre los diferentes refuerzos, observando las propiedades de resistencia que le otorgan cada uno de estos refuerzos textiles a la matriz de cemento. Se concluye que los materiales compuestos cementantes reforzados con telas no tejidas deviene un material apto para su aplicación como material de construcción. A pesar de la existencia de múltiples trabajos relacionados con la recuperación de residuos textiles y sus aplicaciones en composites, existe un conocimiento limitado sobre la combinación de las materias primas con residuos particulares que proponemos en este proyecto, así como para sus posibles aplicaciones. Particularmente, también hay un conocimiento limitado sobre compuestos a base de cemento en los que el refuerzo es una tela no tejida preparada a partir de fibras biodegradables o recuperadas de desechos textiles. En este sentido, los compuestos reforzados con residuos textiles suponen un gran avance en materia de sostenibilidad para el sector, además de ofrecer propiedades de resistencia muy adecuadas para este tipo de aplicaciones en construcción. Los resultados ayudarán a desarrollar nuevos materiales de construcción sostenibles con un alto contenido en materias primas recuperadas de residuos y que, aplicados en paneles para fachadas ventiladas, suelos y cubiertas o para el refuerzo de mampostería, contribuirá a mejorar la eficiencia energética de los edificios y a reducir las emisiones generadas para el sector de la construcción.