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Nov 29, 2023

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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6390 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Baumaterial ist einer der wesentlichen Aspekte, um dem Angebot und der Nachfrage nach kostengünstigem Wohnraum in Indonesien gerecht zu werden. In jüngster Zeit haben mehrere Forscher viel Zeit und Mühe in die Entwicklung des Abfallrecyclings für Baumaterialien gesteckt, da es umweltfreundlicher ist, insbesondere für nicht abbaubare Abfälle. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Recycling von Wegwerfwindelabfällen als Verbundmaterial für eine strukturelle und architektonische Komponente des Gebäudes auf der Grundlage indonesischer Baustandards. Das Entwurfsszenario umfasste neben einer breiten Perspektive auf die Umsetzung experimenteller Erkenntnisse auch den Bau von kostengünstigem Wohnraum mit einer Grundrissfläche von 36 m2. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass Wegwerfwindelabfälle, die als Verbundmaterialien des Gebäudes verwendet werden sollen, eine maximale Kapazität von 10 % für strukturelle Komponenten und 40 % für nichtstrukturelle und architektonische Komponenten haben. Die Prototypenwohnung zeigt auch, dass bei einer Wohnfläche von 36 m2 1,73 m3 Wegwerfwindelabfall eingespart und verwertet werden können.

Unter kostengünstigem Wohnen versteht man gemeinhin Wohnraum, der in Qualität und Lage angemessen ist. Gleichzeitig sind die Kosten nicht so hoch, dass die Bewohner daran gehindert werden, andere lebensnotwendige Kosten zu decken, oder dass die Erfüllung grundlegender Menschenrechte durch die Menschen beeinträchtigt wird1,2,3,4. In den meisten Entwicklungsländern ist der Zugang zu angemessenem und bezahlbarem Wohnraum ein aktuelles und wachsendes Problem. Unter bestimmten Umständen ist das Problem nicht ein Mangel an Wohnraum, sondern eine unzureichende Einkommensquelle1,2,3. Unter anderen Umständen ist das Einkommen relativ hoch, aber das Angebot an Wohnraum und die Finanzierung sind begrenzt, was den Wohnraum teuer macht4,5 – die weit verbreitete Umsetzung von Selbsthilfeprogrammen für den Wohnungsbau in Entwicklungsländern schränkte jedoch deren Anwendbarkeit ein. Es kam zwar zu populären Selbstbau- und Bottom-up-Entwicklungsprozessen, diese stellten jedoch keine langfristige oder umfassende Lösung für den enormen Wohnungsbedarf dar.

Die hohen Kosten für zwei entscheidende Faktoren wie Land und Baumaterial sind ein wesentlicher Grund dafür, dass Wohnraum für die arme Stadtbevölkerung leichter erreichbar sein muss. Baumaterialien sind oft der wichtigste materielle Input beim Bau von Wohnungen und können bis zu 80 % des Gesamtwerts eines einfachen Wohngebäudes ausmachen6. Dies führt dazu, dass der Kostenfaktor zum ersten Hindernis für nachhaltiges Bauen wird7. Dies liegt daran, dass Baumaterialien für die strukturelle Integrität des Gehäuses von wesentlicher Bedeutung sind. Anders ausgedrückt: Wenn sich der Preis für Baumaterialien im Vergleich zum Durchschnittspreis anderer Rohstoffe verdoppelt, verdoppelt sich auch nahezu die Zeitspanne, die ein Haushalt arbeiten muss, um den Preis für Baumaterialien zu bezahlen8. Letzteres ist problematisch, da viele Regierungen, sowohl auf zentraler als auch auf kommunaler Ebene, weiterhin auf der Verwendung konventioneller Baumaterialien und -techniken bestehen. Die verschiedenen Bauvorschriften und Vorschriften schreiben diese vor, die meisten davon sind entweder ein Überbleibsel aus der Zeit des Kolonialismus oder wurden aus anderen Nationen importiert9. Diese Einschränkungen und Standards verhindern die Verwendung von Baumaterialien, die besser geeignet und vor Ort leichter verfügbar sind. Darüber hinaus verhindern sie den Einsatz kostengünstiger und umweltfreundlicher Bautechnologien.

Es besteht Bedarf an Maßnahmen, die den Zugang der Menschen zu Baumaterialien erweitern, die sowohl angemessen als auch wirtschaftlich sind. Ebenso sollten Forschungs- und Entwicklungsbemühungen im Bereich modernster Bautechniken finanziell unterstützt werden. Umweltfreundliche Baupläne und -methoden sowie Technologien, die energieeffizient sind und weniger Umweltverschmutzung verursachen, sollten gefördert und leichter verfügbar gemacht werden. In diesem Zusammenhang haben mehrere Forscher verschiedene Materialien untersucht, die für den kostengünstigen Wohnungsbau verwendet werden, unterteilt in Naturfasern, Lehmmaterialien und Industriebauabfälle10. Die häufigsten Bauanwendungen für Naturfasermaterialien (z. B. Reisschalen, Sisalfasern und Bananenblätter) sind Platten, verstärkte Verbundmaterialien und Isolierung10,11,12,13. Daher wird bei der Arbeit mit erdigen Materialien immer häufiger Kalk und Schlamm für nichttragende Bauteile wie Mauersteine ​​verwendet10,14,15,16,17,18. Daher wurde die Herstellung von Blöcken aus Rohschlamm ohne einen Brennschritt weiterentwickelt. Auch recycelte Materialien durch die Nutzung von Abfällen aus Baumaterialien10,19,20,21 wie Stahl und Gummi und Industriematerialien10,14,16,22 wie Flugasche sind die beste Wahl, um die Auswirkungen auf die Umwelt und die Kosten zu verringern. Andere Arten des Recyclings nicht biologisch abbaubarer Abfälle15,23,24, wie etwa Kunststoffe, gelten als kostengünstige Materialien. Darüber hinaus haben einige Forscher benutzerfreundliches Material entwickelt, das durch eine Vielzahl von Erfindungen und Techniken zugänglich ist, darunter komprimierte Erdblöcke25,26,27,28,29, Kuppelkonstruktionen30,31,32, Stampflehm33,34,35 und Gewölbe Bau36,37,38. Einige beziehen sich sogar auf den Einsatz fortschrittlicher Technologien39 (z. B. intelligente Baustellen, Simulation und Modellierung, Digitalisierung und Virtualisierung) auf Baustellen und auf die Beteiligung privater Organisationen an der Infrastrukturentwicklung40.

Wie in anderen Entwicklungsländern war die Bereitstellung von kostengünstigem Wohnraum in Indonesien in den letzten drei Jahrzehnten ein ernstes Problem, da die städtische Bevölkerung jährlich um 4,1 % gewachsen ist und Schätzungen zufolge 68 % der Indonesier in der Stadt leben werden Gebiete bis 202541. Die Vorteile der Urbanisierung sind begrenzt41 aufgrund der Probleme, die zu mehr Armut führen, wie z. B. der Entstehung von Slums, weil es nicht genügend bezahlbaren Wohnraum gibt3,42. Angesichts des deutlichen Anstiegs der Zahl der in Städten lebenden Menschen muss noch berücksichtigt werden, wie viel Land in den Städten verfügbar ist, was zu einem Anstieg der Wohnungsnachfrage und der Grundstückspreise geführt hat. Aufgrund der schnellen städtischen Bevölkerung sieht sich Indonesien mit zwei erheblichen Konsequenzen konfrontiert: der Nachfrage nach Wohnraum und der Abfallentsorgung.

In Bezug auf die Nachfrage nach Wohnraum besteht in Indonesien eine große Lücke zwischen Angebot und Nachfrage, mit einer Nachfrage von 780.000 Wohneinheiten pro Jahr und der Fähigkeit der Beteiligten, 400.000–500.000 Wohneinheiten pro Jahr zu liefern43,44,45. Um etwa 30 % der Stadtbewohner, die in Eigentumswohnungen leben, mit Wohnraum zu versorgen, muss ein Rückstau von rund 300.000 Wohneinheiten pro Jahr abgebaut werden. Im Einklang mit staatlichen Programmen ist die Bereitstellung von Wohnraum von entscheidender Bedeutung, aber die Baumaterialien sind begrenzt. In Indonesien sind Beton, Ziegel, Holz und Keramik aufgrund ihrer großen Kapazität und gemäß den Bauvorschriften und -vorschriften weiterhin die am häufigsten verwendeten Baumaterialien46. Dennoch schaffen diese Materialien im Hinblick auf Umweltaspekte neue Probleme, wie z. B. Tonziegel und -fliesen mit der höchsten grauen Energie46, den höchsten Kohlenstoffemissionen und den höchsten Ökokosten47.

Darüber hinaus geht mit dem Bevölkerungswachstum eine erhöhte Abfallkapazität im Hinblick auf die Abfallbewirtschaftung einher. Laut Statistik48 belief sich die Gesamtabfallmenge pro Jahr im Jahr 2019 auf 29,21 Millionen Tonnen, was einem Anstieg auf 32,76 Millionen Tonnen im Jahr 2020 entspricht. Aufgrund der Situation konzentriert sich die indonesische Regierung stärker auf das Abfallkapazitätsmanagement und hat im Jahr 2021 rund 17,68 Millionen Tonnen Abfall reduziert . Das Bevölkerungswachstum führt auch zu einem zunehmenden Einsatz von Wegwerfwindeln zur Babypflege. Seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren ist die Beliebtheit von Wegwerfwindeln aufgrund der Vorteile der Kreislaufwirtschaft in verschiedenen Windelversionen gestiegen, die im Laufe der Zeit für umfassendere Anwendungen angepasst wurden49. Hinzu kommt ein sozialer Nutzen, insbesondere für Eltern, da die Aufführungen bequem und erschwinglich sind.

Aus diesem Grund wurde in früheren Studien die Verwendung von Materialinnovationen aus Wegwerfwindelabfällen als Verbundmaterialien untersucht. Leider ist die Wiederverwertung dieser Abfälle heute auf die wissenschaftliche Forschung beschränkt. Die allgemeine Bevölkerung versteht es nicht gut, aber Studien zufolge hat diese Materialinnovation erhebliche Vorteile in Bezug auf Strukturfestigkeit, Wirtschaftlichkeit und Umwelt50,51,52,53,54,55. Die Forschung zeigte auch, dass die mechanischen Eigenschaften und der Mikrobengehalt von Einwegwindelbeton in bestimmten Zusammensetzungen mit denen von herkömmlichem Beton identisch sind52,53,55. Die Zugabe von 1 % Windel zu Beton verbessert die interne Aushärtungsfeuchtigkeit und ergibt das robusteste und haltbarste Material52. Darüber hinaus hatte eine Mischung aus bis zu 5 % Wegwerfwindeln mit Beton im Vergleich zu anderen Prozentsätzen die maximale Festigkeit nach 28 Tagen53.

Darüber hinaus kann Natriumchlorid gebrauchte Wegwerfwindeln aus gesundheitlicher Sicht desinfizieren54. Tests zum biologischen Sauerstoffbedarf (BSB) und zum chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) an Beton, der aus Wegwerfwindeln hergestellt wurde, ergaben geringfügige Unterschiede bei der Einbeziehung sauberer Windeln55. Darüber hinaus bietet das Recycling von Wegwerfwindeln als Betonbestandteile im Vergleich zu anderen Abfallbewirtschaftungsmethoden wie Verbrennung und Mitverbrennung größere Vorteile hinsichtlich CO2-Emissionen und Ökokosten51.

Ziel der Studie ist es daher, das Problem der Wohnraumversorgung anzugehen, indem Baumaterialien aus nicht abbaubaren Abfällen hergestellt werden, die kostengünstig sind und gleichzeitig den Baustandards entsprechen. Diese Studie wurde recherchiert, um eine neue Perspektive auf die Abfallverwendung von Gebäudekomponenten zu erhalten, die als kostengünstige Wohnkomponenten gelten, und das Recycling von Wegwerfwindelabfällen wird empfohlen. Die Forschung wurde dann durch eine experimentelle Untersuchung von Verbundmaterialien von Bauteilen unter Verwendung von Wegwerfwindeln als Verbundmaterialien durchgeführt. Ziel des Projekts ist es, das Materialnutzungspotenzial auf der Grundlage von Baustandards zu erfassen. Der indonesische Baustandard (Standar Nasional Indonesia/SNI) hat sich zu einem Standard hinsichtlich der mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien entwickelt.

Um eine direkte Befragung durchzuführen und die Anzahl der Wegwerfwindeln zu berechnen, die als Bauelemente verwendet werden können, wurde ein Laborexperiment durchgeführt. Die experimentelle Studie umfasste zwei Arten von Verbundwerkstoffen: Betonverbundwerkstoff für Strukturelemente wie Säulen und Träger sowie Mörtelverbundwerkstoff für architektonische Elemente wie nichttragende Wände und Böden. Der Standard der Baumaterialien entspricht den indonesischen Baunormen und -vorschriften (Standard Nasional Indonesia/SNI) wie folgt:

SNI 2847:2019 Strukturelle Betonanforderungen für Gebäude56

SNI 7656:2012 Gemischte Bemessungsverfahren für Normalbeton, Schwerbeton und Massenbeton57

SNI 03-2834-2000 Technische Mischbemessung für Normalbeton58,

SNI 03-6882-2002 Mörtelspezifikation für Baustoffe59

SNI 03-0349-1989 Betonsteine ​​für Wand und 60

SNI 03-0691-1996 Pflasterstein/Betonstein61

Beim Wechsel oder Ersatz von Verbundwerkstoffen in einem Betonbauteil müssen die unterschiedlichen Materialdichten berücksichtigt werden. Beispielsweise misst die Methode die Gewichtskapazität nicht direkt in Prozent, wenn feine Zuschlagstoffe durch Wegwerfwindeln ersetzt werden. Die scheinbare Ähnlichkeit zwischen 300 g Feinkorn und 300 g Wegwerfwindeln täuscht. Da Wegwerfwindeln leichter sind als feine Zuschlagstoffe, nehmen 300 g ein viel größeres Volumen ein. Um die Kapazität auszugleichen, ist es notwendig, das Gewicht der Materialien anhand ihrer Dichte umzurechnen. Um die maximale Ersatzkapazität zu ermitteln, wird dann folgende Formel verwendet:

wobei\({m}_{w}\) = Masse der Abfallstoffe, Kapazität (g),\({\uprho }_{w}\) = Dichte der Abfallstoffe (g/cm3),\({\uprho }_{fa}\) = Dichte des Feinaggregats (g/cm3),\({m}_{fa}\) = Masse des Feinaggregats (g).

Folglich ergibt sich in der Formel folgender Kompromiss, indem der Prozentsatz der wiederverwertbaren Materialien hinzugefügt wird:

wobei\({R}_{wc}\) = Kapazität der recycelten Abfallstoffe (g),\({\uprho }_{w}\) = Dichte der Abfallstoffe (g/cm3),\({\uprho }_{fa}\) = Dichte des Feinaggregats (g/cm3),\({m}_{fa}\) = Masse des Feinaggregats (g),\({\%}_{rep}\) = Ersatzprozentsatz von Feinzuschlagstoffen durch Abfallmaterial (%).

In dieser Studie wird Abfallmaterial in Wegwerfwindeln umgewandelt und die Formel wurde entwickelt, um:

wobei\({m}_{d}\) = Masse der Wegwerfwindel (g),\({\uprho }_{d}\) = Dichte der Wegwerfwindel (g/cm3),\({\ uprho }_{fa}\) = Dichte des Feinaggregats (g/cm3),\({m}_{fa}\) = Masse des Feinaggregats (g).

Folglich sieht die Formel folgende Kompromisse vor, indem sie einen Prozentsatz recycelbarer Wegwerfwindeln einbezieht:

wobei\({R}_{dc}\) = Kapazität einer recycelten Wegwerfwindel (g),\({\uprho }_{d}\) = Dichte der Wegwerfwindel (g/cm3),\({ \uprho }_{fa}\) = Dichte des Feinaggregats (g/cm3),\({m}_{fa}\) = Masse des Feinaggregats (g).

Um als Baustoffe verwendet zu werden, müssen die Versuchsergebnisse die entsprechenden Baustoffkriterien erfüllen. Die Verwendung und Spezifikationen für Beton basierend auf der Druckfestigkeit sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Norm unterscheidet zwischen drei Betonfestigkeiten, die von niedrig bis hoch reichen. Für leichte Gebäudebauteile wird häufig eine geringe Festigkeit von mindestens 10 MPa verwendet. Bei Spannbeton und schweren Bauwerksbauteilen kommt dagegen eine hohe Festigkeit von mindestens 41 MPa zum Einsatz. Das experimentelle Ergebnis wird als Druckfestigkeit der Proben kategorisiert.

Die Norm bezieht sich auf Betonsteine ​​und Pflastersteine, deren Festigkeit in vier Kategorien für Architekturbauteile eingeteilt wird. Die Probe in diesem Experiment folgte einem massiven Betonstein zwischen zwei Arten von Betonsteinen: Voll- und Hohlsteinen. Stufe I ist mit einer Mindestfestigkeit von 10 MPa die stärkste und wird üblicherweise für Strukturbauteile wie tragende Wände verwendet. Die niedrigste Stufe ist Stufe IV, die eine Mindestfestigkeit von 2,5 MPa aufweist und für nichttragende Bauteile wie Trennwände geeignet ist. Die höchste Stufe für Pflastersteine ​​ist A mit einer Mindestfestigkeit von 40 MPa und wird für öffentliche Straßen verwendet. Die niedrigste Stufe ist D, die eine Mindestfestigkeit von 10 MPa aufweist und für Wohnböden oder Gartenpflaster geeignet ist. Tabelle 2 enthält weitere Informationen zu Architekturkomponenten und ihren Anwendungen.

Im Rahmen der experimentellen Untersuchung wurden Feinzuschlagstoffe durch Wegwerfwindeln ersetzt, um Verbundmaterial für Bauteile herzustellen. Der erste Schritt bestand darin, gebrauchte Wegwerfwindeln durch Waschen, Trocknen und Zerkleinern aufzubereiten. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse der Aggregattests, die als Grundlage für die Berechnung des Mischungsentwurfs für Verbundwerkstoffe auf der Grundlage spezifischer Entwurfstechniken für Beton- und Mörtelmischungen verwendet werden. Nach dem Zuschlagstofftest zeigt Tabelle 3 den Materialmix, der zur Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet wird. Es wird auch erörtert, wie sich die Baumaterialsituation je nach den strukturellen und architektonischen Komponenten des Bauwerks unterschied. Strukturelemente wie Säulen und Balken sind Teil der Gestaltung einer Betonmischung, einschließlich Portlandzement, feiner und grober Zuschlagstoffe und Wasser. In diesem Experiment wurde das Betonmischungsdesign zunächst so formuliert, dass eine maximale Druckfestigkeit von 25,00 MPa erreicht wird, was laut Tabelle 1 typisch für mittelhohe Bauwerke ist. Informationen zu architektonischen Merkmalen wie Wänden und Böden, bei denen Portlandzement, feine Zuschlagstoffe und Wasser zu Mörtel kombiniert werden, finden Sie unter Mörtelmischungsentwurf.

Physikalische Eigenschaften von Verbundwerkstoffen.

Die Verbundmaterialproben wurden dann auf der Grundlage ihrer beabsichtigten Verwendung in Baukomponenten unterteilt, z. B. Betonproben für Strukturbauteile wie Säulen und Balken mit einer Probe aus Würfeln (Abmessungen: 15 × 15 × 15 cm) und Zylindern (Höhe 30 cm). Durchmesser 15 cm). Während Beispiele für Mörtelblöcke mit den Maßen 5 × 5 × 5 cm für architektonische Bauteile wie Wände und Böden entwickelt wurden, waren sie so geformt, dass sie Mörtelblöcken ähnelten. Nach 28-tägiger Aushärtung wurde die Druckfestigkeit einer Probe von sechs Proben bewertet.

Da kostengünstiges Wohnen ein wichtiges Thema dieser Forschung wurde, wurde der Wohnstandard für die durchgeführte experimentelle Studie anhand der Standards für kostengünstiges Wohnen entworfen63. In dieser Studie ist die Unterkunft für vier Personen mit einer Wohnfläche von 36 m2 und einer Grundstücksfläche von 60 m2 ausgelegt. Der Grundriss des Entwurfs ist in Abb. 2 (Tabelle 4) dargestellt.

Grundriss des kostengünstigen Wohndesigns in dieser Studie.

Abbildung 3 zeigt den Test zur Druckfestigkeit von Beton- und Mörtelproben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt. Normaler Beton erreicht eine Festigkeit von 24,91 MPa, was nahe an der für das Mischungsdesign vorgesehenen Festigkeit von 25 MPa liegt. Allerdings führte die Substitution feiner Aggregate durch Wegwerfwindeln mit zunehmender Anzahl an Wegwerfwindeln zu einer Schwächung der Struktur. Ein ähnliches Phänomen trat bei der Gestaltung der Mörtelmischung auf. Die Festigkeit nimmt ab, je mehr Wegwerfwindeln die feinen Zuschlagstoffe ersetzen.

Tests zur Festigkeit von Verbundwerkstoffen.

Folglich wird der Festigkeitswert in die linearen Regressionsgleichungen eingetragen, indem die Auswirkung des Wegwerfwindelersatzes auf die Druckfestigkeit abgeschätzt und deren Verwendung als Baumaterialien berücksichtigt wird. Wie in Abb. 4 zu sehen ist, ist der Einsatz von Wegwerfwindeln in Beton als Strukturbauteil durch die Festigkeit eingeschränkt. Die durch lineare Regression dargestellte Gleichung lautet:

Dabei ist y die Druckfestigkeit und x der prozentuale Ersatz feiner Zuschlagstoffe durch Wegwerfwindeln. Die Festigkeit von Beton kann anhand der Gleichung vorhergesagt werden. Darüber hinaus veranschaulicht Abb. 4 unter Bezugnahme auf Tabelle 1 des Zusammenhangs zwischen der Festigkeit und der Verwendung von Beton die Verwendung von Einwegwindelbeton für den Wohnungsbau.

Die Verwendung von Beton mit Wegwerfwindeln als Wohnkomponente.

Wie in Abb. 4 dargestellt, beschränkt sich die Nutzung auf Gebäudebauten mit maximal drei Geschossen und ein Gesamtersatz beträgt 10 %. Durch den Austauschbereich zwischen 0 und 10 % kann eine Festigkeit zwischen 20 und 25 MPa erreicht werden. Bei Strukturbauteilen ist die maximale Austauschrate jedoch auf 27 % beschränkt, wobei der maximale Festigkeitswert 10 MPa beträgt. Als maximale Austauschquote für nichttragende Bauteile wird ebenfalls eine Höchstquote von 40 % empfohlen. Über diesen Anteil hinaus kann Beton nicht als Baumaterial verwendet werden.

Die Beziehung zwischen Festigkeit, Austauschprozentsatz und der Verwendung von Mörtel für architektonische Merkmale ist in den Abbildungen dargestellt. 5 und 6. In dieser Studie wird die Verwendung zwischen Betonziegeln und Pflastersteinen basierend auf Tabelle 2 der Festigkeitsnorm und der Anwendung als Baumaterial getrennt. Darüber hinaus lieferte die lineare Regression die Gleichung zur Vorhersage der Festigkeit und des prozentualen Ersatzes feiner Zuschlagstoffe in Mörtelmischungen:

Dabei ist y die Druckfestigkeit und x der prozentuale Ersatz feiner Zuschlagstoffe durch Wegwerfwindeln.

Die Verwendung von Mörtel mit Einwegwindeln für Betonsteine.

Die Verwendung von Mörtel unter Verwendung von Wegwerfwindeln für Straßenbeläge oder Pflastersteine.

Wie in Abb. 5 zu sehen ist, wird die Festigkeit von Betonsteinen von I bis IV eingestuft, wobei I die stärkste und IV die schwächste ist. Die maximale Menge an Wegwerfwindeln, die feine Zuschlagstoffe ersetzen kann, um die Festigkeitsstufe I zu erreichen, beträgt 8 %, und für den vollständigen Ersatz beträgt sie 40 %, um Stufe IV als niedrigste Norm für Betonsteine ​​zu erreichen. Die Ersatzrate ist auf 40 % begrenzt und ein zusätzlicher Ersatz wird nicht empfohlen, da er außerhalb der SNI 03-0349-198960 liegt. Dann beträgt, wie in Abb. 5 zu sehen ist, der maximale Ersatz feiner Zuschlagstoffe durch eine Wegwerfwindel für ein Strukturelement wie eine tragende Wand in einer exponierten Situation 8 %, während in einem abgedeckten Zustand der maximale Ersatz 19 % beträgt. . Darüber hinaus können mehr als 19 % Ersatz nur für nicht tragende Teile beantragt werden, wobei maximal 33 % Ersatz für abgedeckte Situationen und freiliegende Oberflächen gelten. Darüber hinaus mit maximal 40 % Ersatz für verputzte Sachverhalte. Über 40 % der Wegwerfwindeln entsprechen nicht den Spezifikationen und sind für die Verwendung in Betonsteinen ungeeignet.

Bei den in Abb. 6 dargestellten Pflastersteinen ist das Material dann nur auf die D-Ebene beschränkt, wobei die maximale Austauschrate 9 % beträgt. Es wurde festgestellt, dass ein Ersatz von mehr als 9 % feiner Zuschlagstoffe durch Wegwerfwindeln bei Pflastersteinen nicht zulässig ist, da die Festigkeit unter den SNI 03-0691-1996-Spezifikationen liegt61. Darüber hinaus beschränken sich 9 % des Ersatzes auf das Pflastern von Fußböden in Häusern und Gärten.

Um abschließend umfassende Erkenntnisse zu gewinnen, ist die Verwendung von Wegwerfwindeln auf Verbundmaterialien für die Baumaterialien in Abb. 7 dargestellt, die die verschiedenen Anwendungen von Materialien in Abhängigkeit von ihrer Festigkeit und Komponente zeigt. Generell können Materialien für Beton als Strukturbauteile, wie etwa Stützen und Balken, bis zu einem maximalen Ausmaß von 27 % und einer maximalen Festigkeit von 10 MPa durch Wegwerfwindeln ersetzt werden. Für Mörtel als tragendes Bauteil, wie z. B. tragende Wände und öffentliche Straßenbeläge, beträgt der maximale Ersatz durch eine Wegwerfwindel zwischen 8 und 9 % bei einer Festigkeit von 8,5 MPa. Alternativ kann es für einen maximalen Ersatz für nichttragende Komponenten mit maximal 40 % Ersatz und einer Festigkeit von 2 MPa verwendet werden. Diese Anwendung ist für nicht tragende Trennwände und Bodenpflaster mit geringer Belastung vorgesehen.

Zusammenfassung der Verwendung von Wegwerfwindeln in Verbundwerkstoffen für Gebäude.

Darüber hinaus wird das Ergebnis der experimentellen Studie anhand von Tabelle 4 und Abb. 2 auf Entwurfsanforderungen für kostengünstigen Wohnraum angewendet. Die Verwendung von Verbundmaterialien in den strukturellen und architektonischen Komponenten eines 36 m² großen Wohnbauentwurfs ist in Abb. dargestellt. 8, mit einem maximalen Anteil an Wegwerfwindeln für die Unterbringung von Komponenten. Beispielsweise beträgt der maximale Anteil an Wegwerfwindeln für Stützen- und Balkenbauteile 27 %, bei einer Festigkeit von 10 MPa. Der maximale Anteil an Wegwerfwindeln für Wände und Böden beträgt 40 % bzw. 9 % bei einer Festigkeit von 2 MPa bzw. 8,5 MPa.

Layoutplan für kostengünstige Baumaterialien unter Verwendung von Wegwerfwindeln.

Die Strukturanalyse wurde jedoch nicht umfassend für die Stützen- und Balkengröße dieses Entwurfsszenarios berechnet – die Messung bezog sich ausschließlich auf die Standardabmessungen von Strukturkomponenten für einstöckige Wohnungen in Indonesien. Die weitere Forschung und Umsetzung dieser Erkenntnisse muss sich auf umfassendere Strukturbewertungen konzentrieren, einschließlich der Bodentragfähigkeit, der Tragfähigkeit und anderer technischer Tests für die Strukturanalyse. Um letztlich die Menge des Verbundmaterials für die Gehäusekonstruktion zu quantifizieren, wird anhand der Bodenkonstruktion das Volumen jedes einzelnen Bauteils ermittelt und darüber hinaus die Anzahl der Wegwerfwindeln ermittelt. Das Ergebnis ist in Tabelle 6 dargestellt.

Laut Tabelle 6 beträgt der Gesamtbedarf an Baumaterialien für den Bau des Wohntyps 36 22,79 m3, davon 1,73 m3 Wegwerfwindeln. Daraus geht hervor, dass maximal 7,6 % der Wegwerfwindeln feine Zuschlagstoffe im Bauwesen ersetzen können. Dieses Ergebnis gibt Aufschluss über die Wirksamkeit der Materialien, die als Baukomponenten im architektonischen Entwurf und in der weiteren Forschung eingesetzt werden sollen. Durch die Berücksichtigung des Umweltwerts des Abfallrecyclings bietet das Material außerdem Vorteile für die groß angelegte Entwicklung und die Einbeziehung der Gesellschaft und anderer Interessengruppen in die Sammlung und Bewirtschaftung des Abfalls von Wegwerfwindeln.

Derzeit besteht der wesentliche Schritt im Recyclingprozess für gebrauchte Windeln darin, die Kunststoffbestandteile von den organischen Fasern zu trennen. Es erfordert die Durchführung vieler komplizierter Verfahren, einschließlich des Sammelns, Zerkleinerns, Desinfizierens und Sortierens der Komponenten. Aufgrund der damit verbundenen Schwierigkeiten sind derzeit nur wenige Unternehmen am Recycling gebrauchter Windeln interessiert, beispielsweise Knowaste Ltd. Vereinigtes Königreich64, Fater Ltd. Italien65,66, Diaper Recycling Technology Pte Ltd. Singapur67, Super Faiths Inc Unicarm Ltd. Japan68 und PHS Group Vereinigtes Königreich69. Die Existenz der Unternehmen zeigt jedoch, dass die Technologie zum Windelrecycling derzeit nur in entwickelten Ländern verfügbar ist. Dies ist in erster Linie auf zwei Faktoren zurückzuführen: Unterschiede im Fachwissen und Zugang zu Ausrüstung zwischen Industrie- und Entwicklungsländern und die Notwendigkeit, in Entwicklungsländern mehr Bewusstsein für die potenziell schädlichen Auswirkungen von Windelabfällen zu schaffen70.

Es lässt sich leicht anwenden, indem der Abfall als Teil von Verbundmaterialien wie Beton oder Mörtel kombiniert wird. Beton ist aufgrund seiner einfachen Verarbeitung, relativ geringen Kosten und des Fehlens hochtechnologischer Fertigungsanforderungen ein weit verbreitetes Baumaterial. Diese Untersuchung kam zu dem Schluss, dass das Hinzufügen gebrauchter Windeln zu Beton dessen Festigkeit nicht wesentlich verringert. Es zeigt, dass die Verwendung gebrauchter Windeln zur Herstellung von Verbundwerkstoffen machbar ist, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung umweltfreundlicher und kostengünstiger Materialien. Darüber hinaus kann in Bezug auf die sozialen und wirtschaftlichen Vorteile dieses Papiers auf die Entwicklung von Materialien von der Niedrig- bis zur Hochtechnologie zugegriffen werden. Die Verfahren sind relativ einfach durchzuführen und kostengünstig. Es bietet auch einen umfassenden Überblick über die Verwendung von Wegwerfwindelabfällen als etwas Wertvolles, da sie im Verbrennungsprozess gelandet sind.

Es gibt jedoch einige Einschränkungen bei der breiten Umsetzung der Ergebnisse. Um die Materialien breiter einsetzbar und in großem Umfang zu nutzen, ist die Einbindung von Interessenvertretern in die Abfallbehandlung erforderlich, beispielsweise beim Sammeln des Abfalls aus Haushalten und beim Waschen des Windelabfalls bis zur Desinfektion. Der Bedarf an Maschinen zur Zerkleinerung des Abfalls ist auch für die Produktion in großem Maßstab von entscheidender Bedeutung, da mit geringer Technologie nur eine Materialproduktion in kleinem Maßstab möglich ist. Darüber hinaus muss die Rolle der Regierung bei der Regulierung dieser Materialien geklärt werden, da die bestehenden verschiedenen Bauvorschriften und -vorschriften nur auf herkömmliche Baumaterialien beschränkt sind.

Gleichzeitig bieten die Einschränkungen auch andere Vorteile für zukünftige Studien. Um die Lücke zu schließen, muss die Einbeziehung von Interessengruppen und Abfallbehandlungsmechanismen stärker erforscht werden. Die Innovation von Zerkleinerungsmaschinen für solche Materialien kann eine Herausforderung sein, die es zu lösen und zu erfinden gilt. Darüber hinaus müssen die Materialien im Hinblick auf die technische Konstruktion, die Kosten und den Wohnpreis bewertet werden, damit sie als preisgünstiger Wohnraum umgesetzt werden können. Diese Bewertung ist ein Beweis dafür, die Materialien im Finanzierungsmechanismus des Wohnens vorzuschlagen.

Es wird die Schlussfolgerung gezogen, dass die Verwendung von Wegwerfwindeln auf Verbundbaumaterialien durch die lineare Regressionsgleichung y = − 56,681x + 26,191 für Beton und y = − 20,57x + 10,364 für Betonmörtel dargestellt wird. Dabei bezieht sich y auf die Druckfestigkeit und x auf den prozentualen Ersatz feiner Zuschlagstoffe durch die Wegwerfwindel. Die Nutzung wird dann in Bauteile wie Betonnutzung, Abdeckungen, Säule und Balken unterteilt, wobei die maximale Einwegwindel 10 % beträgt und eine Festigkeit von 20 MPa erreicht werden kann. Diese Stärke ist für ein dreistöckiges Haus angemessen. Im Gegensatz dazu wird für eine einzelne Wohnetage mit einer Festigkeit von 10 MPa eine maximale Ausnutzung von 27 % empfohlen. Je größer der Austausch, desto niedriger der SNI-Strukturstandard und wird nur für nichtstrukturelle Komponenten empfohlen.

Darüber hinaus beim Auftragen des Verbundmörtels auf Wand- und Bodenelemente aus Betonsteinen bzw. Pflastersteinen. Der vollständige Ersatz einer Wand beträgt 40 %, was zu einer Festigkeit von 2 MPa und einer Einstufung als Betonsteine ​​der Stufe IV gemäß SNI 03-0349-1989 führt. Für Bodenpflastersteine ​​ist ein vollständiger Austausch von 9 % erforderlich, was zu einer Festigkeit von 8,5 MPa und der Einhaltung der Stufe D der Norm SNI 03-0691-1996 für Pflastersteine ​​führt. Diese Höchstmenge eignet sich für nicht tragfähige Trennwände und Bodenbeläge mit geringer Schlagfestigkeit. Der Austausch von mehr als dieser maximalen Kapazität wird für die Verwendung von Baumaterialien nicht empfohlen. Unter Einbeziehung experimenteller Studienergebnisse in die Gestaltung von kostengünstigem Wohnraum beträgt die Gesamtabfallkapazität von Wegwerfwindeln, die für den einstöckigen Wohntyp 36 (36 m2) genutzt werden kann, 1,73 m3 bei einem Gesamtvolumen des Verbundmaterials von 22,79 m3.

Die während der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind aufgrund des Patentverfahrens nicht öffentlich verfügbar (Pat. Pend. Nr. P00202213376), können aber auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Das japanische Ministerium für Bildung, Kultur, Sport sowie Wissenschaft und Technologie (MEXT) stellt finanzielle Unterstützung für das Doktorandenprogramm bereit. PT Awina Sinergi International hat die Forschung finanziell unterstützt. Der Autor dankt auch Muhammad Arief Irfan, Anjar Primasetra, Andrie Harmaji, Ilham und Firman Fadhly AR für ihre Unterstützung beim Laborexperiment.

Graduiertenschule für Umweltingenieurwesen, Fakultät für Umweltingenieurwesen, Universität Kitakyushu, Kitakyushu, Japan

Siswanti Zuraida & Romi Bramantyo Margono

Fakultät für Architektur, Fakultät für Umweltingenieurwesen, Universität Kitakyushu, Kitakyushu, Japan

Bart Dewancker

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SZ: Konzipieren, interpretieren Sie die Daten und schreiben Sie das Manuskript. BD: Bearbeiten, Korrekturlesen des Manuskripts und Überwachung der Recherche. RBM: Illustrieren und Visualisieren der Zahlen.

Korrespondenz mit Siswanti Zuraida.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zuraida, S., Dewancker, B. & Margono, RB Verwendung von nicht abbaubarem Abfall als Baumaterial für kostengünstigen Wohnraum. Sci Rep 13, 6390 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32981-y

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Eingegangen: 18. November 2022

Angenommen: 05. April 2023

Veröffentlicht: 18. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32981-y

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