Design, development and validation of construction elements made of composite wood waste

Abstract

O betão, um material de construção amplamente utilizado, enfrenta desafios significativos devido às suas substanciais emissões de carbono e à exaustão de recursos naturais. Para enfrentar esses problemas, várias estratégias, incluindo o uso de agregados alternativos, têm sido exploradas.Esta tese começa por sensibilizar o leitor para os agregados alternativos, potencial e limitações e promover a sua adoção generalizada na indústria da construção. No entanto, esta adoção tem sido dificultada pela falta de conhecimento e consciência entre os profissionais do setor sobre a sua disponibilidade e benefícios. Preocupações com a qualidade e desempenho desses materiais também contribuem para a relutância em adotá-los. Um fator essencial a considerar é a necessidade de reduzir a geração de resíduos e aumentar o valor de produtos e materiais categorizados como resíduos ou subprodutos, sendo a sua incorporação em betão uma possibilidade viável.O presente estudo investiga a viabilidade prática da utilização de resíduos de madeira tratada em fim de vida para produzir compósitos de cimento e betão leves. A gestão adequada desses resíduos tornou-se uma preocupação ambiental urgente na indústria da madeira, representando desafios para muitas empresas. O trabalho de pesquisa começa pela caracterização dos resíduos de madeira de diferentes fontes para avaliar a presença de substâncias lixiviantes e investiga as propriedades físicas e químicas relevantes para a produção de compósitos de cimento. Um estudo experimental abrangente foi então realizado para avaliar a viabilidade do uso de misturas de betão contendo estilha de madeira e serradura para aplicações estruturais e não estruturais na construção. Várias misturas com diferentes tipos e quantidade de madeira foram produzidas e avaliadas quanto à sua durabilidade e ao seu desempenho e físico.O estudo investiga ainda a viabilidade da incorporação de resíduos de madeira em aplicações estruturais, através da avaliação da aderência aço-betão de armaduras ordinárias e de cabos pré-esforçados em compósitos de madeira-betão. Elementos estruturais em escala real foram construídos e testados para avaliar a viabilidade do uso de compósitos de madeira-betão em aplicações estruturais. Foram realizados testes de flexão e fadiga sob cargas estáticas e dinâmicas. Neste trabalho, foi também avaliado o desempenho ambiental através de um estudo de avaliação de ciclo de vida (ACV).Em conclusão, esta investigação estuda o potencial dos resíduos de madeira como agregados alternativos para betão e compósitos de cimento, abordando preocupações ambientais e defendendo práticas sustentáveis.

Concrete, a widely utilized construction material, faces significant challenges due to its substantial carbon emissions and depletion of natural resources. To address these issues, various strategies have been explored, including the use of alternative aggregates.This thesis starts by raising awareness of alternative aggregate’ potential and limitations and promoting their widespread adoption in the construction industry. However, adopting alternative aggregates has been hindered by industry professionals’ lack of awareness and knowledge regarding their availability and benefits. Concerns about these materials’ quality and performance also contribute to the reluctance to adopt them. An essential factor to consider is the vital need to reduce waste generation and enhance the value of products and materials that are categorized as end-of-life or by-products, since incorporating them into concrete is emerging as a viable prospect.The present study investigates the practical feasibility of utilizing end-of-life treated wood waste to produce lightweight cement and concrete composites. The proper management of this waste has become a pressing environmental concern within the wood industry, posing challenges for many companies. The research begins by characterizing wood waste from different sources to assess the presence of leaching substances and check the relevant physical and chemical properties for cement composite production. A comprehensive experimental study was then conducted to evaluate the feasibility of using concrete mixes containing wood chips and sawdust for structural and non-structural building applications. Several mixes with different types and amounts of wood were produced and evaluated for their durability, and mechanical and physical performance.The study further investigates the feasibility of incorporating wood waste in structural applications by examining the steel-concrete bond of ordinary steel reinforcement bars and prestressed strands in wood-concrete composites. Full-scale structural elements were made and tested to assess the feasibility of using wood-concrete composites in structural applications. Bending and fatigue tests were performed under static and dynamic loads. The work also evaluated the environmental performance through a life cycle assessment (LCA) study.In conclusion, this research studies the potential of wood waste as alternative aggregates for concrete and cement composites, addressing environmental concerns and advocating sustainable practices.