Αdobe bricks from built heritage to contemporary sustainable architecture. Εxperimental investigation and proposals for site- and use-specific applications

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην παραγωγή βελτιστοποιημένων, μη σταθεροποιημένων και μη συμπιεσμένων ωμοπλίνθων, με άχυρο και πριονίδι (30% μέχρι 70%, κατ’ όγκο). Oι ωμόπλινθοι ήταν ένα από τα πιο ευρέως διαδεδομένα οικοδομικά υλικά στο νησί από την προϊστορία μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα, όταν αντικαταστάθηκαν από βιομηχανοποιημένα οικοδομικά υλικά. Η διατριβή ακολουθεί μια διεπιστημονική μεθοδολογία εφαρμοσμένης έρευνας, που περιλαμβάνει καταγραφή υφιστάμενης γνώσης, εργαστηριακή παραγωγή βελτιστοποιημένων συνθέσεων ωμοπλίνθων, και τέλος εφαρμογή των πειραματικών αποτελεσμάτων για ανάπτυξη κατασκευαστικών λεπτομερειών για προσαρμοσμένες (τοπικά και χρηστικά) εφαρμογές σε υφιστάμενες παραδοσιακές καθώς και σε σύγχρονες οικοδομές. Αρχικά, αναλύεται και αξιολογείται η υπάρχουσα επιστημονική διεθνή και τοπική γνώση, καθώς και τα διεθνή κανονιστικά έγγραφα για ωμοπλίνθους, τα οποία ταξινομούνται με βάση τα χαρακτηριστικά των πρώτων υλών, αλλά και το φάσμα και τα αποδεκτά όρια των φυσικο- μηχανικών ιδιοτήτων ωμοπλίνθων, προκειμένου να αξιοποιηθούν ανάλογα στη συνέχεια της έρευνας. Προσδιορίζονται τα κενά στην υφιστάμενη βιβλιογραφία και δημιουργείται μια πλούσια βάση δεδομένων που στηρίζει την αξιολόγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων και την ταξινόμηση των εργαστηριακών ωμοπλίνθων για την προτεινόμενη προσαρμοσμένη τοπικά και χρηστικά εφαρμογή. Η πειραματική εργασία αρχίζει με μια συγκριτική μελέτη των πρώτων υλών προϊστορικών, παραδοσιακών (19ος-20ος αιώνας) και σύγχρονων κυπριακών ωμοπλίνθων, στα πλαίσια της οποίας διαφάνηκαν οι ομοιότητες, καθώς και οι διαφορές που επηρεάζουν τις φυσικο-μηχανικές ιδιότητες και την ανθεκτικότητα των πιο πρόσφατων ωμοπλίνθων. Στη συνέχεια, γίνεται εργαστηριακή παρασκευή δέκα διαφορετικών μιγμάτων ωμοπλίνθων με άχυρο και πριονίδι (30% - 70% κατ’ όγκο), ακολουθώντας τις αρχές παρασκευής παραδοσιακών ωμοπλίνθων εστιάζοντας στην επίδραση των ινών (τύπος-ποσοστό) στις ιδιότητες των τελικών προϊόντων. Η έρευνα έδειξε ότι οι πλίνθοι με πριονίδι παρουσιάζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, ενώ οι πλίνθοι με άχυρο χαμηλότερη απορροφητικότητα, υπογραμμίζοντας έτσι τη σημασία τοπικά και χρηστικά προσαρμοσμένης εφαρμογής ωμοπλίνθων. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται ταξινόμηση των εργαστηριακών ωμοπλίνθων για χρήση σε φέρουσες και μη, εσωτερικές / εξωτερικές, θερμικής μάζας / θερμικά μονωτικές και επιχρισμένες / μη επιχρισμένες τοιχοποιίες, με βάση την κριτική ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Οι νέες συνθέσεις που προέκυψαν οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η τοιχοποιία που αναμένεται να ανταποκριθεί σε συγκεκριμένες ανάγκες είναι προτιμότερο να έχει σύνθετη μορφή και να συνδυάζει ωμοπλίνθους διαφορετικών ιδιοτήτων στο πάχος της. Mε βάση την ταξινόμηση των ωμοπλίνθων, προτείνονται ενδεικτικές αρχιτεκτονικές λύσεις για την τοπικά και χρηστικά προσαρμοσμένη εφαρμογή τους σε υφιστάμενες παραδοσιακές οικοδομές για σκοπούς συντήρησης, καθώς και σε σύγχρονες ωμοπλινθοδομές. H ανάλυση των συμπερασμάτων δείχνει ότι τρεις συνθέσεις ωμοπλίνθων (50% πριονίδι, 60% και 70% άχυρο κατ’ όγκο) μπορούν να τύχουν ευρείας χρήσης σε μεγάλο αριθμό εφαρμογών σε κτίρια. Η παρούσα διδακτορική έρευνα καταλήγει με τη διατύπωση συστάσεων για επιλογή πρώτων υλών, μεθοδολογίες παραγωγής και βέλτιστες ιδιότητες ωμοπλίνθων. Αναμένεται ότι η διατριβή αυτή θα βοηθήσει στην ανάπτυξη μεθόδων για τον ποιοτικό έλεγχο των γήινων δομικών υλικών, θα υποστηρίξει τη θέσπιση νομοθεσίας σχετικά με τη χρήση ωμοπλίνθων όχι μόνο σε πρακτικές αποκατάστασης, αλλά και σε σύγχρονες αειφόρες κατασκευές, και θα καθοδηγήσει τους παραγωγούς ωμοπλίνθων και τους επαγγελματίες γήινης δόμησης στη βελτίωση της παραγωγής και εφαρμογής των συγκεκριμένων υλικών.

This doctoral thesis focuses on the production of unstabilised and non-compressed adobe bricks with improved properties, using straw and sawdust fibre (30% to 70% v/v). Adobe bricks were among the most widespread construction materials used on the island since prehistory until the mid-20th century, when industrialised building materials were introduced. The thesis adopts an interdisciplinary applied research methodology, which includes documentation and analysis of existing knowledge, experimental development of optimized adobe bricks, critical analysis and application of experimental outcomes through the proposal of site- and use-specific applications in existing and contemporary structures. Initially, the international and local state of the art, but also international normative documents focusing on adobes, are utilised for collecting, critically analysing and synthesising acceptable ranges and prescribed values for raw material and adobe properties. Gaps in existing research are identified and a firm database of information and values is created, which supports the discussion of the experimental results and the classification of laboratory adobes for site- and use-specific application. The experimental work starts with a comparative study of the raw materials of prehistoric, traditional (19th – 20th century) and contemporary adobe bricks from Cyprus. Contemporary and traditional adobes are, to a great extent, found to be similar to the prehistoric ones; however, differences in the composition and mix design influence their physico-mechanical characteristics and durability. In continuation, laboratory production of ten different adobe mixtures (straw and sawdust, 30% to 70% v/v) takes place, following the principles of traditional adobe production and focusing on the influence of fibre (type/percentage) on adobe properties. Sawdust adobes present improved mechanical properties, while straw adobes have lower sorptivity. The results highlight the importance of site- and use-specific adobe production. The classification of laboratory adobes for use on structural/non-structural, interior/exterior, thermal mass/thermally insulating and plastered/unplastered masonry follows, based on the critical analysis of the experimental outcomes. It is concluded that masonry expected to respond to specific needs should possibly be comprised of composite walls with adobes of different properties throughout their width. Based on the classification of adobes, recommendations for site- and use-specific application of laboratory adobes, but also of composite masonry units on specific parts of a building, are presented, for both indicative examples of restoration of vernacular adobe buildings and new residential adobe buildings. The conclusions of the analysis show that three adobe compositions (50% sawdust, 60% and 70% straw (v/v)) are the most widely applicable. The thesis concludes with recommendations regarding raw material selection, production methodology and adobe unit properties. It is anticipated that this thesis will support the creation of a local legislative framework for the use of adobe bricks in contemporary construction, will assist towards the development of quality control methods for adobe units and will guide adobe producers and construction practitioners to enhance existing knowledge regarding production technology, design and use of the material.