Development and Performance Evaluation of Cold-Pressed Cement-Free Bricks using Detarium Senegalense Bio-Binder

Technische Samenvatting: Ontwikkeling en Prestatie-evaluatie van Koudgeperste Cementvrije Bakstenen met behulp van Detarium Senegalense Bio-bindmiddel

Probleemstelling
De wereldwijde bouwsector staat voor aanzienlijke milieu-uitdagingen, waarbij zij verantwoordelijk is voor ongeveer 35–39% van het wereldwijde energieverbruik en de CO₂-emissies, grotendeels als gevolg van de productie van Portlandcement. Hoewel onderzoek verschillende duurzame alternatieven heeft verkend, waaronder kunststof-geïnfuseerd beton en geopolymeer-bindmiddelen, blijft er een kritieke kloof in de ontwikkeling van volledig cementvrije metselwerkunits die gebruikmaken van plantaardige bio-bindmiddelen als de enige stabilisator. Specifiek zijn de adhesieve eigenschappen van onderbenutte tropische zaadgommen, zoals die van Detarium senegalense, nog niet systematisch onderzocht voor het binden van bouwmaterialen. Deze studie adresseert de behoefte aan koolstofarme, niet-dragende constructiematerialen door de levensvatbaarheid van het gebruik van Detarium senegalense zaadpoeder als een natuurlijk bio-bindmiddel in koudgeperste bakstenen te beoordelen.

Methodologie
Het onderzoek maakte gebruik van een koudpersingstechniek om inklinkbare bakstenen te vervaardigen zonder thermische verhitting of chemische stabilisatie.

• Materialen: De primaire aggregaten waren fijn zand (gefilterd tot 250 μm) en Detarium senegalense zaadpoeder (gemalen tot het passeren van een 150 μm zeef). Het bio-bindmiddelpasta werd bereid door het zaadpoeder te mengen met gedestilleerd water in een ratio van 1:1,2 (w/v), verhit tot 80°C om de polysachariden en eiwitten te activeren, en vervolgens afgekoeld.
• Mengverhoudingen: Er werden drie formuleringen gemaakt met bio-bindmiddelgehaltes van 10, 20 en 30 gew.% van de totale droge massa, waarbij fijn zand de rest vormde. De doel-dichtheid was 1600 kg/m³.
• Productie: Mengsels werden handmatig samengeperst in stalen mallen (150×100×50 mm) met behulp van een hydraulische pers gedurende 30 minuten. Monsters ondergingen een gecontroleerd uithardingsproces: 7 dagen in vochtige omstandigheden, gevolgd door oven-drogen bij 100°C, en tot slot luchtdrogen in beschaduwde gebieden gedurende 7 dagen.
• Testen: Fysische en mechanische eigenschappen werden geëvalueerd volgens ASTM-normen (C39, C642, C140, etc.). Tests omvatten droge dichtheid, waterabsorptie (WA), diktezwellen (TS) en druksterkte met behulp van een Universele Testmachine. Microstructuur-analyse werd uitgevoerd via Scanning Elektronenmicroscopie (SEM) om de deeltjesbinding en matrixcontinuïteit te observeren.

Belangrijkste Resultaten

• Dichtheid: Het verhogen van het bio-bindmiddelgehalte resulteerde in hogere baksteendichtheden, oplopend van 1386,91 ± 56,68 kg/m³ (10% bindmiddel) naar 1521,49 ± 50,97 kg/m³ (30% bindmiddel). Dit werd toegeschreven aan verbeterde deeltjespakking en inkapseling door het bindmiddel.
• Waterabsorptie en Stabiliteit: Waterabsorptie nam toe met het bindmiddelgehalte, variërend van 10,29% (10% bindmiddel) tot 16,92% (30% bindmiddel). Cruciaal was dat alle monsters zichtbare vormvervorming vertoonden na 24 uur onderdompeling, wat wijst op een lage vochtbestendigheid en het onmogelijk maakte om betrouwbare diktezwellingsmetingen uit te voeren.
• Druksterkte: De 20 gew.% formulering leverde de optimale mechanische prestatie op met een druksterkte van 5,53 ± 0,10 MPa. De 10 gew.% formulering vertoonde een lagere sterkte (5,11 MPa) door onvoldoende binding, terwijl de 30 gew.% formulering een daling vertoonde naar 4,75 MPa. De reductie bij 30% werd toegeschreven aan agglomeratie van het bindmiddel, microbarsten en differentiële krimp tijdens het drogen, wat het rigide zandgeraamte verstoorde.
• Microstructuur (SEM): SEM-analyse bevestigde dat de 20% formulering beschikte over een continue bindmiddelbrug en uniforme deeltjesinkapseling met lage porositeit. In tegenstelling hiermee vertoonde de 10% sample holtes en discontinue bruggen, terwijl de 30% sample agglomeratie van bindmiddel en structurele discontinuïteiten vertoonde.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat deze studie de eerste empirische evaluatie biedt van Detarium senegalense als een natuurlijk, enkelvoudig bindmiddel voor cementvrije bakstenen geproduceerd via koude compactie. Het onderzoek toont aan dat Detarium senegalense zaadpoeder het potentieel heeft om Portlandcement volledig te vervangen voor specifieke toepassingen.

De studie concludeert dat de 20 gew.% bio-bindmiddelformulering de optimale balans biedt, met de hoogste druksterkte en structurele integriteit geschikt voor niet-dragende constructies, zoals scheidingswanden, rurale infrastructuur en tijdelijke gebouwen. De auteurs benadrukken dat het koudpersing productieproces het energieverbruik en de koolstofemissies vermindert door het elimineren van de noodzaak voor verhitting. De paper merkt echter bescheiden op dat de huidige waterbestendigheid onvoldoende is voor langdurig buitengebruik of structurele toepassingen. Daarom stellen de auteurs dat toekomstige verbeteringen, zoals hydrofobe oppervlaktebehandelingen of bio-mineraal hybride systemen, noodzakelijk zijn voordat deze bakstenen kunnen worden aanbevolen voor bredere buitenbouw of structurele inzet.