Mathematical analysis of mechanical and thermal properties of hemp shivebased composites - regression model fitting

• Autorzy: Hryniewicz Marek

Identyfikatory

DOI

10.15199/180.2025.1.3

Warianty tytułu

PL

Analiza matematyczna właściwości mechanicznych i termicznych kompozytów na bazie paździerzy konopnych - dopasowanie modelu regresji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study investigates the dependencies between mechanical and thermal characteristics of hemp shive-based composite. The composites of this type are becoming popular because they are environmentally friendly, provide good thermal insulation, and have strong mechanical properties, serving as a viable alternative to traditional building materials. The research analyzes how these materials conduct heat and withstand pressure, using different ratios of hemp shive to binder. To predict the behavior of the mentioned materials, three mathematical models were applied: linear, quadratic, and exponential. The study has determined that linear models are the most effective for practical applications, as they have high R² values, indicating a good fit with the data. A strong correlation was found between thermal conductivity and compressive strength, which helps in improving composite designs. The results endorse the use of hemp-based composites in construction, highlighting their ability to balance thermal efficiency, mechanical strength, and environmental sustainability. The study suggests more research to explore alternative binders, assess long-term durability, and evaluate the feasibility of large-scale production.

PL

W pracy zbadano zależności pomiędzy właściwościami mechanicznymi i termicznymi kompozytu na bazie paździerzy konopnych. Kompozyty tego typu cieszą się coraz większą popularnością, ponieważ są przyjazne dla środowiska, zapewniają dobrą izolację termiczną i posiadają dobre właściwości mechaniczne, stanowiąc realną alternatywę dla tradycyjnych materiałów budowlanych. W badaniu analizowano, w jaki sposób te materiały przewodzą ciepło i wytrzymują ciśnienie, stosując różne proporcje paździerzy konopnych do spoiwa. Do przewidywania zachowania tych materiałów zastosowano trzy modele matematyczne: liniowy, kwadratowy i wykładniczy. W badaniu ustalono, że modele liniowe są najskuteczniejsze w zastosowaniach praktycznych, ponieważ mają wysokie wartości R², co wskazuje na dobre dopasowanie do danych. Stwierdzono silną korelację między przewodnością cieplną a wytrzymałością na ściskanie, co pomaga w ulepszaniu projektów kompozytów. Wyniki potwierdzają zastosowanie kompozytów na bazie konopi w budownictwie, podkreślając ich zdolność do równoważenia wydajności cieplnej, wytrzymałości mechanicznej i zrównoważenia środowiskowego. Badanie sugeruje dalsze badania w celu zbadania alternatywnych spoiw, oceny długoterminowej trwałości i oceny wykonalności produkcji na dużą skalę.

Słowa kluczowe

EN

hemp composite; mathematical modeling; regression modeling; sustainable construction

PL

kompozyt konopny; modelowanie matematyczne; modelowanie regresyjne; budownictwo zrównoważone

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Polish Technical Review
• Rocznik: 2025
• Tom: No. 1
• Strony: 18--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., tab.

Twórcy

autor

Hryniewicz Marek

• Department of Economical and Energetical Analyses, Institute of Technology and Life Sciences - National Research Institute, Falenty, Al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9926-699X

Bibliografia

• [1] F. Pomponi and A. Moncaster, "Embodied carbon mitigation and reduction in the built environment - What does the evidence say?," Journal of Environmental Management, vol. 181, pp. 687-700, 2016. doi: 10.1016/j.jenvman.2016.08.036.
• [2] A. G. F. Gibb and T. Isack, "Re-engineering through pre-assembly: client expectations and drivers," Building Research & Information, vol. 31, no. 2, pp. 146-160, 2003. doi: 10.1080/09613210302000.
• [3] C. Niyigena, S. Amziane, A. Chateauneuf, L. Arnaud, L. Bessette, and A. Collet, "Variability of the mechanical properties of hemp concrete," Materials Today Communications, vol. 7, pp. 122-133, 2016. doi: 10.1016/j.mtcomm.2016.03.001.
• [4] T. Jami, S. R. Karade, and L. P. Singh, "A review of the properties of hemp concrete for green building applications," Journal of Cleaner Production, vol. 239, p. 117852, 2019. doi: 10.1016/j. jclepro.2019.117852.
• [5] F. Benmahiddine, R. Cherif, F. Bennai, R. Belarbi, and A. Tahakourt, "Effect of flax shives content and size on the hygrothermal and mechanical properties of flax concrete," Construction and Building Materials, vol. 262, p. 120077, 2020. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120077.
• [6] F. Collet and S. Prétot, "Thermal conductivity of hemp concretes: Variation with formulation, density and water content," Construction and Building Materials, vol. 65, pp. 612-619, 2014. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.05.039.
• [7] P. Brzyski, M. Gładecki, M. Rumińska, K. Pietrak, M. Kubiś, and P. Łapka, "Influence of hemp shives size on hygro-thermal and mechanical properties of a hemp-lime composite," Materials, vol. 13, no. 23, p. 5383, 2020. doi: 10.3390/ma13235383.
• [8] G. Walker, T. Pavia, and B. Mitchell, "Mechanical properties and durability of hemp-lime bio-composites," Construction and Building Materials, vol. 61, pp. 340-348, 2014. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.02.065.
• [9] M. Mazhoud, M. Collet, M. Prébé, and P. Lanos, "Influence of hemp shives size on hygro-thermal and mechanical properties of hemp lime concrete," Materials, vol. 13, no. 23, p. 5383, 2020. doi: 10.3390/ma13235383.
• [10] N. Stevulova, L. Kidalova, J. Junak, J. Cigasova, E. Terpakova, "Effect of Hemp Shive Sizes on Mechanical Properties of Lightweight Fibrous Composites," Procedia Engineering, vol. 42, pp. 496-500, 2012. doi: 10.1016/j.proeng.2012.07.441.
• [11] F. Collet i S. Pretot, "Mechanical and thermal properties of hemp concretes: Variation with formulation density," Construction and Building Materials, vol. 65, s. 612-619, 2014. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.05.039.
• [12] M. Mazhoud, M. Collet, M. Prébé i P. Lanos, "Influence of hemp shives size on hygro-thermal and mechanical properties of hemp lime concrete," Materials, vol. 13, nr 23, s. 5383, 2020. doi: 10.3390/ma13235383.
• [13] M. Rahim, O. Douzane, A. Le Tran, G. Promis, and T. Langlet, "Characterization and comparison of hygric properties of rape straw concrete and hemp concrete," Construction and Building Materials, vol. 102, pp. 679-687, 2016. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2015.10.137.
• [14] F. Benmahiddine, R. Cherif, F. Bennai, R. Belarbi, and A. Tahakourt, "Effect of flax shives content and size on the hygrothermal and mechanical properties of flax concrete," Construction and Building Materials, vol. 262, p. 120077, 2020. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120077.
• [15] E. Latif, M. Lawrence, A. Shea, and P. Walker, "Moisture buffer potential of experimental wall assemblies incorporating formulated hemp-lime," Building and Environment, vol. 93, pp. 199-209, 2015. doi: 10.1016/j.buildenv.2015.07.013.
• [16] R. Walker and S. Pavía, "Moisture transfer and thermal properties of hemp-lime concretes," Construction and Building Materials, vol. 64, pp. 270-276, 2014. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.04.081.
• [17] H. M. Simonson, M. Sandberg, and C. G. A. Wyon, "The effect of indoor air humidity and perceived air quality, nose and throat symptoms, and skin condition in office workers: A six‐week longitudinal study," Indoor Air, vol. 16, no. 1, pp. 30-38, 2006. doi: 10.1111/j.1600-0668.2005.00318.x.
• [18] E. Latif, M. Lawrence, A. Shea, and P. Walker, "Moisture buffer potential of experimental wall assemblies incorporating formulated hemp-lime," Building and Environment, vol. 93, pp. 199-209, 2015. doi: 10.1016/j.buildenv.2015.07.013.
• [19] A. K. Persily and J. Gorfain, "Analysis of ventilation data from the U.S. Environmental Protection Agency Building Assessment Survey and Evaluation (BASE) Study," Building and Environment, vol. 39, no. 12, pp. 1453-1469, 2004. doi: 10.1016/j. buildenv.2004.01.025.
• [20] P. Mukhopadhyaya, M. Kumaran, and N. Normandin, "Hygrothermal performance of building materials," Journal of Building Physics, vol. 30, no. 2, pp. 153-170, 2006. doi: 10.1177/1744259106063965.
• [21] M. Brümmer, J. A. Durán-Suárez, and M. P. Sáez-Pérez, "A review of the factors affecting the properties and performance of hemp aggregate concretes," Journal of Building Engineering, vol. 37, p. 102149, 2021. doi: 10.1016/j.jobe.2021.102149.
• [22] L. Cosentino, J. Fernandes, and R. Mateus, "Fast-Growing Bio- -Based Construction Materials as an Approach to Accelerate United Nations Sustainable Development Goals," Applied Sciences, vol. 14, no. 11, p. 1234, 2024. doi: 10.3390/app14111234.
• [23] Jami, Tarun & M.E Phd, Deepak & Agrawal, Yadvendra. (2016). Hemp Concrete: Carbon Negative Construction. Emerging Materials Research. 5. 10.1680/jemmr.16.00122.
• [24] Sáez-Pérez, Mpaz & Brümmer, Monika & Suárez, Jorge A. (2020). A review of the factors affecting the properties and performance of hemp aggregate concretes. Journal of Building Engineering. 31. 101323. 10.1016/j.jobe.2020.101323.
• [25] P. Brzyski, „Kompozyt wapienno-konopny jako materiał ścienny spełniający wymagania zrównoważonego rozwoju w budownictwie”, Lublin: Politechnika Lubelska, 2022. ISBN: 978-83-7947-533-9, [Online]. Available: https://bc.pollub.pl/Content/13781/ kompozyt.pdf. [Accessed: 02-Feb-2025].