How sustainable are natural construction materials? Stabilised rammed earth, hempcrete and other strategies to reduce the life-cycle environmental impact of buildings

According to the last Intergovernmental Panel on Climate Change report, buildings account for a dramatic share of global environmental impacts. Indirect emissions related to the energy consumed during the operational stage are mainly responsible for these impacts; however, as the energy efficiency of buildings is optimised, the contribution of materials-related impacts, such as raw materials extraction (ca. 45% globally) and waste generation (ca. 33% in Europe), emerges. In recent years, different strategies have been promoted to reduce the environmental burdens related to the pre-use and the after-demolition stages of a building life cycle. In the present thesis, some of these strategies were analysed using the life cycle assessment (LCA) tool and innovative methods were proposed to further improve their sustainability. The research encompassed different levels of the building’s scale: from the microstructure of a construction material to the macrostructure of a whole edifice. The first strategy investigated was the use of natural materials, both in non-load-bearing components (e.g. insulation, plaster) and as base constituent for load-bearing structures. Raw earth, and in particular modern rammed earth (RE), was taken as a representative case study. RE enjoyed a revival in recent decades due to its appealing environmental features and hygrothermal performances. However, contrary to the traditional technique, in modern RE construction the earthen mixture is stabilised with chemical binders to enhance strength and reduce erosion and the tendency to crack. The LCA analysis highlighted the crucial role of the stabilising agent used, typically Portland cement, on the overall impact of modern RE buildings. Waste materials such as fly ash, calcium carbide residue and recycled concrete aggregate were here proposed as alternative stabilising agents and base mixtures for RE construction. The resulting mixtures were evaluated not only in terms of environmental impacts but also in terms of mechanical resistance, durability and hygrothermal properties. A thorough investigation of the microstructure was conducted to understand the short and long term interactions between the stabiliser and the soil. The results of the experimental campaign demonstrated that it is possible to have durable stabilised RE mixes without paying the cost of using environmentally-expensive stabilisers. On the other hand, all kinds of chemical stabilisation seemed to reduce the moisture buffer ability typical of untreated earthen surfaces. The other natural building material investigated in the thesis was hempcrete. Hempcrete is a non-load bearing insulating material that has known an increased popularity in recent years. It is made from a mixture of the inner woody core of the hemp plant (hemp shives) and a lime-based binder. In addition to the LCA of the material, an extensive sensitivity analysis was performed to highlight possible improvements in the mixture. Moreover, the carbonation of the binder was monitored through X-ray Powder Diffraction analysis on hempcrete blocks and the resulting experimental findings were included in the sustainability analyses for the first time. In light of laboratory experimental evidence, although carbonation reduced the global warming potential of the product, the common assumption that a hempcrete wall goes through a complete carbonation during the use phase seems unrealistic. Nevertheless, hempcrete blocks can be considered as a carbon sink, since the CO2 stocked in the material was higher than the overall emissions during production. Design for disassembly and recovery of building materials and components after demolition are other viable alternatives to reduce the life cycle environmental impacts of buildings. In the present thesis, the importance of the selection of materials and their recycling potential were investigated at the building scale by performing an LCA analysis on a temporary pavilion built for the EXPO 2015 event held in Milan. Environmental impacts of temporary structures can be considered a proxy indicator for low-energy buildings due to the shared minor importance of the use-phase in the overall sustainability. Data for the LCA were collected directly on site and the related difficulties were brought to light. Results confirmed the importance of the design phase and demonstrated that foreseeing a second use for the building components could significantly reduce the impacts of a building. LCA is an acknowledged tool aimed at uncovering the real impacts of a product and at highlighting the environmental “hotspots” of a production process. In the present work, the LCA tool was used as a starting point for further investigations: once the hotspots were identified, alternative solutions in terms of material selection were proposed and detailed experimental campaigns were performed to prove their feasibility and performance. Finally, the assessment was not limited to an attributional approach, but the implications on the market of the alternative solutions were included via a tool known as consequential LCA. In conclusion, the strategies examined and the improvements proposed in this research study proved to be effective solutions in the framework of the buildings’ impacts reduction challenge.

Secondo l'ultimo report del Gruppo Intergovernativo sul Cambiamento Climatico (IPCC), gli edifici sono responsabili di una fetta notevole degli impatti ambientali globali. Sebbene le emissioni indirette legate ai consumi energetici durante la fase d’uso di un edificio siano le principali responsabili di questi impatti, il contributo legato all’utilizzo dei materiali cresce di pari passo con l’efficientamento energetico degli edifici. Tipici esempi di impatti legati all’uso dei materiali sono l'estrazione di materie prime e la produzione di rifiuti. Negli ultimi anni, diverse strategie sono state promosse per ridurre gli impatti ambientali relativi alle fasi di pre-uso e di post-demolizione di un edificio. In questa tesi, alcune di queste strategie sono state analizzate attraverso l’analisi del ciclo di vita (LCA) e metodi innovativi sono stati proposti per migliorarne ulteriormente la sostenibilità. La ricerca si è sviluppata su più livelli: dalla microstruttura di un materiale da costruzione alla macrostruttura di un intero edificio. La prima strategia considerata è stata l'utilizzo di materiali naturali per la bioedilizia, sia come basi per strutture portanti sia per strutture leggere, come ad esempio gli isolanti. La terra cruda, ed in particolare la terra battuta, è stata presa come caso di studio rappresentativo di una struttura portante. Questa tecnica ha goduto di una rinascita negli ultimi decenni in diverse parti del mondo grazie alle sue accattivanti proprietà ambientali e alle sue ottime prestazioni igrotermiche. Tuttavia, contrariamente alla tecnica tradizionale, la terra battuta moderna è generalmente stabilizzata con leganti idraulici atti a migliorarne la resistenza meccanica e a ridurne l'erosione e la tendenza a fessurare. L'analisi LCA ha evidenziato il ruolo cruciale del legante utilizzato, tipicamente cemento Portland, sull'impatto complessivo delle moderne strutture in terra battuta. Materiali di scarto, quali ceneri volanti e calce dalla produzione di acetilene, sono stati quindi investigati come possibili agenti stabilizzanti al fine di ridurre l’utilizzo di cemento nelle miscele. Le miscele risultanti sono state valutate non solo in termini di impatto ambientale, ma anche in termini di resistenza meccanica, durabilità e prestazioni igrotermiche. Un’analisi approfondita della microstruttura è stata condotta per comprendere le interazioni a breve e lungo termine tra lo stabilizzante e la terra. I risultati della campagna sperimentale hanno dimostrato che è possibile avere una struttura in terra battuta che sia durevole e allo stesso tempo ambientalmente sostenibile. D'altro canto, tutti i tipi di stabilizzazione sembrano ridurre la capacità dei muri in terra di regolare l’umidità indoor. Come caso di studio per una struttura non-portante è stato considerato il mattone in calcecanapulo. Il calcecanapulo è un materiale isolante che ha accresciuto la sua popolarità negli ultimi anni, composto da una miscela di canapulo, la parte legnosa della pianta di canapa, e un legante a base di calce. Oltre all’LCA del materiale, un’ampia analisi di sensitività è stata eseguita per identificare i punti eventualmente migliorabili. Inoltre, la carbonatazione del legante nella miscela è stata monitorata nel tempo mediante analisi ai raggi X e i risultati sperimentali sono stati inclusi nell’analisi di sostenibilità. Alla luce dei risultati sperimentali, anche se la carbonatazione riduce il potenziale di riscaldamento globale del prodotto, la generica assunzione che un muro di calcecanapulo carbonati completamente durante la vita dell’edificio sembra irrealistica. Ciononostante, i mattoni in calcecanapulo possono essere considerati come depositi di carbonio, poiché la CO2 stoccata nel materiale risulta essere maggiore di quella emessa durante la loro produzione. Il Design for Disassembly (progettare per disassemblare) e il riutilizzo/riciclo dei materiali da costruzione dopo la demolizione sono altre valide alternative per ridurre l'impatto ambientale del ciclo di vita degli edifici. L'importanza della selezione dei materiali e del loro potenziale di riciclaggio sono stati studiati alla scala dell’edificio eseguendo un'analisi LCA di un padiglione temporaneo costruito per l'evento EXPO 2015 tenutosi a Milano. Le strutture temporanee possono essere considerate come indicatori proxy di edifici a basso consumo energetico poiché entrambi hanno una fase d’uso con bassi impatti ambientali in relazione all’intero ciclo di vita. I dati per l'LCA sono stati raccolti direttamente sul sito costruttivo e le relative problematiche sono state portate alla luce. I risultati hanno confermato l'importanza della fase di progettazione e hanno dimostrato come la previsione di una seconda vita per i componenti dell'edificio possa ridurre notevolmente l'impatto ambientale di un edificio. Nel presente lavoro, l’analisi LCA è stata utilizzata come punto di partenza per ricerche sperimentali: una volta che l’analisi ha evidenziato gli hotspot ambientali della strategia investigata, soluzioni alternative per ridurre l’impatto di questi punti sono state analizzate. Campagne sperimentali sono poi state eseguite per dimostrare la fattibilità di queste alternative e per valutarne le prestazioni. Infine, l’analisi LCA non è stata limitata ad un approccio attributional, ma le implicazioni sul mercato delle soluzioni alternative sono state analizzate con un approccio consequential. In conclusione, le strategie esaminate e i miglioramenti proposti in questa tesi hanno dimostrato di essere soluzioni efficaci nel quadro della sfida per la riduzione dell'impatto ambientale del settore edile.