Comparative life cycle assessment of mechanical and environmental performance of sustainable construction materials

The global building and construction sector is estimated to be worth 10% of global GDP (USD 8.5 trillion, in 2019) and accounts for about 36% of final energy consumption and 40% of energy and process-related emissions, 6% and 11% of which respectively resulted from manufacturing building materials and products such as steel or cement. Being the forecasts of the sector driven by strong floor space and population expansions, this scenario requires to reduce the life cycle environmental burdens of building materials by minimizing the usage of embodied and operational energies. Accordingly, the analysis focuses on testing the mechanical performance and environmental impacts of the production phase of stabilized rammed earth wall via Life Cycle Assessment (LCA). Rammed earth technique is adopted given its environmental, physical and hygrothermal performances. The soil-sand mixture is stabilized with natural additives: lignin sulfonate, tannins, grape seeds pomace, citrus peels, and wool. The following tests are executed: proctor compaction test, unconfined compressive strength test, shrinkage test, matric suction calculation, SEM, XRD. Three analyzed additives improve the mechanical strength of the rammed earth, specifically, lignin sulfonate (by 38%), tannins (13%) and wool (6%). All stabilized materials show a performance improvement due to the enhanced values resulting from the shrinkage limit, however lignin consistently overperformed with respect to the base material. Lignin increases the stiffness of the base material by 80%, while wool enhances the material elastic response. Through a comparative LCA, the environmental impacts generated by the construction phase of rammed earth wall stabilized with three natural additives is performed. As a result, lignin and wool-stabilized walls show almost negligible difference in terms of environmental impact and both are comparable to the unstabilized case. A full LCA considering building’s operational phase and end-of-life scenarios may be conducted to achieve the optimal energy efficiency that could minimize the environmental impact. Still, potential effects of additives on other properties require further investigation.

Si stima che il settore dell’edilizia e delle costruzioni, valga il 10% del PIL mondiale (USD 8.5 trilioni, nel 2019) e rappresenti circa il 36% del consumo energetico e il 40% delle emissioni relative ai processi legati all’energia, di cui, il 6% e 11% rispettivamente derivano dalla produzione di materiali edili e prodotti come acciaio o cemento. Essendo le previsioni del settore alimentate dalla forte espansione della popolazione e quindi, della superficie abitabile, questo scenario richiede una necessaria riduzione degli impatti del settore edilizio, in termini di consumi energetici durante la fase di costruzione e utilizzo dell’abitato. Di conseguenza, l’analisi si focalizza sulla valutazione della performance meccanica e degli impatti ambientali della fase di produzione di muri in terra batutta, o pisé, utilizzando la metodologia Life Cycle Assessment. La tecnica costruttiva del pisé viene impiegata per le prestazioni sotto il profilo ambientale, fisico e igrotermico. Un mix di terra e sabbia viene utilizzato come materiale di partenza, con l’aggiunta di additivi naturali: ligninsolfonato, tannini, farina di vinacciolo, pastazzo di agrumi, lana. I seguenti tests sono stati eseguiti: test di compattazione mediante proctor, compressione uniassiale non confinata, test di ritiro, calcolo della matrice di suzione, SEM, XRD. I tre additivi naturali analizzati incrementano la resistenza meccanica della terra battuta, in particolare, il ligninsolfonato del 38%, i tannini del 13% e la lana del 6%. Tutti i materiali stabilizzati, presentano un miglioramento dovuto al rafforzamento dei valori del limite di ritiro, ciò nonostante il ligninsolfonato presenta delle prestazioni meccaniche significativamente maggiori rispetto al materiale base. Il ligninsolfonato aumenta la rigidità del materiale base dell’80%, mentre la lana accresce la risposta elastica del materiale. Attraverso una analisi LCA comparativa, sono stati analizzati gli impatti ambientali generati dalla fase di costruzione del muro di terra battuta, stabilizzato con i tre additivi naturali. In conclusione, in termini di impatto ambientale, entrambi i muri stabilizzati con il ligninsolfonato e con la lana, mostrano prestazioni ambientali equivalenti e con differenze assolutamente trascurabili rispetto al caso del materiale non stabilizzato. Invece l’utilizzo dei tannini come stabilizzante potrebbe essere abbandonato a causa degli impatti ambientali aumentati del 95% in tutte le catogorie analizzate. Al fine di raggiungere un livello ottimale di efficienza energetica, in grado di minimizzare l’impatto ambientale, si potrebbe condurre una analisi LCA completa, includendo quindi anche le fasi operative di costruzione e di gestione del fine vita dei materiali utilizzati. Inoltre, eventuali effetti degli additivi su altre proprietà dei materiali, richiederebbero ulteriori analisi.