Experimental and numerical study of an innovative bio-based building material

Bio-based building materials are an emerging category that is progressively gaining interest for its carbon footprint which is usually neutral or even negative. Hemp concrete (or hempcrete) is probably the most investigated one. It is composed of a mineral binder, usually lime, and a vegetal aggregate coming from the ligneous part of the hemp stem. The latter is responsible for the benefits in terms of environmental sustainability, thanks to its carbon dioxide biogenic uptake and to its nature of recovered biomass. The highly porous microstructure of hempcrete leads to remarkable properties of moisture regulation and thermal and acoustic insulation. Compressive strength, instead, is very limited, often even under 1 MPa, and thus the material is installed for non-loadbearing applications. An experimental campaign has been carried out to expand the still reduced knowledge about its mechanical behaviour through triaxial compression tests. An increase of density determines higher maximum stresses and Young’s modulus values, the latter changing by about one order of magnitude. However, the evaluation of elastic modulus and Poisson’s ratio turned out to be subjected to a certain variability and thus more complicated to be consistently determined. Mohr-Coulomb failure criterion has appeared to be a suitable choice to describe and predict the material limit shear strength as a function of the applied stress. Different characterisation techniques have been also performed to mainly analyse composition. This has been achieved through X-ray diffraction (XRD), thermogravimetry (TG) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), which have also allowed to monitor the progress of carbonation reaction at increasing maturation times. XRD has been the most effective in determining the expected increase of carbonates due to the conversion of hydroxides. A numerical part has also been implemented, regarding the setting of a preliminary mathematical model which has yet to be accompanied by the collection of all the material data necessary for its calibration. It focuses on the simulation of the evolution in time and space of the mentioned carbonation inside hemp concrete.

I materiali da costruzione a base biologica sono una categoria emergente che sta ottenendo un progressivo interesse per via dell’impronta di carbonio neutra o addirittura negativa. Il calcestruzzo di canapa (o calcecanapulo) è probabilmente il più studiato. È composto da un legante minerale, solitamente calce, e un aggregato vegetale proveniente dalla parte legnosa dello stelo della canapa, responsabile dei benefici in termini di sostenibilità ambientale grazie al suo assorbimento biogenico di anidride carbonica e alla sua natura di biomassa di recupero. La microstruttura altamente porosa del calcecanapulo ne determina notevoli proprietà di regolazione dell’umidità e isolamento termico e acustico. La resistenza a compressione è invece molto limitata, spesso anche minore di 1 MPa, per cui il materiale viene utilizzato per applicazioni non strutturali. È stata condotta una campagna sperimentale al fine di espandere il livello di conoscenza ancora ridotto riguardo al suo comportamento meccanico attraverso dei test di compressione triassiale. Un aumento di densità determina più alti valori di massimo sforzo e modulo di Young, con quest’ultimo che aumenta di circa un ordine di grandezza. Tuttavia, la sua valutazione, insieme a quella del coefficiente di Poisson, si è rivelata essere soggetta ad una certa variabilità e quindi più complicata da determinare in modo affidabile. Il criterio di rottura di Mohr-Coulomb è apparso essere una scelta adatta a descrivere e predire lo stato limite di resistenza a taglio del materiale in funzione dello sforzo applicato. Sono anche state eseguite diverse tecniche di caratterizzazione per analizzare principalmente la composizione: diffrazione a raggi X (XRD), termogravimetria (TG) e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR). Queste hanno anche permesso di monitorare l’avanzamento della reazione di carbonatazione a tempi di maturazione crescenti. L’analisi XRD è stata la più efficace nel determinare il previsto aumento di carbonati dovuto alla conversione degli idrossidi. È stata anche implementata una parte numerica riguardante l’impostazione di un modello matematico preliminare, da dover poi accompagnare alla raccolta di tutti i dati relativi al materiale necessari per la calibrazione. Esso si focalizza sulla simulazione dell’evoluzione nel tempo e nello spazio della già citata carbonatazione all’interno del calcecanapulo.