Ex situ and in situ characterization of an innovative and sustainable bio-based building material : hemp-lime

Bio-based building materials are innovative solutions developed to reduce the huge environmental impact of the building sector. The related emissions are due to the production of materials and the operation (e.g., heating and cooling) of buildings. In this framework, research focuses on materials characterized by sustainable production processes and good insulation properties, able to improve the energy efficiency of buildings. Bio-based materials are promising candidates to replace traditional ones; they contain agricultural biomasses that are used as raw materials for building purposes. Consequently, their production process adheres to the principles of circular economy since it enables the recovery and valorisation of material that otherwise would have been a waste. Once installed, these materials can provide excellent thermal and acoustic insulation thanks to the porosity and hygroscopicity of the vegetal aggregates. The present research focused on hemp-lime, a bio-based material obtained by mixing hemp shives, a mineral binder and water. The vegetal aggregates derive from the by-product of the industrial hemp crop that is a woody stem; through a simple procedure called scutching, the stem is cut into particles with controlled granulometry called hemp shives or hurds. The mineral binder is typically lime-based and constitutes the matrix of the final composite material. The proportion among hemp shives and binder depends on the final application (e.g., plasters, prefabricated blocks, in situ casting). The research activity was carried out in collaboration with ENEA (Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development). The focus of the project was the determination of the properties of hemp-lime produced by an Italian company; this included the evaluation of the performances of the material in Mediterranean climatic conditions. During the project, hemp-lime walls were monitored in laboratory and in situ to study their hygrothermal performances. The experimental campaigns were performed a few months after the walls construction and 3 years later to assess the effect of the material maturation on its hygrothermal performances. In parallel to these tests, periodic characterization analyses were performed via X-Ray Diffraction (XRD) and thermogravimetry (TG-DTG) to investigate the evolution of the carbonation of the binder. This reaction is crucial for the development of the hygrothermal properties, mechanical strength, and durability of hemp-lime. For this reason, a chemical analysis was performed to study further the proceeding of carbonation in different material formulations. In addition, sorption isotherms and thermal conductivity of hemp-lime were measured in laboratory to implement the numerical simulations. These were performed with the software WUFI® which simulates the hygrothermal behavior of building envelopes in a dynamic regime. Furthermore, mechanical tests were carried out to determine the behavior at failure of hemp-lime and to estimate the modulus of Young of different formulations used to produce prefabricated blocks. Among the analysed samples, the one used to produce the walls mentioned before was also studied. Such experiments were carried out with a triaxial set-up to test the material in conditions as similar as possible to the service ones. Eventually, the analysis of the environmental performances of hemp-based building products was performed according to the Life Cycle Assessment (LCA) methodology. The latter considered the quantification of carbonation advancement derived from the experimental characterization of hemp-lime. Hemp-lime blocks showed satisfactory hygrothermal performances in Mediterranean climatic conditions; this behavior developed over time with the proceeding of the binder carbonation, evidenced by the characterization of the material. In terms of mechanical properties, the experimental results confirmed the possibility of using hemp-lime with a non-loadbearing function solely due to its low modulus of Young. The LCA analysis proved the good environmental performances of hemp-lime that further improve when the binder-to-aggregate ratio is lower (e.g., formulations for infill or plasters).

I materiali da costruzione contenenti aggregati vegetali sono soluzioni innovative, sviluppate per ridurre l’enorme impatto ambientale del settore delle costruzioni. Le emissioni inquinanti sono generate durante la produzione dei materiali e il funzionamento degli edifici, in particolare dal raffrescamento e riscaldamento delle strutture. In questo contesto, la ricerca si concentra su materiali caratterizzati da processi di produzione più sostenibili e da buone proprietà isolanti, tali da migliorare l’efficienza energetica degli edifici. Queste soluzioni a base naturale o vegetale sono possibili candidate per sostituire i materiali da costruzione tradizionali. In particolare, questi materiali sono caratterizzati dalla presenza di aggregati vegetali ottenuti dal recupero di biomasse agricole che sono quindi utilizzate come materia prima per uso edile. Di conseguenza, il processo di produzione segue i principi dell’economia circolare dato che un materiale che sarebbe un rifiuto viene recuperato e acquisisce un valore aggiunto tramite un nuovo utilizzo. Questi materiali in esercizio sono caratterizzati da eccellenti proprietà di isolamento termico e acustico grazie alla porosità e igroscopicità tipiche del materiale vegetale che contengono. Questa tesi si concentra sul calcecanapulo, un materiale edile naturale ottenuto mescolando il canapulo, un legante minerale e acqua. L’aggregato vegetale deriva dal prodotto secondario della coltivazione della canapa industriale: lo stelo legnoso della pianta. Attraverso una semplice procedura di separazione della fibra dallo stelo, chiamata stigliatura, la parte legnosa della pianta viene tagliata in modo da ottenere canapulo che, se caratterizzato da una granulometria adatta, può essere utilizzato come aggregato in materiali per l’edilizia. Il legante minerale è tipicamente a base calce e costituisce la matrice del materiale composito chiamato calcecanapulo. La proporzione tra canapulo e legante dipende dall’applicazione finale (ad esempio intonaci, blocchi prefabbricati o getti in cantiere). L’attività di ricerca in situ è svolta in collaborazione con ENEA (Agenzia Italiana per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile). Il progetto si concentra sulla determinazione delle prestazioni del calcecanapulo prodotto da un’azienda italiana; questo comprende la valutazione delle prestazioni del materiale in condizioni climatiche mediterranee. La tesi presenta i risultati dei monitoraggi delle prestazioni termoigrometriche che sono stati svolti sia in laboratorio che in campo su pareti costruite in blocchi prefabbricati di calcecanapulo. Le stesse campagne sperimentali sono state ripetute dopo 3 anni rispetto alle prime che erano state svolte pochi mesi dopo la costruzione delle pareti. I monitoraggi sono stati ripetuti per studiare l’effetto della maturazione del calcecanapulo sulle sue prestazioni. In parallelo a queste prove sono state effettuate analisi periodiche di caratterizzazione tramite diffrazione ai raggi X (DRX) e termogravimetria (TG-DTG) per studiare l’evoluzione della carbonatazione del legante. Quest’ultima è fondamentale per lo sviluppo delle prestazioni termoigrometriche, della resistenza meccanica e della durabilità del materiale. Per questa ragione è stata effettuata anche un’analisi chimica per valutare l’avanzamento del processo di carbonatazione in diverse formulazioni di calcecanapulo. Inoltre, le isoterme di assorbimento e la conducibilità termica sono state misurate in laboratorio e i risultati sono stati utilizzati per l’elaborazione delle simulazioni numeriche. Queste ultime sono state ottenute con il software WUFI® che permette di simulare il comportamento termoigrometrico degli involucri edilizi in regime dinamico. Infine, sono state effettuate delle prove meccaniche con l’obiettivo di determinare il comportamento a rottura del materiale e valutare il modulo di Young di 4 diverse mescole utilizzate per la produzione di blocchi prefabbricati in calcecanapulo. Tra le formulazioni studiate è compresa quella utilizzata per costruire le pareti citate in precedenza. Le prove meccaniche scelte sono prove triassiali che permettono di testare il materiale in condizioni simili il più possibile a quelle di servizio. Infine, è stata svolta l’analisi delle prestazioni ambientali di tre materiali edili a base canapa secondo la metodologia di valutazione del ciclo di vita LCA. Per svolgere quest’ultima analisi sono stati utilizzati i dati sulla carbonatazione ottenuti tramite la caratterizzazione del materiale svolta in laboratorio. I blocchi in calcecanapulo hanno mostrato buone proprietà termoigrometriche nelle condizioni climatiche tipiche dell’area mediterranea, queste prestazioni si sviluppano nel tempo con la maturazione del materiale, che avviene tramite la carbonatazione del materiale. Quest’ultima è stata studiata tramite le analisi di caratterizzazione citate in precedenza. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, i risultati sperimentali confermano la possibilità di usare il calcecanapulo esclusivamente con funzione non portante, a causa del suo basso modulo di Young. L’analisi LCA ha dimostrato le buone prestazioni ambientali del materiale, che migliorano al decrescere del rapporto legante – aggregato, come nel caso delle formulazioni preparate per i riempimenti o gli intonaci.