Hemp crop waste for green solutions in construction: physical and mechanical characterization

Abstract

(English) The primary goal of this thesis is to unlock the potential of hemp stalk, an agricultural byproduct that currently lacks practical applications. The overarching aim is to promote the use of eco-friendly materials, reduce waste, emphasize recyclability, and embrace the principles of a circular economy, all while combating climate change by adopting more sustainable materials in lieu of synthetic ones. To achieve these objectives, an extensive review of existing literature served as an initial step to explore the untapped potential of hemp stalk. This thorough exploration identified five possible applications: acoustic insulation materials, thermal insulation materials, particleboard, coffered ceiling, and parquet flooring. Subsequent research delved into identifying suitable plant-based binders and environmentally responsible manufacturing techniques. Following this material-focused phase, an initial investigation was carried out by experimenting with various materials and manufacturing methods to ascertain which of the five applications held the most promise. The results were particularly encouraging for insulation materials, although coffered ceiling also displayed significant potential. The insulation materials utilize recycled cardboard as a binder and employ manufacturing methods with minimal energy consumption during mixing and drying, resulting in low carbon emissions and sustainable materials. Once the material was selected, efforts were made to enhance its properties. This involved incorporating a plant-based coating (comprising arabic gum and colophony) to provide protection and introducing a crosslinking agent (citric acid) to bolster durability and material properties. These additions were meticulously assessed through a battery of tests related to thermal and acoustic insulation, mechanical characteristics, water resistance, fire resistance, and chemical analysis, such as FTIR spectroscopy. To validate the material’s performance, durability tests were conducted, exposing samples to humidity cycles over 0, 3, 6, and 9 months, alongside a scaled-down life cycle analysis. The end result was a material boasting superior thermal insulation properties compared to commercial alternatives, albeit with slightly lower acoustic insulation performance. Notably, citric acid was found to marginally enhance the material’s durability. Furthermore, it was determined that different coatings could be selected depending on the application environment, thereby optimizing specific properties.

(Català) L'objectiu principal d'aquesta tesi és revelar el potencial de la canemuixa, un subproducte agrícola que actualment manca d'aplicacions pràctiques. L'objectiu general és promoure l'ús de materials respectuosos amb el medi ambient, reduir els residus, fer èmfasi en la capacitat de reciclatge i abraçar els principis d'una economia circular, tot mentre es combat el canvi climàtic mitjançant l'adopció de materials més sostenibles en lloc dels sintètics. Per assolir aquests objectius, es va dur a terme una exhaustiva revisió de la literatura existent per explorar el potencial encara no aprofitat de la canemuixa. Es van identificar cinc possibles aplicacions: materials aïllants acústics i tèrmics, taulells aglomerats, cassetons i parquet. La investigació posterior es va centrar en identificar aglutinants d'origen vegetal adequats i tècniques de fabricació respectuoses amb el medi ambient. Després, es va dur a terme una investigació inicial experimentant amb diversos materials i mètodes de fabricació per determinar quina de les cinc aplicacions tenia més potencial. Els resultats van ser especialment esperançadors pels materials aïllants, tot i que els cassetons també van mostrar un gran potencial. Els materials aïllants utilitzen cartró reciclat com a aglutinant i empren mètodes de fabricació amb un consum mínim d'energia durant la mescla i l'assecat, la qual cosa dóna lloc a baixes emissions de carboni i materials sostenibles. Un cop seleccionat el material, es van fer esforços per millorar-ne les propietats. Això va implicar la incorporació d'un revestiment d'origen vegetal (goma aràbiga i colofònia) per proporcionar protecció i la introducció d'un agent de reticulació (àcid cítric) per reforçar la durabilitat i les propietats del material. Aquestes addicions van ser avaluades a través d'una sèrie de proves relacionades amb l'aïllament tèrmic i acústic, les característiques mecàniques, la resistència a l'aigua, la resistència al foc, i l'espectroscòpia FTIR. Per validar el rendiment del material, es van dur a terme proves de durabilitat que van exposar mostres a cicles d'humitat durant 0, 3, 6 i 9 mesos, juntament amb una anàlisi del cicle de vida a petita escala. El resultat final va ser un material amb propietats d'aïllament tèrmic superiors a les alternatives comercials, tot i que amb un rendiment lleugerament inferior en l'aïllament acústic. Cal destacar que l'àcid cítric millorava marginalment la durabilitat del material. A més, es va determinar que es podrien seleccionar diferents revestiments segons l'entorn d'aplicació, optimitzant així propietats específiques.