| Abstract | In the midst of the various environmental challenges and the ever-growing global appetite for energy, renewable sources are boldly stepping up to rival the longstanding dominance of fossil fuels. Europe's dedicated push towards sustainable energy has led to a significant surge in the use of wood biomass as a low-emission alternative fuel. This transition has given rise to the abundant production of wood biomass ash (WBA). This emergent industrial byproduct now calls for strategic and sustainable management, especially when it comes to long-term disposal strategies. Alongside, the repair of historically valuable yet time-worn and energy-inefficient buildings should not only aim to reduce carbon emissions and minimise energy consumption but also embrace innovative repair materials that incorporate supplementary materials such as WBA. This research unveils the potential of WBA as a secondary binder in the formulation of a cement-free, hybrid lime binder. By combining natural hydraulic lime with WBA, an innovative artificial building lime with hydraulic properties (AHL) is introduced, designed for application in repair mortars for historic buildings. The experimentation entailed the preparation of AHL binder blends, followed by their incorporation into mortars, wherein the natural hydraulic lime (NHL) was hybridised by various WBAs at 20, 30 and 40 wt%. The assessment of the viability of WBA in AHL was undertaken, encompassing two core phases: the binder phase and the mortar phase. This approach systematically considered the chemico-mineralogical composition, physical attributes, and reactivity of diverse binder blends, serving as a basis for determining the optimum WBA proportion and refining the design of AHL mortars. The mechanical behaviour, encompassing essential aspects such as compressive and flexural strength, as well as the modulus of elasticity, was examined on mortars of varying ages and subjected to diverse CO2 and moisture conditions. Durability aspects, including adhesive bond strength, freeze/thaw and salt resistance, were analysed. Microstructural characterization of pore structure accompanied by hygrothermal properties, including capillary water absorption, water vapor permeability, and thermal conductivity, were also examined. In summary, the results indicate that incorporating WBA into the NHL binder matrix at moderately - high hybridisation ratios offers promising opportunities for utilizing WBA as a secondary binder in AHL mortar systems. As a result, fusing WBA with NHL, particularly in higher proportions, has substantial potential to enhance sustainability while preserving the authenticity of repair mortars. |
| Abstract (croatian) | Suočeni s različitim ekološkim izazovima i rastućom globalnom potražnjom za energijom, obnovljivi izvori energije silovito konkuriraju dugogodišnjoj dominaciji fosilnih goriva. Tranzicija Europsk e Unije (EU) usmjerena je prema održivoj energiji što je praćeno znatnim porastom u korištenju drvne biomase kao alternativnog niskougljičnog goriva. Pri tome je drvo sa 70% udjela najrasprostranjenija sirovina za proizvodnju bioenergije. Uz značajni porast broja energana na drvnu biomasu, čije spaljivanje rezultira s približno 3% pepela drvne biomase (PDB) po 1 toni drveta, dolazi do gomilanja ovog industrijskog otpada. Usprkos značajnim količinama otpadnog pepela, postojeća praksa zbrinjavanja zasniva se na izravnom odlaganju
na odlagališta otpada ili korištenju u poljoprivredi u manjoj mjeri, često bez ikakve kontrole, rezultirajući zakrčenim i ilegalnim odlagalištima. S naglaskom na minimiziranje stvaranja otpada, ali i povećanje njegove ponovne upotrebe, održivo gospodarenje otpadom istaknuto je kao jedan od ključnih stupova europske strategije za postizanje ugljične neutralnosti do 2050. Istovremeno, obnova povijesno značajnih, ali dotrajalih i energetski neučinkovitih građevina nedvojbeno može doprinijeti smanj enju ugljičnih emisija i potrošnj i energije, ali i podržati zelenu perspektivu kroz koju se implementiraju inovativn i materijal i za popravak, uključujući alternativne materijale poput PDB-a Stavljajući sanacije i popravke povijesnih građevina u suvremeni kontekst, kada se suočavamo sa značajnom klimatskom i energetskom krizom, omogućuje se uvođenje kulturne dimenzije u sustav održivih inovacija, što je ključno za stvaranje dijaloga između izg rađenog okoliša i
Zemljinih ekosustava. Kao što je su prevencija i recikliranje otpada pri vrhu hijerarhije gospodarenja otpadom EU, popravci i sanacije postojećih zgrada moraju imati prioritet u odnosu na novu gradnju gdje god je to moguće. Zajedničko obilježje povijesnih zgrada je da sugrađene uglavnom od prirodnih materijala kao što su kamen i opeka, povezanih vapnenim mortom. Prema tome, i danas uz predominaciju cementa kao veziva, postoji potražnja za vapnenim materijalima, odnosno sanacijskim materijalima koji su kompatibilni s onima koji su izvorno ugrađeni. Istovremeno, očuvanje povijesne i kulturne cjelovitosti ostaje nezaobilazno, a kružna ekonomija i održiva gradnja ističu se kao novi standard. Uz poštivanje identiteta
građevine i svojstava izvorno ugrađenih materijala bitno je da rješenja budu održiva, ekološki i društveno prihvatljiva. Rješavanjem ovih pitanja, do izražaja dolaze alternativni, lokalno dostupni otpadni materijali poput PDB-a koji se mogu ponovno implementirati pri razvoju bescementnih veziva. Isticanje prednosti recikliranja PDB-a u skladu je i sa sedmim temeljnimzahtjevom za građevine koji se odnosi na održivo korištenje prirodnih resursa. Takvom afirmacijom zelene obnove podupire se prijelaz na održivo, netoksično, energetski učinkovito i klimatski otporno društvo. Temeljem rezultata ovog istraživanja evaluiran je potencijal korištenja otpadnog PDB-a kao sastavne komponente bescementnog, hibridnog vapnenog veziva (AHL). Implementacija PDB-a u matricu prirodnog hidrauličkog vapna (NHL) omogućuje umjetnu formulaciju građevnog vapna s hidrauličkim svojstvima, koja je pogodna za primjenu u pri obnovi i popravku povijesnih građevina. Eksperimentalne faze istraživanja obuhvaća ju pripremu veziva s NHL-om i PDB te njihovu primjenu u mortovima. Pri tome je NHL-PDB vezivni sustav hibridiziran s različitim udjelima pepela drvne biomase. U eksperimentalnoj fazi na razini veziva i pasti uključeno je 11 različitih pepela, primjenjujući umjereni (20%) i umjereno visoki (30 i 40%) težinski udio PDB-a. PDB proizvedeni su i prikupljeni u bioenerganama diljem Hrvatske, dok je kao primarno vezivo korištena komercijalno dostupna, prirodna hidraulična vapna NHL 3.5 i NHL 5, koja definira umjerena i visoka razina hidrauličnosti. Karakterizacija sastavnih komponenti AHL-a kroz interakciju na mikrorazini i makrorazini neophodna je za razvoj, prilagodbu i optimizaciju sastava mješavine vapnenog morta, zasnivajući se na funkcionalnoj ulozi samog morta koja se može ostvariti unutar AHL sustava, pri različitim uvjetima izloženosti i podlogama. ako bi se identificirali i nominirali prikladni PDB za formulaciju AHL-a, provedena je analiza kemijsko mineraloškog sastava te fizikalnih svojstava NHL-a i PDB-a, prepoznajući njihove uloge unutar formulacije AHL veziva. Da bi se vezivo klasificiralo kao hidraulično vapno, nužno je da zadovoljava sve kriterije definirane normom HRN EN 459-1, kojom su definirani parametri na razini vapnenih veziva iodgovarajućih pasti. Prema tome, određivanje prihvatljivog udjela PDB-a u AHL-u potvrđeno je ispitivanjem standardne konzistencije, vremena vezivanja i volumenske stabilnosti AHL pasti, u skladu s navedenim standardom. Budući da su PDB okarakterizirani visokim udjelima SO 3 te ekspanzivnih komponenti poput slobodnog MgO i CaO, uz smanjeni udio dostupnog vapna (Ca(OH) 2 ), predloženi su postupci pred obrade kojima bi se anulira l i navedeni nedostatci i povećala reaktivnost pepela. Kako bi se utvrdili dominantni parametri koji utječu na mehanička svojstva i trajnost vapnenih mortova s AHL-om, analiziran je utjecaj PDB-a na mehanička svojstva kao što su tlačna čvrstoća na tlak i čvrstoća na savijanje te elastičnost koja je izražena dinamičkim modulom elastičnosti. Analizom kapilarnog upijanja vode, paropropusnosti i toplinske vodljivosti utvrđen je utjecaj PDB-a na higrotermalna svojstva vapnenih kompozita dok je mikrostrukturna karakterizacija uključivala primjenu živinog porozimetrom (MIP) za karakterizaciju strukture pora na uzorcima očvrsnulog morta pri različitim starostima i različitim uvjetima vlage i CO 2. Navedene razine procjene prepoznate su kao preduvjet razvoju mortova primjenjivih u povijesnim građevinama. Rezultati upućuju da uvođenje PDB-a u vapnenu matricu NHL-a pri umjerenim pa čak i visokim omjerima hibridizacije (NHL:WBA 80:20, 70:30 i 60: 40), ima obećavajuće izglede za primjenu AHL-a kao hibridnog veziva u mortovima za povijesne građevine. Ovi rezultati potvrđuju primjenjivost materijala poput mortova s AHL-om, ispunjavajući tehničke zahtjeve i uvjete kompatibilnosti s NHL-om, koji se koristi kao referentni materijal za obnovu i popravak povijesnih građevina. Isto tako predstavljaju platformu za usvajanje pozitivnog pristupa usvajanje pozitivnog pristupa nekonvencionalnim materijalima te održivu obnovu povijesnih zgrada. |
