Biopolymer Stabilised Earthen Construction Materials
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Earthen structures (i.e. structural units manufactured from soil) are often regarded as sustainable forms of construction due to their characteristically low carbon footprint. Unstabilised earthen construction materials have low embodied energy, excellent hygroscopic properties and recycling potential. However, in this form, the material is susceptible to deterioration against water ingress and most modern earthen construction materials rely on cement to improve their durability properties. Using cement leads to compromises in hygroscopicproperties and recyclability potential. In this situation, it is imperative to look for alternatives to cement, which can address these issues without compromising on the desired engineering properties of these materials. This thesis explores the use of biopolymers, namely guar and xanthan gum, as stabilisers for earthen construction materials. As an initial step, an experimental campaign was undertaken to understand biopolymer stabilisation and optimise their use to stabilise earthen construction materials. The results from this campaign reveal that biopolymer stabilised soils derive their strength through a combination of soil suction and hydrogel formation. The intrinsic chemical properties of the biopolymer affect the nature of hydrogel formation and in turn strength. In a subsequent campaign of experimental work, hydraulic and mechanical properties of these biopolymer stabilised soils were determined. The hydraulic properties of the biopolymer stabilised soils indicate that for the range of water contents, the suction values of biopolymer stabilised soils are higher than unamended soils. The soil water retention curves suggest that both biopolymers have increased the air entry value of the soil while affecting the void size distribution. Shear strength parameters of biopolymer stabilised soils were obtained through constant water triaxial tests, and it was noted that both biopolymers have a significant and yet different effect on soil cohesion and internal friction angle. With time, guar gum stabilised soils derive strength through the frictional component of the soil strength, while xanthan gum stabilised soil strength has a noticeable contribution from soil cohesion. Macrostructural analysis in the form of X-RCT scans indicate that both biopolymers form soil agglomerations and increase overall porosity. The void size distribution curves obtained from XRCT scanning complement the findings of the suction tests. As a final study, the performance of biopolymer stabilised earthen construction materials was assessed as a building material. Durability performance of these materials against water ingress was evaluated, and it was noted both biopolymers provide satisfactory stabilisation to improve the erosional resistance of the material. In conclusion, unlike cement, biopolymer stabilised earthen materials do not compromise on hygroscopic properties and have better mechanical performance than unamended earthen construction materials. Finally, recyclability tests suggest that apart from improving the strength, durability and hygroscopic properties of the material, biopolymer stabilised earthen construction materials have a better potential for recycling without any environmental concerns.
Abstract FR:
Les constructions en terre crue, soit fabriquées à partir de sol, sont considérées comme des constructions durables en raison de leur faible empreinte environnementale : les matériaux de construction à base de terre crue non stabilisée ont une faible énergie intrinsèque, d'excellentes propriétés hygroscopiques et un fort potentiel de recyclage. Cependant, sous cette forme, les matériaux sont susceptibles de se détériorer au contact de l’eau. Ainsi, les éléments de constructions modernes en terre crue utilisent du ciment pour améliorer leur durabilité, mais entachent de ce fait leurs propriétés hygroscopiques et leur potentiel de recyclable. Il est donc impératif de développer des solutions alternatives à l’incorporation de ciment, pouvant améliorer la résistance à l’eau sans pour autant compromettre les propriétés qui constituent les atouts de ces matériaux durables. Ces travaux de doctorat étudient l'utilisation de deux biopolymères, la gomme de guar et le xanthane, comme stabilisants naturels pour les matériaux de construction en terre crue. Dans un premier temps, une campagne expérimentale a été menée pour comprendre le mécanisme de stabilisation de la terre par ces biopolymères et optimiser cette technique. Les résultats révèlent que la nature intrinsèque des biopolymères induit la formation d’hydrogels qui participent à renforcer le matériau et à modifier les phénomènes de succion. L’addition d’environ 2,0 % de biopolymère en masse de sol sec est suffisant pour obtenir un comportement mécanique comparable à la stabilisation au ciment à un taux de 8,0 %. Afin de mieux caractériser l’influence des biopolymères, les propriétés hydrauliques et mécaniques des sols ainsi stabilisés ont été étudiées. Les tests de caractérisation prouvent que, pour une même gamme de teneur en eau, la succion des sols stabilisés par les biopolymères est supérieure à celle des sols non stabilisés. Les courbes de rétention d'eau sol démontrent que la valeur d'entrée d'air est augmentée en présence des biopolymères, ce qui affecte la distribution de la taille des vides. Les paramètres de résistance au cisaillement ont été obtenus par des essais triaxiaux à teneur d’eau constante. Les deux biopolymères ont un effet significatif, et pourtant différent, sur la cohésion du sol et l'angle de friction interne. Dans le temps, la modification de résistance des sols stabilisés à la gomme de guar est liée à la variation de la composante de friction, tandis que pour les sols stabilisés à la gomme de xanthane cette variation est pilotée par la cohésion du sol. L'analyse microstructurale par micro tomographie X-RCT montre que les biopolymères favorisent l’agglomération des particules de sol, ce qui modifie la porosité globale. Les courbes de distribution de la taille des vides obtenues par balayage XRCT confirment les résultats des essais de succion. Pour finir, les performances en termes de durabilité de ces matériaux de construction stabilisés aux biopolymères en présence d'eau ont été validées par différents tests ainsi que leur potentiel de recyclage. Il apparait donc que l'utilisation de ces biopolymères comme stabilisant améliore la résistance mécanique des matériaux en terre crue et leur durabilité ; et que contrairement à la stabilisation au ciment le comportement hygroscopique est conservé - voire amélioré-, ainsi que le potentiel de recyclage.