Réduction du gonflement d'une montmorillonite sous sollicitation hygrique par l'utilisation de molécules organiques : application à la construction en terre crue

Swelling reduction of a montmorillonite under hygric sollicitations using organic moleculesRaw earth construction application. : Raw earth construction application

• Auteur / Autrice : Loren Masson
• Direction : Myriam Duc, Ann Bourgès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Département géotechnique environnement, risques naturels et sciences de la terre - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Département géotechnique environnement, risques naturels et sciences de la terre
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Prélot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Myriam Duc, Ann Bourgès, Anne Pantet, Robert J. Flatt, Jean-Didier Mertz, Fabien Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Pantet, Robert J. Flatt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres

Solides -- Mécanismes de renforcement

Argile

Recyclage

Excavation

Mots clés libres

Inhibition du gonflement

Montmorillonite

Terre crue

Molécules organiques

Diaminoalcanes

Swelling inhibition

Montmorillonite

Raw earth

Organic molecules

Diaminoalkanes

Résumé

Dans un contexte de développement durable et d’économie circulaire, le réemploi de terres excavées de chantier est devenu un vrai défi. Riches en particules fines, ces terres utilisées pour la formulation de matériau de construction (par exemple des briques) ou la formulation d’enduits de surface, font partie de la panoplie des méthodes de mise en œuvre de la terre crue. Cependant, ces terres souvent riches en argiles gonflantes de type montmorillonite, deviennent impropres à une utilisation sans renforcement préalable comme l’ajout de sable ou de fibres. Afin de pouvoir réemployer l’ensemble des terres disponibles pour construire ou rénover un bâtiment en terre crue, cette thèse offre une alternative à l’utilisation usuelle de sable ou de fibres, en proposant une stabilisation des minéraux argileux gonflants par adjonction de molécules organiques. Dix molécules, bio-sourcées ou non, ont été testées au cours de cette recherche, en couplant une approche multi-échelle du gonflement allant de l’échelle microscopique (feuillet) à la mesure de la dilatation macroscopique (test sur des éprouvettes sable/argile). Les molécules cationiques de la famille des alkyl-diamines s’avèrent être les plus efficaces pour réduire le gonflement de la montmorillonite sous sollicitation hygrique ce qui confirme les résultats obtenus sur la pierre monumentale. La longueur de la chaîne carbonée des molécules de cette famille ainsi que leur concentration sont les paramètres clés de l’efficacité et de la durabilité du traitement. La diminution du gonflement est liée à une augmentation des propriétés hydrophobes de la surface de la montmorillonite par un effet de recouvrement et un échange cationique d’autant plus importants que la molécule est longue et que sa concentration est élevée. Une fois fixées sur l’argile, ces molécules ne se désorbent pas suite à une lixiviation simulant l’effet du ruissèlement de la pluie ou une élévation de la température à laquelle un mur pourrait être soumis. Ces molécules, financièrement et écologiquement coûteuses, restent cependant particulièrement intéressantes pour une utilisation ponctuelle et réfléchie dans le domaine du patrimoine pour la conservation/restauration des bâtiments à fort enjeux culturels, dont les matériaux renferment des argiles gonflantes

In a context of sustainable development and circular economy, the reuse of excavated soil from construction sites has become a real challenge. Rich in fine particles, this earth is used for the formulation of building materials (e.g. bricks) or surface coatings, and is part of the range of methods for using raw earth. However, these soils, which are often rich in swelling clays such as montmorillonite, become unsuitable for use without prior reinforcement such as the addition of sand or fibres. In order to be able to reuse all available soils to construct or renovate a raw earth building, this thesis offers an alternative to the usual use of sand or fibres, by proposing a stabilisation of swelling clay minerals by adding organic molecules. Ten molecules, bio-sourced or not, were tested during this research, by coupling a multi-scale approach of the swelling from the microscopic scale (sheet) to the measurement of the macroscopic expansion (test on sand/clay specimens). Cationic molecules of the alkyl-diamine family were found to be the most effective in reducing the swelling of montmorillonite under hygric stress, which confirms the results obtained on monumental stone. The carbon chain length as well as the concentration of the molecules are the key parameters for the effectiveness and durability of the treatment. The reduction in swelling is linked to an increase in the hydrophobic properties of the montmorillonite surface through an overlapping effect and a cationic exchange which is more important as the molecule is longer and its concentration is higher. Once fixed on the clay, these molecules do not desorb following a leaching simulating the effect of rain run-off or a rise in temperature to which a wall could be subjected. These molecules, which are financially and ecologically costly, are nevertheless particularly interesting for a specific and well-considered use in the field of heritage for the conserv ation/restoration of buildings with high cultural stakes, whose materials contain swelling clays