Contribution to the Physical and Thermomechanical Characterization of Stabilized Earth Blocks Using Non-Destructive Testing

Abstract

تسعى هذه الأطروحة إلى الإسهام في تطوير مواد بناء مستدامة وبيئية من خلال البحث عن بدائل طبيعية محلية قادرة على تعويض المثبتات الكيميائية التقليدية كالإسمنت والجير، اللذين يعدّ إنتاجهما أحد أهم مصادر انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم. في هذا السياق، تم اقتراح استخداممسحوق بذور الكتانومسحوق الخروب كمثبتات طبيعية بديلة للإسمنت والجير، بفضل احتوائهما على مركّبات مخاطية وبوليسكريدية تمنح خصائص ربط طبيعية وتحسّن من تماسك التربة. كما تم إدراج ألياف خيش الكتان المعالجة حراريًا والمقطعة بأطوال مختلفة كعنصر تسليح طبيعي يهدف إلى تعزيز مقاومة الكتل الترابية للتشقّقات والانكماش، وتحسين سلوكها الميكانيكي والحراري. اعتمدت المنهجية التجريبية على دراسة عينات من التربة المحلية جُمعت من المنطقة المستهدفة، حيث تم تحليل خصائصها الفيزيائية والكيميائية لتحديد مدى قابليتها للتثبيت. بعد ذلك، تم تحضير كتل ترابية مثبتة بمسحوق الخروب وبذور الكتان بنسبة 2% من الكتلة الجافة للتربة، إلى جانب كتل مقارنة مثبتة بالإسمنت والجير بنسبة 10%. كما تم إدراج ألياف الكتان بنسب مختلفة (0%، 0.25%، 0.5%، 0.75%، و1%) وبأطوال متنوعة لتحديد النسبة والطول الأمثلين اللذين يحققان أفضل أداء. تم تقييم الكتل الناتجة من خلال مجموعة من الاختبارات الميكانيكية والفيزيائية والحرارية، شملت مقاومة الضغط، مقاومة الانحناء، الكثافة، امتصاص الماء، الصلابة، سرعة الموجات فوق الصوتية، الموصلية الحرارية، ومقاومة التآكل والتعرّض للأحماض. أظهرت النتائج أن استعمال هذه المثبتات الطبيعية يؤدي إلى تحسين ملحوظ في مقاومة الضغط والانحناء، خاصة عند نسبة ألياف تبلغ نحو 0.5% وطول يقارب 4 سم، مع انخفاض طفيف في الكثافة وزيادة في العزل الحراري.كما ساهمت الألياف في الحد من التشققات والانكماش وتحسين مقاومة التآكل، مما يعزّز متانة الكتل واستدامتها في الظروف المناخية القاسية. تؤكّد هذه النتائج أن المثبتات الحيوية المحلية، كمسحوق بذور الكتان والخروب، تمثّل بدائل واعدة للإسمنت والجير، إذ تحقق توازنًا مثاليًا بين الأداء الميكانيكي والحراري, وبذلك تفتح هذه الدراسة آفاقًا جديدة أمام البناء الترابي الحديث، القائم على مبادئ الاستدامة، والابتكار البيئي، بما يتماشى مع التوجّهات العالمية نحو تقليل الانبعاثات الكربونية وتعزيز استخدام الموارد الطبيعية المتجددة في قطاع البناء.

This thesis aims to contribute to the development of sustainable and environmentally friendly building materials by searching for local natural alternatives that can replace traditional chemical binders such as cement and lime, whose production is one of the world's major sources of carbon dioxide emissions.In this context, flaxseed powder and carob waste powder (ceratonia siliqua have been proposed as natural alternatives to cement and lime, thanks to their mucilage and polysaccharide compounds, which provide natural binding properties and improve soil cohesion. Heat-treated flax straw fibers cut into different lengths were also included as a natural reinforcement to enhance the resistance of earth blocks to cracking and shrinkage and improve their mechanical and thermal behavior. The experimental methodology was based on the study of local soil samples collected from the target area, whose physical and chemical properties were analyzed to determine their suitability for stabilization. Subsequently, earth blocks stabilized with carob waste powder (ceratonia siliqua and flax seeds at a rate of 2% of the dry mass of the soil were prepared, along with comparison blocks stabilized with cement and lime at a rate of 10%. Flax fibers were also included in different proportions (0%, 0.25%, 0.5%, 0.75%, and 1%) and in various lengths to determine the optimal proportion and length that would achieve the best performance.The resulting blocks were evaluated through a series of mechanical, physical, and thermal tests, including compressive strength, flexural strength, density, water absorption, hardness, ultrasonic wave velocity, thermal conductivity, and resistance to corrosion and acid exposure.The results showed that the use of these natural stabilizers leads to a significant improvement in compressive and flexural strength, especially at a fiber content of about 0.5% and a length of approximately 4 cm, with a slight decrease in density and an increase in thermal insulation. The fibers also contributed to reducing cracks and shrinkage and improving corrosion resistance, which enhances the durability and sustainability of the blocks in harsh climatic conditions.These results confirm that local bio-binders, such as flaxseed and carob waste powder (ceratonia siliqua , are promising alternatives to cement and lime, achieving an ideal balance between mechanical and thermal performance .This study thus opens up new horizons for modern earthen construction based on the principles of sustainability, circular economy, and environmental innovation, in line with global trends towards reducing carbon emissions and promoting the use of renewable natural resources in the construction sector.

Cette thèse vise à contribuer au développement de matériaux de construction durables et respectueux de l'environnement en recherchant des alternatives naturelles locales pouvant remplacer les liants chimiques traditionnels tels que le ciment et la chaux, dont la production est l'une des principales sources d'émissions de dioxyde de carbone dans le monde.Dans ce contexte, la poudre de graines de lin et la poudre de caroube ont été proposées comme alternatives naturelles au ciment et à la chaux, grâce à leurs composés mucilagineux et polysaccharidiques, qui confèrent des propriétés liantes naturelles et améliorent la cohésion du sol. Des fibres de paille de lin traitées thermiquement et coupées en différentes longueurs ont également été incluses comme renfort naturel afin d'améliorer la résistance des blocs de terre à la fissuration et au retrait et d'améliorer leur comportement mécanique et thermique. La méthodologie expérimentale reposait sur l'étude d'échantillons de sol locaux prélevés dans la zone cible, dont les propriétés physiques et chimiques ont été analysées afin de déterminer leur aptitude à la stabilisation. Par la suite, des blocs de terre stabilisés avec de la poudre de caroube et des graines de lin à raison de 2 % de la masse sèche du sol ont été préparés, ainsi que des blocs de comparaison stabilisés avec du ciment et de la chaux à raison de 10 %. Des fibres de lin ont également été ajoutées dans différentes proportions (0 %, 0,25 %, 0,5 %, 0,75 % et 1 %) et de différentes longueurs afin de déterminer la proportion et la longueur optimales permettant d'obtenir les meilleures performances.Les blocs obtenus ont été évalués à l'aide d'une série de tests mécaniques, physiques et thermiques, notamment la résistance à la compression, la résistance à la flexion, la densité, l'absorption d'eau, la dureté, la vitesse des ondes ultrasonores, la conductivité thermique et la résistance à la corrosion et à l'exposition à l'acide.Les résultats ont montré que l'utilisation de ces stabilisateurs naturels entraîne une amélioration significative de la résistance à la compression et à la flexion, en particulier avec une teneur en fibres d'environ 0,5 % et une longueur d'environ 4 cm, avec une légère diminution de la densité et une augmentation de l'isolation thermique. Les fibres ont également contribué à réduire les fissures et le retrait et à améliorer la résistance à la corrosion, ce qui renforce la durabilité et la viabilité des blocs dans des conditions climatiques difficiles.Ces résultats confirment que les liants biologiques locaux, tels que les graines de lin et la poudre de caroube, constituent des alternatives prometteuses au ciment et à la chaux, offrant un équilibre idéal entre performances mécaniques et thermiques. d'autre part.Cette étude ouvre ainsi de nouveaux horizons pour la construction moderne en terre, fondée sur les principes de durabilité, et d'innovation environnementale, en phase avec les tendances mondiales visant à réduire les émissions de carbone et à promouvoir l'utilisation de ressources naturelles renouvelables dans le secteur de la construction.