Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

Dans de nombreuses parties du monde, la manière la plus pratique de construire une maison est d'utiliser la terre elle-même. Les blocs de terre compressée, qui sont essentiellement des briques faites de sol compacté fermement dans des moules, offrent une alternative à faible coût et durable aux briques d'argile cuites ou au béton. Cependant, le sol brut est fragile et s'effrite lorsqu'il est mouillé, de sorte que les constructeurs mélangent traditionnellement un agent liant pour le maintenir ensemble. Pendant des décennies, le choix standard a été le ciment Portland ordinaire, un matériau qui durcit en une structure semblable à la pierre mais qui porte un coût environnemental lourd en raison de la quantité massive de dioxyde de carbone libérée lors de sa production. Alors que le monde recherche des méthodes de construction plus vertes, les scientifiques ont porté leur attention sur un autre type de liant : le géopolymère. Ce matériau est créé en mélangeant de l'argile locale avec une solution alcaline forte, déclenchant une réaction chimique qui transforme l'argile en une substance dure, semblable à de la roche, sans nécessole de cuisson à haute température. La question que les chercheurs se posent est de savoir si cette nouvelle approche à faible émission de carbone peut réellement rivaliser avec les performances du ciment traditionnel, en particulier dans les climats tropicaux humides où ces bâtiments sont le plus nécessaires.

Une équipe de chercheurs basés au Cameroun et en Allemagne s'est donné pour mission de répondre à cette question en comparant directement deux types de blocs de terre stabilisés. Ils ont pris un type spécifique de sol rouge riche en argile appelé latérite, qui est courant dans la région, et l'ont préparé pour deux utilisations différentes. Pour le premier groupe de blocs, ils ont mélangé le sol avec du ciment Portland ordinaire. Pour le second groupe, ils ont utilisé un liant géopolymère composé de kaolin, un type d'argile qui a d'abord été chauffé à haute température pour le rendre chimiquement réactif, puis mélangé à une solution alcaline liquide. Ils ont créé des blocs avec différentes quantités de ces liants, allant de cinq pour cent à dix pour cent du poids total, et les ont pressés en formes solides à l'aide d'une machine lourde. Après avoir laissé les blocs reposer et durcir pendant une et deux semaines, l'équipe les a soumis à une série rigoureuse de tests pour voir quelle était leur résistance, quelle quantité d'eau ils absorbaient et à quoi ressemblait leur structure interne sous un microscope.

Les résultats ont révélé une séparation claire de performance selon le type de résistance qui importait le plus. Lorsque les chercheurs ont testé la charge que les blocs pouvaient supporter avant de s'écraser, les blocs géopolymères se sont révélés être le concurrent le plus fort. Au niveau de liant le plus élevé de dix pour cent et après deux semaines de durcissement, les blocs géopolymères pouvaient supporter une force d'écrasement de 10,62 mégapascals à sec, et un impressionnant 10,12 mégapascals même après avoir été trempés dans l'eau. En revanche, les blocs de ciment au même niveau ne pouvaient supporter que 8,12 mégapascals à sec et sont tombés à 6,75 mégapascals lorsqu'ils étaient mouillés. Cette différence est significative car elle montre que les blocs géopolymères ont non seulement commencé plus forts, mais qu'ils ont également mieux résisté à l'exposition à l'humidité, perdant très peu de leur force. Les blocs de ciment, cependant, ont subi une chute de résistance beaucoup plus importante lorsqu'ils étaient mouillés, ce qui suggère qu'ils sont plus vulnérables à l'érosion et aux dommages causés par les fortes pluies.

L'histoire était différente lorsque les chercheurs ont testé les blocs pour leur flexibilité, ou leur capacité à se plier sans se briser. Dans ce domaine, les blocs de ciment traditionnels ont pris la tête. Les blocs stabilisés au ciment pouvaient supporter une force de flexion de 4,22 mégapascals, tandis que les blocs géopolymères n'ont atteint que 2,81 mégapascals. Cela indique que, bien que le géopolymère crée un matériau très dur et dense qui résiste à l'écrasement, il est plus fragile et moins capable de gérer les forces de torsion ou de flexion qui pourraient survenir lors d'un séisme ou d'un affaissement inégal du sol. Le ciment, en comparaison, conserve un peu plus de flexibilité, permettant d'absorber les contraintes sans se briser aussi facilement.

Pour comprendre pourquoi ces deux matériaux se comportaient si différemment, l'équipe a examiné l'intérieur des blocs à l'aide d'outils d'imagerie spécialisés qui révèlent l'arrangement des atomes et des molécules. Ils ont découvert que les blocs de ciment contenaient les produits chimiques attendus de l'hydratation du ciment, ainsi que quelques particules de ciment non réagies qui ne s'étaient pas complètement mélangées en raison de la faible teneur en eau utilisée pour fabriquer les briques. Les blocs géopolymères, cependant, présentaient un paysage interne différent. Au lieu de cristaux de ciment, ils contenaient un gel amorphe dense — une substance qui manque de structure cristalline rigide mais qui lie étroitement les particules de sol. Ce gel s'est formé parce que le kaolin traité thermiquement a réagi avec la solution alcaline pour créer un nouveau réseau tridimensionnel. Ce réseau était si efficace pour remplir les minuscules interstices entre les particules de sol que les blocs géopolymères se sont avérés plus denses et moins poreux que les blocs de ciment. Ils ont absorbé nettement moins d'eau, les meilleurs échantillons de géopolymère n'absorbant qu'environ neuf pour cent de leur poids en eau, contre près de douze pour cent pour les échantillons de ciment.

L'étude conclut qu'aucun des deux matériaux n'est un remplacement parfait de l'autre dans toutes les situations, mais que le géopolymère offre une alternative convaincante pour des besoins spécifiques. Pour les constructeurs des régions tropicales où la pluie abondante est une menace constante, les blocs géopolymères offrent une résistance supérieure aux dommages causés par l'eau et une force de compression plus élevée, ce qui en fait d'excellents choix pour les murs porteurs qui doivent rester secs et solides. Cependant, pour les applications où la structure doit être flexible ou résister aux forces de flexion, le ciment traditionnel conserve l'avantage. La recherche démontre qu'en utilisant des matériaux disponibles localement et un processus chimique à faible émission de carbone, il est possible de créer des blocs de terre qui sont non seulement respectueux de l'environnement, mais aussi techniquement supérieurs en termes de durabilité et de stabilité à l'eau. Ce travail suggère que l'avenir de l'habitat durable dans ces régions pourrait résider dans le choix du bon liant pour le bon usage, plutôt que de compter sur une solution unique et universelle.