EARTH STABILISATION BY PLANT-DERIVED UREASE ENZYME FOR BUILDING APPLICATIONS - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

EARTH STABILISATION BY PLANT-DERIVED UREASE ENZYME FOR BUILDING APPLICATIONS

STABILISATION DE LA TERRE PAR UNE ENZYME D’UREASE D’ORIGINE VEGETALE POUR DES APPLICATIONS DANS LE BATIMENT

Résumé

The present work investigates the hygro-mechanical performance of compacted earth as an alternative to conventional energy-intensive building materials. Earth bricks were manufactured by applying high compaction pressures up to 100 MPa (hyper-compaction) to increase the density of the earth and hence to obtain mechanical properties that are similar to those of traditional construction materials such as fired bricks, concrete blocks and stabilised earth. A wide campaign of laboratory tests was performed on samples made of different earth mixes that were hyper-compacted at their respective optimum water contents. Stiffness and strength were measured by unconfined and triaxial compression tests while vapour adsorption/desorption was assessed by measuring moisture buffering value (MBV). Durability to water erosion was also evaluated by performing suction, immersion and drip tests according to the norms DIN 18945 (2013) and NZS 4298 (1998), respectively. Results showed that hyper-compaction largely improved the mechanical performance of compacted earth but that a marked increase in ambient humidity could produce a considerable reduction of strength. Durability tests highlighted that the unstabilised compacted earth could not be employed for the construction of structures exposed to natural weathering. The experiments also demonstrated the dependency of strength, stiffness, moisture buffering capacity and water durability on particle grading. In particular, it was shown that a fine and well-graded earth mix exhibited higher levels of strength, stiffness, moisture buffering capacity and durability than a coarse and poorly-graded one. One important challenge lied in the improvement of the earth durability against water erosion by adopting novel stabilisation techniques, which led to the development of an original stabilisation method based on the utilisation of plant extracts. The method was consistent with the principles of Enzymatic Induced Calcite Precipitation (EICP), which utilises the action of the urease enzyme to catalyse the hydrolysis of urea. This reaction produces carbonate ions, which then react with the calcium ions dissolved in the pore water to produce the precipitation of calcium carbonate (i.e. calcite), thus binding the soil together. The novelty of the present work resides in the utilisation of crude plant-derived urease enzyme instead of pure reagent-grade products available from chemical suppliers, which reduces environmental and financial costs. In particular, the urease enzyme was obtained from a liquid soybeans extract, inside which the urea and calcium chloride were subsequently dissolved to induce the precipitation of calcite. Measurements of pH, electrical conductivity and precipitation ratio indicated that the optimum equimolar concentration of urea and calcium chloride (leading to the largest precipitation of calcite) was 2.5 mol/L. An experimental campaign was finally undertaken to implement the proposed bio-stabilisation method into the manufacture of compressed earth bricks. The most promising versions of the proposed bio-stabilisation method were also the object of further investigation to assess the hygro-mechanical behaviour of the stabilised earth by means of unconfined compression and moisture buffering value tests. The findings, although preliminary, suggested that a noticeable improvement of strength and water durability could be achieved by the proposed stabilisation protocol, in spite of the difficulty in replicating exactly quantitative results.
Cette étude se concentre sur les performances hygro-mécaniques de la terre crue compactée comme matériau de construction alternatif aux matériaux de construction classiques à forte empreinte énergétique. Les briques en terre ont été fabriquées en appliquant des pressions de compactage élevées (jusqu’à 100 MPa, d’où la dénomination d’hyper-compactage) pour augmenter la densité du matériau et ainsi obtenir des propriétés mécaniques similaires à celles des matériaux de construction traditionnels tels que les briques cuites, les blocs de béton et la terre stabilisée. Une vaste campagne expérimentale a été menée sur des échantillons constitués de différents mélanges hyper-compactés de terres à leur teneur en eau optimale respective. La rigidité et la résistance mécanique ont été mesurées par des essais de compression non confinés et triaxiaux, tandis que l’adsorption/désorption de vapeur a été évaluée par la valeur de MBV (Moisture Buffering Value). La durabilité à l'érosion hydrique a été étudiée en effectuant des tests de adsorption capillaire, d'immersion et de goutte-à-goutte conformément aux normes DIN 18945 (2013) et NZS 4298 (1998). Les résultats ont confirmé que l'hyper-compactage améliore les performances mécaniques de la terre crue compactée, mais qu'une augmentation sensible de l'humidité ambiante pouvait entraîner une réduction considérable de la résistance. Néanmoins, les tests de durabilité ont révélé que la terre compactée non stabilisée ne pouvait pas être utilisée pour la construction des parties de structures exposées aux intempéries naturelles en raison de sa sensibilité vis-à-vis de l’eau liquide. Les expériences ont démontré la dépendance de la résistance, de la rigidité, du comportement hydrique, de la sensibilité à l’eau liquide et de la durabilité à la taille des particules. En particulier, il a été observé qu'un mélange de terre à faible granulométrie et calibrées présentait des caractéristiques pour les propriétés susmentionnées supérieures à celle d’un sol à la granulométrie grossière et non maîtrisée. Un défi important a été l'amélioration de la durabilité de la terre crue à l'érosion hydrique en adoptant de techniques de stabilisation à faibles impacts environnementaux, ce qui a conduit à la mise au point d’une méthode originale de stabilisation basée sur l’utilisation d’extraits de plantes. Cette méthode était conforme à la précipitation de calcite induite par voie enzymatique via l'action de l'enzyme uréase pour catalyser l'hydrolyse de l'urée. Cette réaction produit des ions carbonates, qui réagissent ensuite avec les ions calcium du sol dissout dans l’eau interstitielle pour précipiter sous forme de carbonate de calcium, liant ainsi les particules du sol.
Fichier principal
Vignette du fichier
thesiscuccurullo.pdf (9.41 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03179295 , version 1 (24-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03179295 , version 1

Citer

Alessia Cuccurullo. EARTH STABILISATION BY PLANT-DERIVED UREASE ENZYME FOR BUILDING APPLICATIONS. Matériaux composites et construction. Université de Pau et des Pays de l'Adour; University of Durham, 2019. English. ⟨NNT : 2019PAUU3038⟩. ⟨tel-03179295⟩
269 Consultations
473 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More