Development of sustainable stabilized rammed earth building materials based on by-products

En esta tesis doctoral, se desarrolló un material basado en subproductos locales para su uso como material de construcción de Tapial Estabilizado (SRE) en el sector de la construcción. Los materiales considerados como subproductos son producidos localmente dentro de la Eurorregión, específicamente en Navarra. El material desarrollado en la tesis doctoral constituye una aplicación para estos subproductos, que carecen de formas efectivas de valorización, evitando su disposición en vertederos, reduciendo los costos de gestión y ahorrando recursos naturales. Además, ayudaría al sector de la construcción de la Eurorregión a mitigar su huella ambiental. La ejecución del proceso de investigación requerido para el desarrollo de esta tesis doctoral se llevó a cabo utilizando una metodología dividida en cuatro fases. En la primera fase, se realizó una revisión bibliográfica exhaustiva sobre SRE. A través del análisis de la información recopilada, se propuso una metodología para la fabricación, curado y caracterización del material de construcción SRE. Esta metodología se aplicó en las siguientes fases de investigación que constituyen esta tesis doctoral. En la segunda fase, se identificaron y caracterizaron los subproductos locales con potencial para su uso en la construcción de SRE, con el fin de desarrollar una mezcla de subproductos naturales que pudiera reemplazar el suelo en la construcción de SRE. Se consideraron cuatro subproductos (tres diferentes subproductos mineros con diferente granulometría y un subproducto industrial, arena) como componentes de esta mezcla. Se llevó a cabo una campaña experimental para establecer las proporciones adecuadas para combinarlos en una mezcla optimizada adecuada para su uso en la construcción de tierra compactada mediante el modelo de diseño experimental Taguchi. Este método estadístico se aplicó para estudiar el efecto de diferentes distribuciones de tamaño de partículas (PSDs) en la construcción de tierra compactada, con el objetivo de maximizar la densidad en seco del material y la resistencia a compresión no confinada (UCS). En la tercera fase se decidió estabilizar la combinación en la que la PSD optimizó la densidad en seco con tres estabilizadores convencionales diferentes: cemento, cal hidratada calcárea y cal hidráulica natural. En la cuarta fase, con el fin de reducir el impacto ambiental de los estabilizadores convencionales, se estabilizó el material con PSD optimizada utilizando dos estabilizadores no convencionales diferentes. Se caracterizaron sus propiedades mecánicas y de durabilidad, siguiendo la metodología de la primera fase, y se compararon con las propiedades de SRE obtenidas con estabilizadores convencionales. Los estabilizadores no convencionales estudiados fueron un estabilizador basado en Mg (GGBS-PC8) y un cemento supersulfatado (SSC). Se realizaron dos campañas experimentales diferentes, donde se fabricaron seis combinaciones que fueron sometidas a pruebas de UCS, UCS sumergido, pruebas de durabilidad por humedecimiento y secado, SEM/EDS, TG/DTG y XRD. Las combinaciones estabilizadas con los estabilizadores no convencionales lograron mejores resultados que aquellas estabilizadas con los convencionales. Estos resultados demostraron el potencial de los estabilizadores no convencionales, los cuales, en el caso del GGBS-PC8, permitieron el desarrollo de un material de construcción 100% basado en materiales reciclados con propiedades técnicas y ambientales mejoradas.

In this PhD thesis, a material based on local by-products was developed for its use as a Stabilized Rammed Earth (SRE) building material. The by-products materials considered were locally produced within the Euroregion Nouvelle-Aquitaine, Euskadi, Navarre, more specifically in Navarre. The material developed in the PhD thesis constitutes an application for these by-products, who lack effective valorization ways, avoiding their disposal in landfills, reducing their management costs, and saving natural resources. It would also help the Euroregion construction sector to mitigate its environmental footprint. The execution of the research process required for the development of this PhD tesis was carried out using a methodology divided into four phases. In the first phase a comprehensive literature review on SRE was conducted. Through the analysis of the collected information, a methodology for the manufacturing, curing and characterizing SRE building material was proposed. This methodology was applied in the following research phases that constitute this PhD thesis. In the second phase, local by-products materials with potential for use in SRE building were identified and characterized in order to develop a natural by-products mix that could replace soil for SRE building. Four by-product materials (three different mining byproducts with different granulometry and an industrial by-product sand) were considered as constituents of this mix. An experimental campaign was carried out to state the appropriate proportions for combining them into an optimized mix suitable for its use in rammed earth building through the Taguchi experimental design model. This statistical method was applied to study the effect of different Particle Size Distributions (PSDs) in rammed earth buildings to maximize the material dry density and Unconfined Compressive Strength (UCS). In the third phase it was decided to stabilize the combination in which the PSD optimized the dry density with three different conventional stabilizers: cement, calcareous hydrated lime and natural hydraulic lime. In the fourth phase, in order to reduce the environmental impact of conventional stabilizers, the material with optimized PSD was stabilized with two different nonconventional stabilizers and their mechanical and durability properties, proposed in the methodology from the first phase, were characterized and were compared with the SER properties obtained with conventional stabilizers. The non-conventional stabilizers studied were a Mg-based stabilizer (GGBS-PC8) and a SuperSulfated Cement (SSC). Two different experimental campaigns were carried out, where six combinations were manufactured and subjected to UCS, soaked UCS, wetting and drying durability, SEM/EDS, TG/DTG and XRD tests. The combinations stabilized with the nonconventional stabilizers achieved better results than those stabilized with conventional ones. These results proved the potential of non-conventional stabilizers, which, in the case of GGBS-PC8, enabled the development of a building material 100% based on recycled materials with improved technical and environmental properties.