Valorisation de cendres volcaniques équatoriennes comme addition dans la construction : réactivité et effet sur la performance des mortiers, bétons et sols

Utilization of Ecuadorian volcanic ashes as supplementary material in construction : reactivity and effect on the performance of mortars, concretes, and soils

• Auteur / Autrice : Eugenia Villacis Troncoso
• Direction : Gilles Escadeillas, Víctor Hugo Guerrero Barragán
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Mario C. Ruiz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mauricio Heriberto Cornejo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gerardo del Jesus Fajardo San Miguel, Eva Lantsoght

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton

Ciment

Argile

Sols

Pyroclastites

Mots clés libres

Cendres volcaniques

Sols

Argiles

Ciment

Béton

Volcanic ash

Soils

Concrete

Cement

Clays

Résumé

Cette recherche doctorale porte sur l'utilisation des cendres volcaniques comme addition dans la construction, en se basant sur leurs propriétés pouzzolaniques. L’objectif de l'étude est de connaitre la réactivité des cendres volcaniques équatoriennes dans le but d’améliorer les propriétés mécaniques et la durabilité des mélanges de mortiers, bétons et sols, et de devenir une alternative viable et durable dans l'industrie de la construction de ce pays volcanique.Dans le premier chapitre, une étude bibliographique est menée sur les applications des cendres volcaniques, leur origine, leur situation géographique en Équateur et leur classification. Les compositions chimique et minéralogique des différents types de cendres volcaniques sont analysées. En outre, leurs comportements en combinaison avec le ciment et le sol sont étudiés, ainsi que leurs effets sur la résistance mécanique et la durabilité des produits de construction.Le deuxième chapitre porte sur une première description des échantillons de cendres volcaniques provenant de cinq grands volcans équatoriens : Tungurahua, Chalupas, Guagua Pichincha, Cotopaxi et Pululahua. Les méthodes utilisées pour les caractériser sont aussi décrites. Les tests comprennent des essais physiques (granulométrie, masse volumique), chimiques et minéralogiques (composition chimique, perte au feu, thermogravimétrie, diffraction des rayons X, microscopie) sur les cendres mais aussi des essais de réactivité (méthode Chapelle, essai R3), des essais mécaniques (compression simple) et des essais de durabilité (tenue à l’eau, résistivité électrique). L’objectif de ces essais est de permettre une évaluation précise des propriétés physiques et chimiques des échantillons et de leurs performances dans les mélanges.Le troisième chapitre est consacré à l'analyse de la réactivité de cendres volcaniques venant de cinq volcans équatoriens. En utilisant plusieurs méthodes complémentaires, les effets de ces cendres et de leur finesse sur le processus d'hydratation du ciment et sur leur capacité à former des composés de silicate de calcium hydraté (C-S-H et C-A-S-H), fondamentaux pour la résistance et la durabilité des mélanges et leur réactivité, sont examinés.Le dernier chapitre présente principalement les résultats des essais mécaniques effectués sur des mortiers, bétons et sols incorporant les cendres volcaniques. Des analyses supplémentaires telles que la diffraction des rayons X et la thermogravimétrie sont aussi incluses, ainsi que quelques essais de durabilité. Ces résultats permettent une évaluation détaillée du comportement des mélanges étudiés en termes de résistance et de durabilité à long terme.Cette étude apporte des connaissances précieuses sur l'utilisation des cendres volcaniques en tant que ressource renouvelable dans la construction, permettant l’utilisation de produits naturels présents en grande quantité dans de nombreux pays et réduisant la dépendance vis-à-vis des matériaux conventionnels à fort impact environnemental. Certaines cendres volcaniques étudiées, en raison de leur réactivité élevée et de leur grande disponibilité en Équateur, sont présentées comme une solution innovante et durable, contribuant au développement de pratiques de construction plus écologiques et plus efficaces.

This doctoral research focuses on the use of volcanic ash as a supplementary material in construction, based on its pozzolanic properties. The aim of the study is to gain knowledge of the reactivity of Ecuadorian volcanic ash to improve the mechanical properties and durability of mortar mixes, concretes, and soils, and to become a viable and sustainable alternative in the construction industry of this volcanic country.In the first chapter, a literature review is carried out on the applications of volcanic ash, its origin, its geographical location in Ecuador, and its classification. The chemical and mineralogical compositions of the different types of volcanic ash are analyzed. In addition, their behavior in combination with cement and soil is studied, as well as their effects on the mechanical strength and durability of construction products.The second chapter provides an initial description of volcanic ash samples from five major Ecuadorian volcanoes: Tungurahua, Chalupas, Guagua Pichincha, Cotopaxi, and Pululahua. The methods used to characterize them are also described. The tests include physical (granulometry, density), chemical and mineralogical (chemical composition, loss on ignition, thermogravimetry, X-ray diffraction, microscopy) tests on the ash, as well as reactivity tests (Chapelle method, R3 test), mechanical tests (simple compression) and durability tests (water resistance, electrical resistivity). These tests aim to provide a precise assessment of the physical and chemical properties of the samples and their performance in mixtures.The third chapter is devoted to analyzing the reactivity of volcanic ash from five Ecuadorian volcanoes. Using several complementary methods, the effects of these ashes and their fineness on the cement hydration process and on their ability to form hydrated calcium silicate compounds (C-S-H and C-A-S-H), which are fundamental to the strength and durability of mixes and their reactivity, are examined.The final chapter mainly presents the results of mechanical tests carried out on mortars, concretes, and soils incorporating volcanic ash. Additional analyses such as X-ray diffraction and thermogravimetry are also included, as well as some durability tests. These results provide a detailed assessment of the behavior of the mixes studied in terms of long-term strength and durability.This study provides valuable knowledge about using volcanic ash as a renewable resource in construction, enabling the use of natural products in large quantities in many countries and reducing dependence on conventional materials with a high environmental impact. Due to their high reactivity and wide availability in Ecuador, some of the volcanic ashes studied are presented as an innovative and sustainable solution, contributing to the development of more environmentally friendly and efficient construction practices.