Improving expansive soils using geopolymer

Abstract

Expansive soils pose significant challenges in geotechnical engineering due to their pronounced volume change behavior in response to moisture variations. These soils, which are typically rich in active clay minerals, can induce severe structural damage through swelling and shrinkage, particularly in semi-arid regions such as northeastern Algeria. Conventional stabilization methods, including lime and ordinary Portland cement, have been widely used to mitigate these problems; however, their high environmental impact and durability limitations have motivated the search for more sustainable alternatives. This thesis investigates the effectiveness of geopolymer binders derived from industrial byproducts as a sustainable solution for the stabilization of expansive soils. The studied soil was collected from Jbel Dukkan in the Tebessa region and was first subjected to a comprehensive geotechnical characterization, including physical, chemical, and mechanical tests, to confirm its expansive nature. Geopolymer stabilization was then carried out using Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS) and iron mine waste at different binder contents. The treated soils were evaluated through compaction, plasticity, and swelling-related tests to assess the impact of geopolymer treatment. The results demonstrate that geopolymer stabilization significantly reduces soil plasticity and swelling potential while improving compaction characteristics and mechanical performance. The formation of aluminosilicate geopolymer gels led to enhanced soil structure, reduced moisture sensitivity, and increased stability. These findings confirm that geopolymer binders represent an effective and environmentally sustainable alternative to conventional stabilizers for expansive soil improvement. Résumé Les sols gonflants constituent un problème majeur en géotechnique en raison de leur forte sensibilité aux variations de teneur en eau, qui se traduit par des phénomènes de gonflement et de retrait. Riches en minéraux argileux actifs, ces sols peuvent provoquer des désordres importants dans les ouvrages de génie civil, notamment dans les régions semi-arides telles que le nord-est de l’Algérie. Les méthodes traditionnelles de stabilisation, comme la chaux et le ciment Portland, sont couramment utilisées, mais elles présentent des inconvénients liés à leur impact environnemental et à leur durabilité. Ce mémoire vise à étudier l’efficacité des liants géopolymères issus de sous-produits industriels pour la stabilisation des sols gonflants. Le sol étudié a été prélevé à Djebel Dukkan, dans la région de Tébessa, et a fait l’objet d’une caractérisation géotechnique complète afin de confirmer son caractère gonflant. La stabilisation a ensuite été réalisée à l’aide de géopolymères à base de laitier de haut fourneau moulu (GGBFS) et de déchets miniers de fer, introduits à différents pourcentages. Les sols traités ont été évalués à travers des essais de plasticité, de gonflement et de compactage. Les résultats obtenus montrent une réduction significative de la plasticité et du potentiel de gonflement du sol, accompagnée d’une amélioration des caractéristiques mécaniques et de compactage. La formation de gels aluminosilicatés géopolymères a permis de renforcer la structure du sol et de limiter sa sensibilité à l’eau. Cette étude démontre que les géopolymères constituent une alternative efficace et durable aux méthodes traditionnelles de stabilisation des sols gonflants.