Thermal characteristics of rammed earth stabilized using cement, fly ash, and bentonite

ABSTRACT: The traditional rammed earth construction is currently regaining popularity in North America for several reasons, such as low maintenance cost, high energy efficiency, locally available raw materials, low CO2 emissions, and better recyclability. Previous studies have proved that the strength and durability of rammed earth can be further improved by adding cementitious materials such as Portland cement, fly ash, natural and synthetic fibers, and steel slag, but no significant research has been conducted to evaluate the thermal behavior of these modified RE materials. In this study, the effect of chemical additives such as cement, wood fly ash, and calcium bentonite on the thermal properties of rammed earth (RE) material is evaluated to assess the viability in hot and cold climates. The time lag and peak temperature were measured by testing compacted and cured hollow RE samples. An environmental chamber was used throughout this study for curing the RE specimens under simulated weather conditions. A hot climate with 40% and 80% humidity and temperature that decreases from 45degc to 27degc with a uniform slope and a cold climate with a humidity of 40% and temperature that increases from -7degc to 12degc with a uniform slope were simulated. While the partial replacement of cement in RE with fly ash improved the thermal properties of the material in both hot and cold climates, incorporating 15% calcium bentonite in the mix design further enhanced the thermal efficiency of RE in cold climates. Also, the thermal conductivity tests have shown that substituting a major fraction of cement in RE with wood fly ash can improve the thermal conductivity by up to 20%. Hence, the results of this study indicate that the wood ash-stabilized rammed earth is suitable for construction in colder climates.

RÉSUMÉ: La construction traditionnelle en pisé est actuellement en train de regagner en popularité en Amérique du Nord pour plusieurs raisons telles que le faible coût d'entretien, l'efficacité énergétique élevée, les matières premières disponibles localement, les faibles émissions de CO2 et une meilleure recyclabilité. Des études antérieures ont prouvé que la résistance et la durabilité du pisé peuvent être encore améliorées en ajoutant des matériaux cimentaires tels que le ciment Portland, les cendres volantes, les fibres naturelles et synthétiques et les scories d'acier; mais aucune recherche significative n'a été menée pour évaluer le comportement thermique de ces matériaux pisés modifiés. Dans cette étude, l'effet d'additifs chimiques tels que le ciment, les cendres volantes de bois et la bentonite de calcium sur les propriétés thermiques du matériau de pisé est analysé pour évaluer la viabilité dans les climats chauds et froids. Le décalage temporel et la température maximale ont été mesurés en testant des échantillons de pisé creux compactés et durcis. Une chambre climatique a été utilisée tout au long de cette étude pour durcir les spécimens de pisé dans des conditions météorologiques simulées. Un climat chaud avec 40% et 80% d'humidité et une température qui diminue de 45°c à 27°c avec une pente uniforme et un climat froid avec une humidité de 40% et une température qui augmente de -7°c à 12°c avec une pente uniforme a été simulée. Alors que le remplacement partiel du ciment dans le pisé par des cendres volantes a amélioré les propriétés thermiques du matériau dans les climats chauds et froids, l'incorporation de 15% de bentonite calcique dans la conception du mélange a encore amélioré l'efficacité thermique du pisé dans les climats froids. De plus, les tests de conductivité thermique ont montré que le remplacement d'une fraction majeure de ciment dans le pisé par des cendres volantes de bois peut améliorer la conductivité thermique jusqu'à 20%. Par conséquent, les résultats de cette étude indiquent que le pisé stabilisé à la cendre de bois convient à la construction dans les climats froids.