I- CADRE THEORIQUE
I.1- Contexte et problématique
Au cours des trois dernières décennies, l’histoire de l’humanité est marquée par des problèmes environnementaux dont les conséquences sur la population mondiale sont d’une sévérité sans précédent. S’en est suivi alors une prise de conscience collective qui se manifeste notamment par une quête de solutions à moyen et à long terme. Les grands colloques tels que le Sommet de la Terre de Rio en 1992, la Conférence de Kyoto en 1997, la Conférence de Copenhague en 2009, la première Conférence sur le climat à Paris en 2015 et tout dernièrement la COP 22 qui s’est tenue du 7 au 18 novembre 2016 à Marrakech à cet effet s’accordent à dire que les dérèglements climatiques qui affectent déjà des milliards de personnes, amorcés ne pourront pas être inversés sans une réduction rapide des gaz à effet de serre. Cette mesure devra être prise dans tous les secteurs susceptibles d’en produire et d’en libérer dans la nature.
Des études approfondies, il ressort que l’énergie est la plus grande source d’émission des gaz à effet de serre, notamment le CO2. Par ailleurs, il est établi que le secteur du bâtiment est responsable de 30% des émissions mondiales de dioxyde de carbone, mais aussi la capacité de les diminuer d’environ 3,2 gigatonnes (Gt) d’équivalent CO2 d’ici 2050 car celui-ci consomme le plus d’énergie (GABC, 2015). Il faut alors agir sur ce secteur de sorte à réduire de façon significative l’énergie qu’elle consomme. Aussi, ce secteur se trouve confronté à d’autres problèmes non moins importants dont l’épuisement des ressources naturelles utilisées.
Dès lors, la question est de trouver aux matériaux utilisés actuellement, des alternatives répondant à la fois aux préoccupations environnementales et techniques. Dans ce cadre, outre l’élaboration de nouveaux matériaux, il est important de se détourner des matériaux de constructions fossiles ou minérales au profit des matériaux très écologiques tel que (le bois, la paille, le chanvre, le lin, les balles de riz, etc.). L’utilisation de ces végétaux associés à d’autres matériaux recyclables comme les plastiques est une solution intéressante pour plusieurs raisons :
INTRODUCTION GENERALE
CONCEPTION ET REALISATION D’UNE POUTRE EN FORME DE I, AUX DIMENSIONS REELLES ET EN MATERIAUX COMPOSITES TRI-COUCHE BOIS PLASTIQUE / BOIS POLYSTYRENE
Un renouvellement permanent : contrairement aux matériaux comme le sable et le gravier, la flore se renouvelle de façon permanente et assure des ressources abondantes exploitables. Les préoccupations relatives à l’épuisement des sources sont donc résolues.
Une faible énergie grise (pour le bois) : l’énergie grise est la somme de toutes les énergies nécessaires à la production, au transport, à la fabrication, à l’utilisation et enfin à la démolition du matériau ou à son élimination en fin de sa vie.
Des impacts positifs sur l’environnement : la production des végétaux (en l’occurrence le bois), non seulement ne libère pas des gaz dangereux comme les autres matériaux, mais contribue plutôt à le réduire, De plus la création de matériau innovant faisant appel au plastique permet de recycler ce dernier de la plus belle des manière, car contribuant à la promotion de plus en plus d’ouvrage ou structure (bâtiments) à ossature composite.
Des impacts positifs sur le développement durable : l’utilisation massive des fibres végétales associées aux matières plastiques issues des polymères contribuent d’une part implicitement à une production plus accrues des végétaux, ce qui aura pour effet l’augmentation du taux de CO2 absorbé et Ainsi la réduction du CO2 ambiant, et d’autre part permet de lutter contre l’assèchement des sources d’eau, les inondations, la pollution des nappes phréatiques et d’éviter la production de fumée par l’incinération de matières plastiques contenant des dioxines hautement cancérigènes du point de vue de la santé humaine.
En Afrique et en particulier au Bénin, l’utilisation quotidienne des matériels en plastique a atteint un degré inquiétant (Tableau –VIII). En effet, en d’après une étude sur la gestion des déchets plastiques dans l’espace UEMOA (CREPA, 2011) les décharges béninoises accueilleraient plus de 12 000 tonnes de déchets plastiques dont plus de la moitié est du sachet d’emballage dont 86% sont jetés dans la rue après usage, 5,50% incinérés pour faire place nette, 5,50% brûlés comme source d’énergie ce qui produit de CO2 qui est l’un des principaux gaz à effet de serre responsables du réchauffement planétaire, et 2,75% restants pour autres usages. Le constat général est que les matières plastiques font partie intégrante du quotidien des Béninois. Plusieurs études ont montré que les sachets plastiques, dont la durée de vie varie entre 100 et 400 ans en fonction des conditions, influencent beaucoup le milieu de vie et leurs conséquences énormes et multiples vont de l’environnement à la santé humaine.
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Par ailleurs on note d’importantes quantités de résidus de bois (cf. Figure 1-28, Tableau-VII) issus des différents usages du bois des scieries au Bénin. Ces résidus sont soit déversés dans la nature, soit brulés, contribuant ainsi à la pollution de la nature et à l’augmentation des gaz à effet de serre.
Afin de contribuer à relever ce défi majeur qu’est la préservation d’un environnement sain et de qualité, notre étude va se pencher sur le recyclage des sachets et du sciures de bois pour en faire des matériaux composites bois-plastique, bois-polystyrène. Au Bénin, peu d’études sont réalisées dans le cadre d’état de connaissance des matériaux composites à base du sachet plastique. Certes, certaines études menées par « Eco plan, 2002 » permettent de mettre en évidence les différentes proportions de déchets plastiques (PEBD, PEHD, PP, PET, PVC, PS, PUR) présentes dans les tas d’ordures au niveau des grandes villes du pays (cf.
Tableau -IX). au niveau de notre département de génie civil, on peut citer les récents travaux de recherche de (TCHEHOUALI D. A., KOWANOU H., SANYA E. A., 2012) portés sur un nouveau matériau à base de granulats et de déchets plastiques fondus et ceux de (GUIDIGO, 2012 et 2013) et de (CHANHOUN, 2013) qui ont portés sur la caractérisation des composites bois-plastiques. Plus récemment, on peut ajouter les travaux de recherche de (HOUESSOU M. E., 2016) portant sur la réalisation d’une plaque en composite tri-couches à base de bois plastique et de bois polystyrène : étude expérimentale et amélioration du comportement mécanique.
C’est dans cette optique que nous avons choisi le thème ̏ Conception et réalisation d’une poutre en forme de i, aux dimensions réelles et en matériaux composites tri-couche bois plastique / bois polystyrène’’. Il fera donc l’objet de nos recherches et de notre soutenance pour l’obtention du Master de Recherche en Génie des Matériaux et structures.
I.1.2- Problématique
Depuis toujours, l'utilisation du bois et de ses dérivées dans la construction est reconnue comme ayant des effets bénéfiques sur l’environnement. L’activité humaine a été aussi toujours source de production de déchets de tout genre notamment les déchets plastiques.
Cette production de déchet évolue suivant l’accroissement de la population et celui de la consommation. La gestion des déchets plastiques au Bénin est tributaire de celle des déchets solides en général. Cette gestion des déchets solides reste, à ce jour limitée à quelques tentatives de mise en place dans les villes principales, de systèmes intégrés de collecte, de traitement et de valorisations des ordures ménagères. Par ailleurs les spécialistes du secteur des BTP percevant très bien le risque d’épuisement des sources de certains matériaux
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existants associé à l’envahissement de l’environnement par les déchets plastiques (très disponible)de nos jours, ont engagé des recherches par l’entremise de la science des matériaux qui travaille en permanence pour la création et l’innovation dans le monde des matériaux de construction. Le but étant de trouver un compromis optimal entre plusieurs propriétés souvent contradictoires (un matériau à la dureté élevée et au comportement non fragile, un composite artificiel à module d’élasticité très élevé et à coût modéré, etc.). Dans cette stratégie, toutes les qualités citées plus haut (régénération, mise en œuvre et réparation facile, faible coût énergétique, protection de l’environnement….etc.) sur le bois ou ses dérivées et la nécessité de recycler les déchets plastiques qui polluent notre environnement, justifient pleinement l’usage des composites issus de ces différents matériaux [notamment pour le cas présent l’utilisation d’un élément porteur (poutre) en composite tri-couche bois plastique / bois polystyrène] dans les constructions d’ouvrage de bâtiments et des travaux publics.
Au regard de tout ce qui précède, il importe pour nous de savoir : Quelle section de poutre en forme de I allons-nous concevoir pour quel usage dans le bâtiment au regard des matériaux composites que nous avons retenus ?
I.2- Objectifs de l’étude I.2.1- Objectif général
L’objectif général visé par ce travail est de valoriser de façon concrète les résidus des industries de bois et les déchets plastiques qui jonchent nos décharges publiques afin d’en faire des matériaux innovants pour la fabrication d’élément porteur préfabriqué dans le domaine de la construction au Benin.
I.2.2- Objectifs spécifiques
L’objectif général formulé plus haut ne pourra être atteint que par l’intermédiaire des objectifs spécifiques que sont :
S’approprier les études précédemment faites dans ce domaines de matériau composite mono ou multicouches de manière générale ;
Retenir La formulation des mélanges (sciure de sachet blanc) et (sciure de bois-polystyrène expansé) offrant les meilleurs caractéristiques aussi bien physique que mécanique d’après les récents travaux de recherches ;
Définir les charges que doivent supporter la poutre tri-couche convenablement à l’usage auquel elle est prédestinée dans le bâtiment ;
dimensionner une poutre en composite tri-couche (bâtiment);
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Concevoir le moule devant permettre la réalisation de ladite poutre ; Réaliser enfin en grandeur nature la poutre en I composite tri-couche ;
Chiffrer les matériaux mise en œuvre et évaluer l’impact potentiel sur l’environnement d’un tel projet.
I.3- Intérêt et limite de l’étude I.3.1- Intérêt de l’étude
Dans le contexte actuel, où les effets sur la nature de l’utilisation du tout béton et de l’acier constituent environ 80% des matériaux rentrant dans la construction, tant au plan national que mondial, l’intérêt de notre étude consiste à imaginer un modèle de poutre préfabriquée qui pourra servir comme élément porteurs pour des constructions légères aussi bien que dans les constructions lourdes pouvant être adopté par des particuliers et mêmes les collectivités locale dans leur quête vers le développement local. Cette étude se veut également être également une contribution à l’instauration d’une politique nationale incitative visant à imposer un pourcentage de matériaux recyclés dans la construction des infrastructures publiques, touristiques et d’habitation. Le développement durable de nos communes, voire de notre pays sera boosté sans nul doute.
I.3.2- Limite de l’étude
L’étude a été faite dans le cadre de l’obtention du diplôme de Master en science des matériaux et structure à l’Ecole Doctorale Science pour Ingénieur de l’Université d’Abomey-Calavi, à ce titre, elle a un caractère académique. Par ailleurs, faute de pouvoir disposer de temps suffisant, nous pensons que tous les aspects de notre sujet d’étude ne sont complètement pas approfondis. Nous en sommes donc conscients et considérons que ces aspects pourront faire l’objet de recherches futures.
II- Approche méthodologique
II.1- Indentification des informateurs
Afin de rassembler le plus d’information sur le thème objet de notre étude, nous nous sommes déplacés vers les structures suivantes :
- L’ONAB ; - Le PGRN ; - Le CENATEL ; - L’EPAC/UAC ;
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- Le MCVDD ; - Le MA ;
- Des acteurs et opérateurs du secteur du bâtiment.
II.2- Outils méthodologiques utilisés
En vue de recueillir les informations nécessaires à notre étude, la recherche de données s’avère indispensables. Ainsi, l’approche méthodologique qui sous-tend cette recherche s’articule autour des éléments suivants :
II.2.1- La recherche documentaire
En termes d’outils et méthodes, afin d’établir un niveau élevé de connaissance et de maitrise des contours de notre sujet, il est adopté une démarche continue de lecture et d’analyse de projet. Cette recherche documentaire a été menée dans différentes bibliothèques dans le souci de faire une revue des écrits relatifs. Ces investigations se sont penchées sur des ouvrages traitant des matériaux composites dans le domaine de la construction en général et des structures (plaque ou poutre) mono ou multicouche en particulier.
La revue des travaux antérieurs au-delà du cadre de l’Université d’ Abomey-Calavi a été possible grâce aux recherches sur l’internet via mémoire online et les articles scientifiques consultés sur des moteurs de recherches spécialisées tel que google.com, altavista.fr, etc.
Aussi s’agit-il des ouvrages qui traitent du sujet de pièces d’ouvrage en composite préfabriquées. Ces recherches se sont effectuées dans les bibliothèques, institutions, directions et autres ministères.
II.2.2- Observations, photographies
L’observation de notre environnement, de quelques échantillons de matériaux composite mono et multicouche réalisés dans le cadre de certains travaux de recherche à l’UAC ajoutée au photos que nous avons pu consulter dans certains documents d’origine étrangère ont permis de rendre compte de l’état des lieux et nous ont permis de mieux repenser notre projet et d’illustrer des différentes analyses et commentaires.
II.2.3- Enquêtes et interviews
Cette étape de l’étude a permis à une collecte de donnée indispensable à nos analyses et la vérification de nos hypothèses afin d’atteindre nos objectifs. A l’aide de questionnaire préétabli nous avons interviewé le personnel et les responsables des différentes institutions et administration énuméré plus haut.
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Ces enquêtes et interviews ont permis, d’une part, de comprendre et de cerner la conception des intervenants et opérateurs du secteur des industries de bois et du recyclage des déchets plastiques, leur besoins ainsi que leurs difficultés.
II.2.4- L’étape d’analyse
A l’étape d’analyse, nous avons procédé d’abord à un travail de synthèse de toutes les données collectées. Ensuite nous y avons porté une réflexion poussée pour comprendre dans toute sa complexité le thème que nous traitons, en vue de proposer des solutions qui seraient en adéquation avec les réalités observées sur le terrain. De cette analyse est assorti un modèle de poutre tri-couche pouvant être intégrée au corps du bâtiment suivant les réalités constructives béninoises.
II.2.5- Proposition de projet
Il nous revient de proposer un projet de conception et de réalisation d’une poutre en matériau composite tri-couche et dont la structure devrait répondre aux exigences aussi bien mécanique qu’architecturale et qui se présenterait comme la proposition logique résultant des conclusions de phase d’analyse.
De ce fait, la poutre tri-couche est une pièce pouvant servir de coffrage pour la préparation et le coulage de dalle à nervures préfabriquées.
II.2.6- Difficultés rencontrées
Les difficultés rencontrées pendant nos recherches ont concerné, d’une part la disponibilité de certains responsables de structure, directions ou institutions du secteur du bois de production et traitements des déchets plastiques ce qui ne nous a pas permis d’avoir toutes les informations actualisées. A souligner que certaines données sont mêmes parfois inexistantes. De plus nous avons dû fait face à des entraves techniques. Et enfin on peut ajouter à tout ceci les difficultés financières.
Par soucis de clarté nous avons organisé notre étude en deux grandes parties scindées l’une et l’autre en en deux chapitres.
D’abord, une première partie qui aborde les généralités sur les matériaux composites et la synthèse des travaux effectués dans ce domaine.
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En suite une seconde partie qui traite des bases de conception et de réalisation de la poutre en composite tri-couche, du chiffrage des matériaux mise en œuvre, suivi de l’impact d’un tel projet surl’environnement (de nos décharges) d’un point de vue global.
La suite de ce document consistera donc à décliner les deux différentes parties structurant le travail.
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DON
PREMIERE PARTIE : REVUE DE LA LITTERATURE
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES MATERIAUX COMPOSITES
Chapitre 2 : SYNTHESE DES TRAVAUX EFFECTUES
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Une revue bibliographique sur les matériaux composites en construction sandwich est présentée dans ce chapitre. Cette revue débutera avec une exposition plutôt générale des matériaux composites et leurs procédés de fabrication. Dans un second temps, l’accent sera mis sur les composites à structure sandwich, leurs différents constituants, l’intérêt de leur utilisation ainsi que les différents domaines d’application. Enfin on présentera une revue des travaux réalisés concernant les problèmes relatifs à la mise en forme des composites de grande épaisseur.
I- Les Matériaux composites I.1- Définition
Une définition générale d’un matériau composite est donnée par Berthelot « Un matériau composite est constitué de l’assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles et de nature différente, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont l’ensemble des performances est supérieur à celui des composants pris séparément ». Pris sous cette acception, un matériau est constitué de différentes phases nommées renforts et matrice.
Lorsque le matériau composite est non endommagé, les renforts et la matrice sont parfaitement liés et il ne peut y avoir ni glissement ni séparation entre les différentes phases.
Les renforts se présentent sous forme de fibres continues ou discontinues. Le rôle du renfort est d’assurer la fonction de résistance mécanique aux efforts. La matrice assure quant à elle la cohésion entre les renforts de manière à répartir les sollicitations mécaniques. Nous notons généralement deux types de matrice : la matrice minérale (céramique et métallique) et la matrice organique (les thermoplastiques et les thermodurcissables). Cette dernière catégorie fera l’objet de notre étude.
Figure 1-1 : Matériau composite
I.2- Les polymères synthétiques
Selon leur comportement vis-à-vis de la chaleur, les polymères peuvent être divisés en deux grandes classes : les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les thermoplastiques,
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES MATERIAUX COMPOSITES
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peuvent se ramollir chaque fois qu'ils sont portés à une température déterminée après leur mise en forme (Polypropylène PP, Polyéthylène PE, Polychlorure de vinyle PVC, etc.).
L'autre groupe est celui des matériaux polymères thermodurcissables (Époxy, Polyuréthanne, colles phénoliques, etc..). Ces polymères ont des structures réticulées, formant un réseau 3D et caractérisés par des liaisons covalentes qui assurent les pontages entre les chaînes. Chaque polymère de ces deux groupes possède un ensemble de propriétés et de procédés de fabrication spécifiques. Cependant, l'incorporation de charges (ou renforts) peut modifier leurs caractéristiques physiques et mécaniques (Trotignon et al., 1996; Nabi Saheb et al., 1999).
I.2.1- Les thermodurcissables
Les thermodurcissables sont des plastiques à base de polymères qui, ayant subi une réaction chimique (amorcée par la chaleur, par les catalyseurs ou par la lumière UV), se transforment en un produit relativement infusible et insoluble. Il se trouve à l'état réticulé.
Ces polymères se comportent donc comme le béton : après la réticulation, on ne peut plus les fondre ou les mouler à nouveau.
Les plastiques thermodurcissables typiques sont les phénoliques, les polyuréthanes, les mélamines, les urées formaldéhydes (urée-formols) et Ceux à base de résines époxydes. Les
Les plastiques thermodurcissables typiques sont les phénoliques, les polyuréthanes, les mélamines, les urées formaldéhydes (urée-formols) et Ceux à base de résines époxydes. Les