Fondements des performances mécaniques des plastiques

Les propriétés mécaniques des matériaux sont généralement liées à leur architecture moléculaire.

Par exemple, les matériaux qui possèdent des liaisons atomiques fortes, ont des coefficients de dilatation thermiques faibles, la dilatation peut donc s’expliquer en termes d’agitation atomique. En effet, soumis à l’effet de la chaleur, les vibrations atomiques augmentent et, en conséquence, la distance d’équilibre des atomes augmente. Cette augmentation de la distance d’équilibre des atomes est la cause de la dilatation constatée sur le plan macroscopique.

Figure 1.3: Plages de valeurs du module de Young [E] pour quelques matériaux (Bailon, 1980)

En principe, le module de Young (E), qui est la constante de proportionnalité entre déformation ε et contrainte σ, correspond à une mesure de l’intensité des forces atomiques.

Plus les liaisons sont fortes, plus le matériau est rigide (Figure 1.3).

I.1.6.2.1. Liaisons atomiques du plastique et leurs propriétés

Les polymères, comprennent deux types de liaisons atomiques essentielles: les liaisons covalentes et les liaisons de Van der Waals. Chacune de ces liaisons développe des propriétés assez précises au sein du matériau (Tableau1.4).

Log E (MPa)

13 Tableau 1.4: Principales caractéristiques des liaisons atomiques du plastique et les

propriétés qui en découlent Covalente Diamant (7,0) Electrons partagés

et localisés e e f f f

Pour un polymère, le module d’élasticité n’est qu’apparent. Sa valeur n’est pas directement proportionnelle à celle de l’intensité des liaisons atomiques. Bien souvent d’ailleurs, la proportionnalité entre la contrainte appliquée et la déformation résultante n’est pas rigoureusement vraie. En définitive donc, la résistance mécanique du plastique dépend peu des liaisons des atomes des chaînes moléculaires. Elle dépend plutôt des liaisons chimiques entre les chaînes, ces liaisons qui s’effectuent sans échange d’électrons (Dorlot, 1986). Pour les polymères, une contrainte mécanique a pour effet, non pas d’éloigner les monomères les uns des autres, mais de déployer les chaines moléculaires.

Tableau 1.5: Résistance à la traction comparée pour quelques matériaux situant le HDPE

Matériau Résistance à la traction Rm (MPa)

14 liaisons covalentes. Cette déformation résulte d’un déploiement des chaînes, par une action sur les liaisons de Van der Waals liant les molécules entre elles. Tant que les chaînes ne se déplacent pas les unes par rapport aux autres, la déformation est réversible: domaine élastique (Bailon, 1980).

Il apparaît donc normal que le plastique soit mécaniquement faible ainsi que les faibles valeurs de résistance à la traction en situent quelques variétés dans le bas du Tableau 1.5.

De la même façon, les matériaux à liaisons atomiques fortes présentent des points de fusion élevés comme le montre la Figure 1.4.

I.1.6.2.3. Effet de la température sur les propriétés mécaniques des polymères.

La température agit fondamentalement sur les liaisons interatomiques. Sous son influence, les forces de liaison, la rigidité et les distances interatomiques sont modifiées. Les propriétés fondamentales du matériau elles aussi vont

évoluer. La température intervient directement dans tous les événements impliquant des mouvements d’atomes. Les hautes températures provoquent donc une diminution de la résistance du matériau quel qu’il soit et favorisent le fluage (Bailon et al., 1980).

Figure 1.4: Relation entre liaisons atomiques et point de fusion des matériaux

Source: (Bailon et al., 1980)

Figure 1.5-a (à gauche): Courbes de traction de l’acétate de cellulose à diverses températures Figure 1.5-b (à droite): Variation du module de Young en fonction de la

température (Source: Bailon et al., 1980).

Tf (°C)

15 A la Figure 1.5-a, on observe la déformation sous traction d’un polymère soumis à l’effet de la température et à la Figure 1.5-b, la variation du module de Young de divers matériaux en fonction de la température.

I.1.7. RAISONS DE LA PROLIFERATION DES PLASTIQUES

Dans le paragraphe I.1.6, ont été exposées les propriétés mécaniques des plastiques. Nous pouvons affirmer que les applications du plastique prennent de plus en plus le pas sur celles du métal bien que le métal soit mécaniquement plus résistant que le plastique. En effet, il est vrai, les propriétés des matériaux plastiques ne cessent de s'améliorer mais la résistance seule mécanique ne justifie pas l’essor des plastiques. Certaines caractéristiques techniques leur permettent de se distinguer notablement des métaux et de les concurrencer par ailleurs. Elles sont nombreuses et de plusieurs ordres, mais nous n’en examinerons que quelques-unes qui paraissent les plus importantes pour le sujet.

I. 1.7.1. La résistance spécifique

Le poids spécifique des matériaux polymériques est peu élevé. Cette qualité fait partie des grands atouts qui justifient le choix de plus en plus porté sur eux. En effet, lorsqu’on compare les résistances spécifiques (rapport "résistance à la traction/densité"), les chiffres de certains matériaux polymériques peuvent être supérieurs à ceux de plusieurs matériaux métalliques. Le Tableau 1.6 en présente quelques cas de comparaison.

Tableau 1.6. Résistances spécifiques (Rm/ρ) de quelques métaux et polymères Matériau liaisons intermoléculaires sont peu résistantes à l’agitation thermique, leurs coefficients de

16 dilatation sont élevés. Cela crée des difficultés de cohésion dans les assemblages métaux-polymères. Cependant, ce fort coefficient de dilatation est associé à une conductivité thermique très faible (Tableau 1.7).

Tableau 1.7: Comparaison des caractéristiques thermiques de quelques matériaux

MATERIAU

17 I. 1.7.3. La résistivité électrique

Les résultats des travaux réalisés par Dupeux (2004) ont montré que la nature des liaisons atomiques présentes dans les polymères (covalentes le long des chaînes, Van der Waals ou ponts d’hydrogène entre les chaînes) fait qu’il n’existe pas de porteur de charges électriques (électrons ou ions). Par conséquent, les matériaux polymériques ont une résistivité très élevée.

D’où, ils constituent d’excellents isolants électriques. Le Tableau 1.8présente quelques chiffres comparés de la résistivité de quelques matériaux usuels.

Tableau 1.8: Comparaison des propriétés électriques de quelques matériaux à 20°C MATERIAU Résistivité à 20 °C (Ω.m)

Comme le montre le Tableau 8, la résistivité couvre plusieurs ordres de grandeur, de 10^-8 Ω.m pour les métaux, jusqu’à 10¹⁸ Ω.m pour les polymères.

I. 1.7.4. Autres atouts favorables aux plastiques

Parmi ses qualités, le plastique, qui continue de se faire découvrir, porte des atouts dont les détails seraient fastidieux à énumérer. Nous en citerons pêle-mêle seulement quelques-uns. Il s’agit de : la résistance aux agents chimiques, l’élasticité élevée, l’intérêt en vibro-acoustique, la transparence, la résistance à l’impact, la résistance à l’abrasion, la convivialité : le matériau accepte avec une relative facilité les charges et les ajouts qui permettent de le teinter dans la masse, de doper sélectivement ses propriétés et de tendre maintenant vers des plastiques biodégradables. Il y a aussi l’étanchéité : étanchéité à l’air (pneumatiques) et à l’eau (étanchéité des toitures, arrêt d’huiles divers), le coût de production (aujourd’hui, par exemple, la température d’injection du plastique est inférieure à celle des alliages de zinc, d’où une économie d’énergie, une cadence de fabrication élevée, une meilleure tenue de

18 l’outillage (Bailon et al., 1980).Le plastique prend donc la place du métal en toute compétitivité.

I.1.8

. P

ROBLEMES INDUITS PAR LA PROLIFERATION DES PLASTIQUES

Pour les différentes raisons évoquées au Paragraphe I.1.7. l’industrie plastique est en plein essor. En 2012, 288 millions de tonnes de plastiques ont été fabriqués dans le monde (Couffin, 2013) avec une croissance annuelle à long terme de 5% observée depuis 20 ans. La percée des plastiques est telle que leur consommation actuelle en volume est supérieure à celle des métaux. L’importance économique des matières plastiques est alors majoritaire dans la chimie industrielle d’aujourd’hui. Les plus fortes consommations concernent les marchés du bâtiment, de l’emballage et de l’électricité-électronique. Selon PLASTICSEUROPE (2012), remplacer aujourd’hui les plastiques par des matériaux de substitution se traduirait par une augmentation de 46 % de la consommation d’énergie, une hausse de 46 % des émissions de CO₂ et 100 millions de tonnes de déchets supplémentaires générés chaque année dans l’Union Européenne. La nature inévitablement doit ressentir la marée.

I.1.8.1. Encombrement de la nature

Parti de 8 kg en 1960, le plastique pèse en moyenne aujourd’hui plus de 200 kg par voiture européenne, malgré les exigences techniques de plus en plus pointues des cahiers de charges (PLASTICSEUROPE, 2012). Mais, il y a un embarras : le matériau n’est pas putrescible. On situe la durée de vie des sacs plastiques entre 400 et 1000 ans. Certains parlent même de millions d’années (Couffin, 2013). Or, chaque année, malgré les utilisations longue durée, 50% des productions deviennent des déchets.

De toute évidence, un problème d’encombrement s’affiche. Les plastiques, on en trouve aujourd’hui dans toutes les mers du globe. On ignore quels impacts environnementaux ils peuvent engendrer, à moyen et long termes, en particulier quand ils se dégraderont en petites particules. À plus de 2000 miles marins, soit environ 4000 km du continent le plus proche, leur présence est signalée. De nombreux animaux meurent, l'estomac rempli de dizaines d’objets plastiques ingérés en mer.

I.1.8.2. Pollution chimique

Bien prétentieux paraîtrait-il de vouloir citer toutes les substances en cause en matière de pollution chimique engendrée par les matières plastiques, moins encore leurs conséquences, puisque ces conséquences sont loin d’être toutes connues. Les plus communes, recensées par les structures compétentes, sont :

19

*Le monoxyde de carbone : il se lie, plus fortement que l'oxygène, à l'hémoglobine sanguine pour former un composé stable. Le résultat de cette réaction est l'empoisonnement des molécules d'hémoglobine. En effet, le CO a une affinité pour l'hémoglobine (Hb) 250 fois supérieure à celle de l’O2. Il en résulte la production de carboxyhémoglobine (HbCO), inapte au transport de l’O2, entraînant une hypoxie (GNM-ST BTP, 2014).

*Le (di)sulfure de carbone CS2 : Le sulfure de carbone est un neurotoxique. Les expositions répétées à des concentrations élevées peuvent léser de nombreux systèmes physiologiques.

Les expositions prolongées à des concentrations faibles peuvent avoir des effets nocifs du point de vue mental, neurologique, cardiovasculaire, gastro-intestinal, métabolique, endocrinologique (OMS, 1989).

*Certains additifs dont le bisphénol A (BPA) : Le bisphénol A est un composé chimique très présent dans les plastiques alimentaires et notamment dans 90 % des biberons. Il est soupçonné d'être un perturbateur endocrinien. Interdit en France depuis le 1^er Janvier 2013 pour les contenants alimentaires de denrées destinées aux enfants de moins de 3 ans, il le sera pour tous les contenants alimentaires à partir du 1^er Janvier 2015 (Ministère Français de l’Agriculture, de l’Agroalimentaire et de la Forêt, 2014).

*Autres polluants : On cite d’autres polluants comme le benzène (capable de provoquer des leucémies), le toluène (susceptible d’endommager le système nerveux),

I.1.8.3. Pollution technologique

Les nanotechnologies permettent de produire des molécules particulières, dont les fullerènes, des nano fils ou nanotubes difficiles à filtrer dans l'air et qui peuvent passer à travers les muqueuses et percer les enveloppes cellulaires. L’utilisation des crèmes solaires contenant du dioxyde de titane (TiO2) est, par exemple, un mode de diffusion des nanoparticules dans l’environnement. Ces crèmes, qui ne restent pas à l’infini sur les peaux des personnes qui les utilisent, se retrouvent après une toilette dans le cycle de l’eau. Par diverses voies, les nanoparticules se retrouvent dans l’environnement (Tchangna, 2008). Il est à craindre des effets différés comme on en a tardivement identifiés pour l'amiante, il y a peu.

I.1.8.4. Pollution des chaînes alimentaires

Un anodin geste d’incinération d’un sachet plastique comporte, entre autres, un risque dont l’homme mesure à peine la portée. Les fumées d'incinération des plastiques relâchent du CO qui retombe dans les champs. Les végétaux fixent cette substance.

20 Les vaches, en broutant l'herbe, absorbent du CO qui se fixe également dans leurs tissus.

L'homme, en consommant de la viande bovine, se contamine.

Hommes Vaches

Herbes

C0  

Le danger de ces substances se trouve amplifié par l'accumulation de ces produits par le biais de la chaîne alimentaire. Les ovules, les spermatozoïdes et les graisses de l'organisme contiennent maintenant des pesticides. En 1987, l'OMS a démontré leur présence dans le lait maternel. La longueur des molécules du plastique les empêcherait de pénétrer dans les cellules (sauf à manger du plastique évidemment!). Cependant, on s'aperçoit progressivement que les additifs apportant certaines propriétés particulières (souplesse, résistance aux chocs, résistance au feu, tenue aux rayons ultraviolets, etc.) peuvent être très dangereux. En effet, les additifs du plastique sont de petites molécules qui peuvent franchir les barrières biologiques.

Face à ces risques potentiels, le recyclage des matières plastiques apparait comme la voie la plus sûre pour appréhender et mieux maîtriser les diverses variétés de molécules greffées sur ces hydrocarbures.

I.2. RECYCLAGE DE SACHETS PLASTIQUES EN CONSTRUCTION

Un mal est déjà fait. Aujourd’hui, il y a eu accumulation de déchets plastiques dans la nature.

En ce moment de son développement donc, l’industrie plastique se situe dans une mauvaise passe avec l’environnement. A travers le monde, surtout dans les communautés scientifiques, des cercles de travail se mobilisent pour aborder le sujet sous divers angles : recyclage matière par-ci, recyclage chimique par-là, et même bricolages de pavés par les ONG. Tous ces efforts contribuent à éviter que les pratiques quotidiennes, en termes de débarras, un peu trop facile, des déchets plastiques générés, continuent à polluer dans l’ignorance quasi totale.

Dans les paragraphes qui suivent, nous exposons certaines problématiques que le recyclage du déchet de sachet plastique pourrait contribuer à résoudre dans le domaine de la construction.

Certains résultats des travaux en cours dans d’autres laboratoires de recherches sont livrés, surtout les travaux de recyclage de déchets de sachets plastiques dans le secteur de la construction. Mais avant, visitons brièvement la molécule du sachet plastique d’emballage et certaines de ses propriétés.

I.2.1. LE SACHET PLASTIQUE

Il importe de souligner que la composition des plastiques devient de plus en plus complexe de nos jours. Cela constitue un frein à leur recyclage. Le plastique visé par les essais rapportés

21 dans ce mémoire est constitué de déchets de thermoplastiques, Polyéthylène Basse Densité (LDPE), sous sa forme de sachets d’emballages.

Les sachets en polyéthylène sont essentiellement constitués d'un polymère de formule brute C500H1000, soit (C2H4)250 avec : C=12 ; H=1 g.mol^-1.

La masse molaire du polymère est alors de : (500*12 + 1000*1) = 7000 g.mol^-1.

Sa température de fusion est de 85 à 140 °C. Sa température d’auto-inflammation est de: 330 à 410 °C et sa masse volumique de: 0,91-0,96 g/cm³.

Les conclusions d’une étude de la dégradation thermique de certains polymères, notamment le polyéthylène, le polypropylène et le polystyrène, ont montré que ces polymères fondent facilement sans émission de gaz dangereux autour de 130-140⁰C (Vasudevan et al., 2007).

Vers 350⁰C, ces polymères amorcent une décomposition qui laisse échapper des gaz tels que le méthane (CH₄) et l’éthane (C₂H₆). A 700⁰C, leur combustion produit des gaz de types CO et CO₂.

D’après l’architecture moléculaire représentée sur la Figure 6, et se référant à la classification indiquée au paragraphe I.1.6.1, on peut dire que le sachet de polyéthylène est bel et bien fait de molécules thermoplastiques.

Figure 1.6: Représentation de la molécule du sachet de polyéthylène (Modèle 3D réalisé le 4 août 2006 par Benjamin Mills)

Se référant à l’une de ses propriétés évoquées au paragraphe 1.1.7.4, notamment sa capacité en matière d’étanchéité à l’eau, les sachets plastiques peuvent être bien sollicités dans la résolution de la problématique de l’étanchéification du béton de ciment.

I.2.2. ETANCHEITE DU BETON DE CIMENT

L’étanchéité demeure un problème crucial pour le béton. Si une solution miracle existait, elle serait logée à une enseigne et, sans doute, la stratégie pour y parvenir serait déjà rendue

22 systématique par une méthode de formulation ou une autre. L’étanchéité du béton n’est donc pas d’office un problème d’adjuvant ; ce n’est non plus un problème de granulats, ni même une affaire exclusive de formulation. Selon toute apparence, le problème de l’étanchéité du béton est un problème de tout, à la fois, l’expérience de l’opérateur comprise. Or, pour être sûr d’avoir réussi l’épreuve d’étanchéité d’un ouvrage, c’est en service que son comportement devra être examiné. C’est dire que le jour où le béton est coulé, il est trop tard pour prévenir son étanchéité. Le constat de l’échec conduit souvent à la démolition de l’ouvrage car, le matériau béton présente l’inconvénient majeur des difficultés qu’exiges a modification, sinon qu’au préalable, des précautions devraient être envisagées pour réduire le pourcentage de

Figure 1.7 : Courbe de distribution de la porosité en fonction du rayon des pores (Source : Billhouet, 1994)

Par ailleurs, la porosité du béton change avec le temps comme l’illustrent les données des Tableaux 1.9 et 1.10.

Tableau 1.9: Temps nécessaire à l’interruption du réseau capillaire dans le béton en fonction des rapports Eau-Ciment

Tableau 1.10: Valeurs de la perméabilité du béton en fonction de l’âge (avec E/C= 0,5) Age de la

23 Le remplissage progressif des capillaires entraîne une diminution de la perméabilité. Avant le 5^e jour d’âge, le réseau des capillaires est encore continu. D’après ces données assez illustratives de l’une des caractéristiques fondamentales du béton, la porosité, dont le siège serait localisé entre la pâte de ciment et le granulat (Maso, 1982), est une pathologie congénitale du béton. On sait bien que le béton est un matériau naturellement perméable. Il n’existe donc pas de béton naturellement étanche dans sa forme traditionnelle.

La Figure 1.8 (à gauche) présente l’image montrant la germination du ciment dans le béton.

On y note les détails de l’enchevêtrement des constituants C-S-H.

Figure 1.8 (à gauche): Image de la germination du ciment : le béton est un panier microscopique Source : (Baron et al., 1995) et Photo 1.1 (à droite): Château d’eau portant la

preuve d’une opération d’étanchéité loupée pour le béton ; recours à un matériau plus étanche, le plastique en l’occurrence.

La photo 1.1 (à droite) présente un château d’eau (réservoir) en béton qui, par suite du constat d’échec à l’épreuve d’étanchéité, a simplement abandonné son rôle classique à un matériau plus apte, le réservoir plastique qui, du reste, se trouve posé sur celui en béton.

I.2.2.2. Liaison pâte-granulat dans le béton

Dans la liaison pâte-granulat, des études ont permis de mettre en évidence l’existence d’une auréole de transition, entourant les granulats. Elle est de composition différente de celle de la masse des hydrates (Baron et al., 1995)et caractérisée par (Figure 1.9) :

* Une première couche, au contact, très compacte et ayant une texture très fine. Cette couche est intimement fixée au granulat ;

* Une deuxième couche : celle-ci comporte des cristaux de grandes dimensions et est très poreuse. Cette couche a en plus une cohésion très faible. On y observe une orientation préférentielle des cristaux sur des distances importantes.

24 Pâte de ciment

2^ème couche de l’auréole 1^ère couche de l’auréole Granulat

Figure 1.9: Schématisation de l’auréole de transition autour du granulat dans le béton.

Il s’en suit, que la seconde couche de l’auréole de transition, en raison de sa faible résistance mécanique due à la présence de cristaux de grandes dimensions, et par suite de sa forte porosité, constitue le point faible des bétons soumis à des actions mécaniques (Baron et al., 1995). De plus, le retrait et les actions mécaniques extérieures peuvent y développer une microfissuration offrant à l’eau, et aux agents d’altération chimique qu’elle peut véhiculer, une surface d’attaque considérable.

L’auréole de transition est donc le siège des premières irréversibilités dans le béton. Des assauts sont toujours en cours dans le monde scientifique pour aboutir au béton étanche. Par exemples, les laboratoires de l’Université de Sherbrooke au Canada et ceux de l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Toulouse en France, ont fait des études aboutissant en 2001 à des résultats très encourageants. Avec du marbre, roche calcaire métamorphique, la couronne de transition a pu être amincie. Le béton obtenu avec le granulat de marbre s’est avéré étanche, même au gaz ! Les travaux ainsi effectués dénotent de l’importance accordée à la résolution de la problématique d’étanchéité des bétons.

I.2.2.3. Caractérisation de la porosité du béton: essai d’absorption ou de perméabilité?

I.2.2.3.1.Essai d’absorption

Le volume poreux du béton se mesure par l’absorption d’eau. L’absorption d’eau d’un béton, à son tour, se mesure habituellement en faisant sécher une éprouvette de béton à masse constante en l’immergeant dans l’eau et en déterminant l’augmentation de masse exprimée en

25 pourcentage de la masse sèche. Cette mesure n’indique pas forcément une bonne qualité de béton. Mais les bons bétons ont une absorption d’eau inférieure à 10% en masse.

La norme ASTM C 642-90préconise un essai d’absorption sur plusieurs petits fragments de béton. On y prescrit un séchage à une température de 100 à 110°C et une immersion dans l’eau à 21°C pendant au moins 48 heures. Les spécifications de la norme BS 1881, partie 122

La norme ASTM C 642-90préconise un essai d’absorption sur plusieurs petits fragments de béton. On y prescrit un séchage à une température de 100 à 110°C et une immersion dans l’eau à 21°C pendant au moins 48 heures. Les spécifications de la norme BS 1881, partie 122

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