L’essai développé consiste, de manière simplifiée, à mettre une face d’un bloc de terre crue aux dimensions connues en contact avec de l’eau et de suivre sa prise de masse au cours du temps afin de décrire la cinétique d’absorption d’eau. L’objectif étant ici d’étudier l’effet de chaque ajout sur l’absorption d’eau capillaire de chaque type de terres étudiées à l’aide d’un test simple. La figure V-1 représente de manière schématique le dispositif expérimental adopté pour cette étude.
159 Figure V-1: Représentation schématique du dispositif expérimental d’absorption élaboré
Des échantillons moulés de dimensions 20*40*40 mm3, confectionnés à partir des trois terres K, R et S, formulées avec un grand nombre d’ajouts précédemment évoqués, ont été placés sur un papier filtre et une fine grille en nylon sur une éponge imprégnée d’eau elle-même contenue dans un bain d’eau affleurant au niveau de sa face supérieure. Les essais sont réalisés dans une ambiance contrôlée à 20°C et une humidité relative de 50%. Les essais ont été réalisés sur des échantillons à l’état sec, après qu’ils aient passé plus d’une semaine dans une étuve à 50°C jusqu’à stabilisation de leurs masses. Ainsi la teneur en eau initiale des formulations testées est considérée nulle comme C. Hall (1989) le suggère dans ses travaux [222]. Lors de cette campagne expérimentale, les essais ont débuté aussitôt après que les échantillons aient été déposés sur le dispositif papier filtre/grille de nylon/éponge saturée. Le niveau d’eau dans a été maintenu constant au niveau de la surface supérieure de l’éponge pendant toute la durée de l’essai. Les essais se sont terminés dans la plupart des cas lorsque la teneur en eau des échantillons n’évoluait plus.
Dans le cadre de cette étude, les effets des différents ajouts (présentés dans le chapitre II) sur le comportement d’échantillons à base des trois terres K, R et S lorsqu’ils sont soumis à des essais d’absorption d’eau capillaire ont été analysés. Les formulations testées pour chacune des terres sont les suivantes : Terre seule, Terre+HMP, Terre+HMP+Pai, Terre+HMP+Foi, Terre+HMP+Alg, Terre+HMP+Cas, Terre+HMP+Col, Terre+HMP+OSE, Terre+Tan, Terre+HMP+HDL(1%), Terre+HMP+HDL(2%),
Terre+HMP+Xan(0,5%), Terre+HMP+Xan(1%), Terre+HMP+HDLSurf, Terre+HMP+Ver,
Terre+HMP+Biocal. De manière informative, et pour comparer l’impact des ajouts avec celui d’un matériau traité avec un liant traditionnel, l’ajout de chaux aérienne notée CaO à hauteur de 5% de la masse sèche initiale de terre mise en œuvre a aussi été évalué.
Comme brièvement évoqué, l’évolution de la prise de masse des échantillons au cours du temps t a été suivie. En traçant le flux d’absorption cumulé φ (en kg/m2) défini comme la masse d’eau absorbée par unité de surface en fonction de la racine carrée du temps (t0,5), une courbe d’absorption présentant généralement deux phases distinctes a été obtenue pour toutes les formulations des terres K, R et S testées. La figure V-2 présente une courbe type obtenue pour un échantillon de la terre R mise en œuvre sans ajout qui présente bien deux phases d’absorption distinctes. Durant la première phase, la cinétique d’absorption est principalement influencée par les forces capillaires internes au matériau : la masse d’eau absorbée augmente alors rapidement. Ensuite, une deuxième phase d’absorption commence lorsque le front d’absorption a atteint le sommet de l’échantillon et c’est la diffusion de l’air piégé dans les pores du matériau qui gouverne ensuite la vitesse d’absorption, comme des études précédentes l’ont déjà mis en valeur [223]. Sur la figure V-2 la transition de la phase 1 vers la phase 2 est visible à t0,5=50 s0,5.
En prenant en compte ces phénomènes observés, deux types de critères pouvant décrire l’absorption d’eau capillaire dans les échantillons étudiés ont été déterminés. D’abord, un coefficient d’absorption capillaire, noté Acap (g.m-2.s-0.5) a été déterminé pour illustrer la vitesse d’absorption capillaire lors de la première phase de l’essai. Comme cette vitesse d’absorption est dépendante de la porosité du matériau, et donc de sa masse volumique sèche, nous avons choisi de considérer les valeurs d‘Acap normalisées par la porosité « n » de l’éprouvette afin de pouvoir comparer les résultats obtenus à partir d’éprouvettes de différentes densités[60].
160 Ensuite la teneur en eau capillaire wcap(kg/m3), qui correspond généralement à la teneur en eau du matériau lorsque la seconde phase d’absorption débute, a été déterminée.
Afin de déterminer les valeurs des coefficients d’absorption Acap, plusieurs méthodes issues de différentes études [23, 222–227] peuvent être envisagées. Dans le cadre de cette campagne expérimentale, trois méthodes de détermination de ces coefficients ont ainsi été envisagées : la méthode de Hall, la méthode à une tangente et la méthode à temps fixe. Les valeurs d’Acap obtenues à l’aide de ces trois méthodes différentes pour un échantillon de la terre R mise en œuvre sans aucun ajout sont aussi précisées sur la figure V-2 en trois couleurs différentes. La méthode à une tangente consiste à réaliser une régression linéaire sur la partie linéaire de la première phase d’absorption. Ainsi, il est possible d’obtenir la pente de cette tangente et cette méthode est basée sur l’équation de la diffusion [224, 228], dont une expression simplifiée est donnée dans l’équation (V-1).
mt-m0
A =Acap×t0,5+k1 (V- 14)
La méthode de Hall [222, 225–227] quant à elle propose de prendre en compte les effets de la gravité sur l’absorption d’eau capillaire dans les échantillons. La valeur d’Acap est alors déterminée à l’aide d’une régression polynomiale sur la courbe d’absorption dont une expression est donnée en équation (V-2).
mt-m0
A =Acap×t0,5+k1-k2×t (V- 15)
Enfin, la méthode à temps fixe propose de prendre la masse de l’échantillon à t=0 secondes et à un temps fixe durant le test d’absorption. À l’aide de ces mesures et de l’équation (V-3), aussi issue de l’équation de diffusion, un Acap « sécant » peut aussi être déterminé. Dans la norme AFNOR XP P 13-901 [23], le temps fixe proposé est de 10 minutes, valeur également retenue ici.
mt-m0
A =Acap×tfix0,5 (V- 16)
Dans ces trois équations différentes (mt-m0) représente la variation de masse de l’échantillon à un temps t donné, A est la surface de l’échantillon en contact avec l’éponge saturée d’eau, Acap est le coefficient d’absorption déterminé et k1 et k2 sont des constantes.
Figure V-2: Courbe d'absorption pour un échantillon de la terre R, 3 méthodes de détermination des valeurs d’Acap
Méthode à une tangente: y = 0.175x - 0.076
R² = 0.999
Méthode à temps fixe: y = 0.172x R² = 1 Méthode de Hall y = -0.0004x2 + 0.1969x - 0.3724 R² = 0.9994 0 2 4 6 8 10 12 14 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 φ ( kg/m ²) √(t) (s0,5)
161 Différentes formes de courbes d’absorption
Environ une centaine d’essais d’absorption d’eau capillaire ont ainsi été menés lors de cette campagne sur de nombreuses formulations des terres K, R et S. Comme décrit précédemment, ces essais ont permis de tracer les évolutions des différents flux d’absorption cumulés φ (en kg/m2) en fonction de la racine carrée du temps (t0,5). Ces différentes courbes, selon les types de terres mais aussi selon les types d’ajouts présents dans les formulations, mettent en valeur des comportements d’absorption d’eau capillaire sensiblement différents. En analysant tous ces essais, trois typologies de comportements d’absorption distincts ont été observées. Étant donné que trois méthodes peuvent être utilisées pour déterminer les coefficients d’absorption Acap, chaque méthode peut présenter des limites et être approximative voire fausse pour certains de ces types de comportements d’absorption. Aussi, pour pouvoir réaliser une analyse comparative des comportements d’absorption des trois types de terres K, R et S formulées avec des ajouts aux effets variés, il est primordial de déterminer quelle méthode permettra de déterminer des paramètres Acap et wcap approchant et décrivant systématiquement au mieux les comportements des échantillons formulés soumis à ce test d’absorption. Les trois types de comportements différents observés lors de ces essais d’absorption d’eau capillaire sont présentés sur la figure V-3. Afin de vraiment mettre en valeur ces différences de comportements sur cette figure, les flux cumulés adimensionnés (flux divisé par sa valeur maximale au cours de l’essai dans chacun des cas) y sont tracés en fonction de la racine du temps. Dans le cas du premier type de comportement rencontré, les phases 1 et 2 de l’absorption ne sont pas clairement distinctes. Pour le deuxième type de comportement ces phases sont quant à elles bien distinctes. Pour les deux premiers types de comportements rencontrés, qui sont d’ailleurs observés la plupart du temps, la forme de la phase 1 est légèrement concave. Pour le troisième type de comportement observé, les deux phases d’absorption sont distinctes comme pour le second type de comportement observé, mais la forme de la première phase d’absorption est convexe.
Figure V-3: Trois types de comportements pour différentes formulations de terre soumises aux essais d'absorption d'eau capillaire Pour les déterminations des valeurs de wcap, comme dans une grande partie des cas il n’est pas aisé de différencier deux phases d’absorption (quand le comportement observé à l’absorption est le comportement n°1), il a été décidé de noter la teneur en eau capillaire maximale obtenue à la fin des essais après saturation complète des échantillons afin de pouvoir comparer des valeurs obtenues dans les mêmes conditions de saturation, même si pour beaucoup de formulations il aurait été possible de déterminer des wcap marquant les passages entre les phases 1 et 2 d’absorption. Pour les déterminations des coefficients Acap, si la méthode de Hall semble être la plus appropriée pour déterminer un coefficient d’absorption capillaire pour le type de
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 20 40 60 80 100 120 140 φ/φ max √(t) (s0,5) Comportement absorption n°1 Comportement absorption n°2 Comportement absorption n°3
162 comportement n°1 elle semble mener à des résultats très approximatifs pour les deux autres types de comportements observés. La méthode à une tangente semble quant à elle assez précise pour les comportements n°2 et n°3, mais approximative pour le type de comportement n°1 [225]. La méthode à temps fixe après 10 minutes d’absorption capillaire semble la plupart du temps approximative, car la vitesse de l’absorption d’eau capillaire est étudiée sur une période assez courte, ne décrivant pas vraiment le comportement global d’un échantillon durant la totalité de l’essai d’absorption d’eau capillaire auquel il est soumis. Les limites de chacune de ces méthodes de détermination des Aap sont détaillées et illustrées en annexe 3.
Limites pour la détermination des valeurs d’Acap
Selon le type de courbe d’absorption obtenue, il semble donc que certaines méthodes de détermination des coefficients d’absorption Acap peuvent présenter des limites. Les limites de ces trois méthodes ont été étudiées pour chacune des trois différentes formes de courbes d’absorption rencontrées. Le but est aussi d’identifier une des trois méthodes qui serait la plus fiable pour comparer des valeurs d’Acap déterminées de la même façon pour tous les types de formulations testées. Le détail de cette étude comparative est disponible en annexe 3. Cette étude a permis d’identifier une méthode polyvalente pour déterminer ces valeurs : la méthode à une tangente. C’est donc cette méthode à une tangente qui sera utilisée dans cette étude pour comparer les différents ajouts en termes de cinétique d’absorption capillaire (Acap). Dans l’étude comparative, pour limiter les effets des variations de densités entre les échantillons testés, toutes les valeurs d’Acap déterminées à l’aide de la méthode à une tangente ont été pondérées par la porosité apparente n de ces échantillons (Acap/n). Les wcap déterminés après saturation totale des échantillons ont aussi été déterminés lorsque c’était possible.