Les méthodes en régime variable

quand même quelques sources d’incertitudes sur la mesure de la conductivité [22].

Dans le cadre de notre travail, nous n’allons pas utiliser les méthodes en régime permanent du fait qu’elle dure trop longtemps et au Bénin, il y a des coupures très fréquentes d’électricité dues à une production insuffisante.

6.2.2. Les méthodes en régime variable 6.2.2.1. Méthode du fil chaud

La méthode du fil chaud est une technique classique de mesure de la conductivité thermique en régime transitoire. Le principe de la mesure consiste à placer un fil chaud entre les surfaces de deux échantillons du matériau à caractériser comme l’indique le schéma de la figure 9.

Figure 9 : Schéma de principe de la mesure de conductivité thermique par la méthode du fil chaud

Un flux de chaleur constant



0sit t₀;







₀ sitt₀est appliqué au fil chauffant. Un thermocouple nous permet de mesurer l’évolution au cours du temps de la température ^T₀

 

^t de ce fil ; pendant le temps où la perturbation n’a pas atteint les autres faces c’est à dire lorsque l’hypothèse du milieu semi-infini est valide, on peut supposer que le transfert dans l’échantillon autour du fil est radial. La modélisation de ce transfert de chaleur permet de calculer la température au centre de l’échantillon.

L’avantage de cette méthode réside dans le fait que l’inertie de la sonde et de la résistance de contact n’influent pas sur le calcul de la température aux temps longs.

Le principal inconvénient est que ce modèle n’est valable que si le milieu est semi infini, il ne conviendrait donc pas pour la mesure de matériaux de faibles épaisseurs. On peut noter cependant que cette méthode n’est pas théoriquement applicable aux matériaux ayant une faible densité (Coquard et al., 2006).

Globalement, cette méthode du fil chaud est une technique assez précise hormis l’incertitude provenant de la densité linéique du flux de chaleur



₀

L

_.

En conclusion, on peut dire que cette méthode est une technique qui permet de mesurer la conductivité thermique, λ en un temps très court, environ 120 secondes.

6.2.2.2. Méthode du plan chaud

La méthode du plan chaud est initialement une technique de mesure de l’effusivité thermique des matériaux en régime transitoire (Figure 10).

Le dispositif proposé représenté sur la figure 10 consiste à utiliser une simple résistance électrique mince insérée entre deux échantillons de surface plane du matériau

Figure 10 : Schéma du principe de mesure de la conductivité thermique par la méthode du plan chaud

à caractériser. La sonde chauffante et l’échantillon ont de préférence la même surface pour pouvoir faire l’hypothèse que le transfert est unidirectionnel pendant le temps où les pertes latérales convectives sont négligeables. Un premier thermocouple est placé sur la face de la résistance en contact avec l’isolant (face avant). Un deuxième thermocouple peut être placé sur la face non chauffée de l’échantillon en contact avec l’isolant (face arrière). L’épaisseur de l’échantillon est choisie de manière à ce que l’hypothèse du milieu semi-infini pour l’échantillon soit vérifiée pendant au moins 30s.

Le principe de la méthode consiste à appliquer un échelon de flux de chaleur constant



0sit t₀;







₀ sitt₀à la résistance chauffante et on relève l’évolution de la température ^T_s

 

^t au centre de cette même résistance dans laquelle a été placé un thermocouple. Pendant le temps où la perturbation n’a pas atteint les autres faces c’est à dire l’hypothèse du milieu semi-infini est valide (temps pendant lequel T_e

 

t _{n’a pas} varié), on peut considérer que le transfert au centre de l’échantillon est unidirectionnel.

La modélisation des transferts de chaleur permet de calculer l’évolution de la température au centre de l’échantillon. Une méthode d’estimation permet de calculer les valeurs de l’effusivité thermique, de la capacitance thermique (sonde + résistance chauffante) et de la résistance de contact à l’interface échantillon-sonde qui minimisent l’écart entre les courbes T_s

 

t théoriques et expérimentales.

6.2.2.3. Méthode du ruban chaud

Le ruban chaud est une technique développée au laboratoire de TREFLE de l’ENSAM et qui permet de mesurer à la fois la conductivité et l’effusivité thermique d’un matériau en régime transitoire à partir d’un seul enregistrement de thermogramme en un temps assez court [3].

La méthode du ruban chaud est un dispositif dans lequel une résistance électrique de forme rectangulaire est insérée entre deux échantillons de surfaces planes du matériau à caractériser [22]. Les dimensions des échantillons sont telles que la perturbation provoquée par l’échelon de flux



0sit t₀;







₀ sitt₀imposée à l’élément chauffant n’atteigne aucune de leurs faces externes pendant la durée de la mesure (hypothèse du milieu semi-infini) ; le rapport longueur/largeur de la résistance est choisi

de manière à ce que le transfert de chaleur au centre de la résistance puisse être considéré bidimensionnel pendant un temps inférieur à 180 s (Figure 11) [3].

Une présentation simplifiée de la méthode du ruban chaud pourrait être la suivante :

-

Exploiter aux temps courts un comportement de type plan chaud au centre de la sonde, lié à un flux de chaleur perpendiculaire au ruban ;

-

Exploiter aux temps longs un comportement de type fil chaud quand le flux devient assimilable à un flux radial.

Le ruban chaud se présentera donc sous la même forme que le plan chaud, seules ses dimensions vont différer.

Pour cela, on considère un ruban chaud présentant les caractéristiques suivantes :

-

Longueur (2l) : 5,4 cm ;

-

Largeur (2b) : 1,2 cm ;

-

Résistance : 61,8 Ω.

Les caractéristiques de l’échantillon sont fixées :

-

Conductivité (λ) : 0,21W.m^1.K^1 _;

-

Effusivité E :^{510J.m2.K1.s12.}

Figure 11 : Schéma de principe de montage du ruban chaud [3]

Figure 12 : Schématisation de la mesure simultanée de la conductivité et de l’effusivité avec le ruban chaud

On modélise l’évolution de la température au centre du ruban inséré entre 2 échantillons de ce matériau et soumis à une tension (U) de 6V :

-

En le considérant comme un plan de surface 6,48cm²;

-

En le considérant comme un ruban ;

-

En le considérant comme un fil de longueur 5,4 cm et de rayon 110^ème_de millimètre.

La Figure 13 représente l’évolution de la température sur une durée de 180 secondes dans ces trois cas, après que l’on ait fait subir à la courbe représentative du modèle « fil chaud » une translation pour faire coïncider sa température finale avec celle du modèle « ruban chaud » ; elle fait apparaitre clairement les similitudes de comportement entre le ruban et les deux autres sondes en début et en fin d’expérience.

Le thermogramme correspondant au début du chauffage (temps pendant lequel le transfert de chaleur au centre de la résistance reste unidirectionnel) est utilisé pour estimer l’effusivité thermique par une méthode du type plan chand. Une modélisation complète des transferts bidirectionnels dans les échantillons associée à une méthode d’estimation des paramètres permet d’utiliser le thermogramme entre 0 et 180 s pour estimer la conductivité thermique.

L’analyse de ce thermogramme montre que le ruban chaud se comporte comme le

plan chaud

au temps court entre 0 et 50 s, puis comme le fil chaud au temps long entre 80 et 180 s [3].

Dans le domaine des constructions, les matériaux constituent un point focal en matière d’adaptation aux changements climatiques. Au-delà des matériaux modernes comme le béton classique, les matériaux traditionnels comme l’argile et la terre de barre peuvent être valorisés. Aussi, les cendres pourraient apporter une plus-value aux matériaux de construction. Au-delà des performances mécaniques, les caractéristiques thermiques revêtent un grand intérêt surtout pour le confort dans l’habitat.

Figure 13 : Comparaison des 3 modèles appliqués à une sonde de type ruban chaud

2 ^ème PARTIE :

APPROCHE METHODOLOGIQUE

C

^{hapitre 4}

PROTOCOLE EXPERIMENTAL

Ce chapitre est consacré à la préparation des matériaux utilisés ainsi qu’aux étapes de formulation des divers échantillons à tester. Ainsi, nous présentons tout le processus du prélèvement des matériaux à la cuisson des blocs d’argile.

1. LES MATERIAUX UTILISES

Nous avons utilisé la terre de barre prélevée en creusant sur une profondeur de 1 à 3 mètres à la carrière de "Ouèdo" dans la commune d’Abomey-Calavi au Bénin.

Photo 1 : Préparation de la terre de barre pour prélèvement

Photo 2 : Présentation des matériaux à l’état naturel à la carrière de Ouèdo (commune d’Abomey-Calavi)

Nous avons prélevé l’argile de Tori-Sékoué dans la commune de Sèmè-kpodji.

L’argile humide prélevée a été séchée puis pulvérisée à l’aide de l’appareil "Los Angeles" du Département de Génie Civil à l’EPAC pour avoir le matériau qui a servi à nos essais.

Photo 3 : Terre de barre prélevée et mise en sacs

Photo 5 : Séchage de l’argile Photo 4 : Argile séchée

Les cendres utilisées proviennent des résidus de combustion du charbon de bois et bois de chauffage collectée à l’Université d’Abomey-Calavi et environ et dans différents ménages.

L’eau utilisée est issue du réseau de distribution d’eau potable de l’Université d’Abomey-Calavi.

Le ciment utilisé pour la confection des blocs est le ciment Bouclier de type CPJ 35 produit par la Société des Ciments du Bénin (Photo 10).

Photo 7 : Ecrasement de l’argile à l’aide de l’Appareil "Los Angeles"

Photo 6 : Présentation de l’argile après passage à l’appareil "Los Angeles"

Photo 8 : Argile prête pour confection des éprouvettes Photo 9: Tamisage de cendres

2. LE PROGRAMME EXPERIMENTAL

L’utilisation des terres en remblai est d’abord directement liée à leur comportement lors de leur mise en place.

Le GTR 92 (Guide des Terrassements Routiers, Réalisation des remblais et des couches de forme, LCPC, SETRA, 1992) et la norme qui en découle NF-11-300 (septembre 1992) proposent une classification des matériaux utilisables dans la construction des remblais et des couches de forme d’infrastructures routières. Ils permettent de définir la classe du matériau à partir des résultats de plusieurs types d’essais. On distingue trois (03) catégories d’essais :

-

Les essais d’identification ou de nature ;

-

Les essais d’état ;

-

Les essais de comportement mécanique.

Ces différents essais sont choisis en fonction de la classe du matériau.

Les sols en étude ont été appréciés suivant leur nature, leur état et leur comportement.

Des essais d’identification ont donc été réalisés sur les matériaux de base (terre de barre et argile) notamment :

Photo 10 : Photo du ciment utilisé

-

l’analyse granulométrique par tamisage et par sédimentométrie afin de connaitre la répartition granulométrique des matériaux ;

-

l’indice de plasticité qui passe par la détermination des limites d’Atterberg afin de caractériser l’argilosité des sols.

Les matériaux de base identifiés, des essais d’état (Proctor et CBR) sont effectués sur la terre de barre améliorée à différentes teneurs en cendres (de 0% à 60% pas de 10) afin d’étudier l’influence des cendres sur le matériau.

D’un autre côté, pour l’usage dans les bâtiments des blocs d’argile et de terre de barre (dosages spécifiés) améliorés à la cendre et stabilisés par cuisson pour l’argile et au ciment pour la terre de barre sont confectionnés afin de les soumettre aux différents essais de caractérisation mécanique (résistances en flexion 3 points et en compression) et thermique (détermination de la conductivité thermique λ par la méthode du ruban chaud) afin d’apprécier leurs comportements.

Tableau 3 : Notation adoptée pour les différents échantillons Désignation

Les notations "C" et "F" désignent respectivement les blocs stabilisés par

"cuisson" et ceux stabilisés au "ciment", suivie d’un chiffre qui représente le pourcentage en masse de cendres introduit sur 10.

Pour chaque caractéristique étudiée, les résultats ont été comparés avec un bloc de référence ou témoin (bloc à 0% de cendres) réalisé selon les mêmes procédés de mise en œuvre et dosages en terre, ciment et eau. Le seul paramètre changeant d’un mélange à l’autre est la teneur en cendres. Les caractéristiques étudiées pour le matériau élaboré sont les suivantes :

-

les résistances mécaniques en compression et à la traction par flexion et

-

la conductivité thermique ;

Les BTS soumis aux différents essais dans la présente étude sont des BTS renforcés par le sous-produit cendre. Ils résultent du mélange d’argile, de la terre de barre, de l’eau et de cendres d’une part pour la cuisson ; de la terre de barre, du ciment, de l’eau et de cendres d’autre part pour les blocs non cuits. Ces constituants sont des produis locaux. La confection des blocs a été réalisée au sein du Laboratoire de Génie Mécanique et Energétique (GME) de l’EPAC et les essais au sein du Laboratoire de Génie Civil (GC), du Laboratoire d’Essais et de Recherches en Génie Civil (LERGC) et du Laboratoire de Caractérisation Thermophysique des Matériaux et d’Appropriation Energétique du Professeur Antoine VIANOU à l’école Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC).

Tous les essais ont été faits avec une température à l’étuve de 105°C, une température de cuisson de 1000°C et une cure de 7 à 28 jours voire 45 jours. Pour chaque type d’essai mécanique, le nombre d’éprouvettes est de trois (03). Deux (02) éprouvettes identiques sont utilisées par dosage en cendre pour les essais thermiques et chaque mesure est répétée trois (03) fois.

Dans ce programme expérimental, deux types de moules ont été utilisés.

Les éprouvettes de dimensions (5 × 3,5 × 3) cm³ sont utilisées pour les essais thermiques.

Les éprouvettes normalisées (NF P 18-400, NA2600) de dimensions (4 × 4 × 16) cm³ sont utilisées pour la détermination des résistances à la flexion 3 points.

Les éprouvettes cubiques (4x4x4 cm) obtenues des demi-blocs issus de la rupture en flexion trois (03) points sont utilisées pour la détermination des résistances en compression.

3. L’ELABORATION DES ECHANTILLONS

Le sol destiné à la confection des blocs en terre stabilisée et en argile cuite est séchée à l’air libre, pendant sept (7) jours environ. On le débarrasse des débris végétaux, racines, feuilles mortes, et de tout autre composant indésirable à l’aide d’un tamis d’ouverture de mailles de 2 mm (criblage). L’argile pulvérisée et les cendres collectée sont également tamisées à l’aide d’un tamis d’ouverture de mailles 2 mm. Pour une

masse totale de mélange

m

fixée ; le rapport terre de barre ciment ou terre de barre argile est maintenu constant mais le pourcentage de cendres varie et le dosage se fait comme suit :

-

Dosage blocs stabilisés : 90 % terre de barre + 10 % ciment +% variable de cendres ;

-

Dosage argile cuite : 80 % argile + 20 % terre de barre + % variable de cendres.

Les proportions utilisées 90 % terre de barre + 10 % ciment et 80 % argile + 20

% terre de barre sont déduites des travaux de recherches effectués dans [10] et [23].

Rappelons qu’au [5], il est dit que pour des constructions devant résister à l’eau de pluie, il faut monter le pourcentage de ciment à 10.

Un rapport pondéral argile/latérite constant égal à 4 (pour les blocs chauds) et un rapport latérite/ciment constant égal à 9 (pour les blocs froids) est donc adopté pour toutes les compositions. Puis il s’est agi de jouer sur la quantité de cendres introduite.

Quelques essais préliminaires ont effectivement montré que l’ouvrabilité du mortier est influencée par la quantité d’eau de gâchage. Le pourcentage de cendres est varié dans les deux cas ; c'est-à-dire à chaud et à froid.

Les Tableau 4 et Tableau 5 montrent les dosages pour la composition des différents mélanges ayant servi à la confection des échantillons de type "C" et "F".

Tableau 4 : Composition des blocs stabilisés par cuisson avec ajout de cendres ARGILE + TERRE DE BARRE + CENDRES

Masse totale du mélange 5000 g Volume d’eau 1125 ml

Masse d’argile (g) 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 Masse de terre de barre (g) 1000 900 800 700 600 500 400

Masse de cendres (g) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Désignation C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6

Tableau 5 : Composition des blocs stabilisés au ciment avec ajout de cendres

Pour les différentes mesures une balance de portée maximale 15 kg a été utilisée.

Nous avons également utilisé des récipients, une éprouvette graduée, des pinceaux, des truelles, un moule, de l’huile de coffrage, etc.

Nous avons tout d’abord procédé à l’optimisation de la teneur en eau. La quantité d’eau connue, on procède en un premier temps au malaxage sec de la terre, des cendres et du ciment ou de l’argile pour en former un ensemble bien homogène. L’homogénéité est appréciée par l’uniformité de couleur du mélange dans tout son volume.

On apporte l’eau de gâchage utile pour amener le mortier à la teneur en eau optimum déterminée puis on procède au malaxage humide jusqu’à obtenir l’homogénéité du mélange dans tout son volume. Le moule de la presse à brique est maintenant rempli avec le mortier frais. Après pression, on procède au démoulage immédiat libérant ainsi le bloc formé.

Les blocs F sont recouverts d’un sachet plastique de couleur noire pour la cure humide. Ils sont maintenus à l’abri du soleil et du vent dans une humidité relative élevée après leur fabrication jusqu’au moment où ils seront soumis aux différents essais prévus.

Pour éviter des problèmes de fissure et de retrait, les échantillons à chaud ont été séchés à l’abri du soleil à température ambiante. Les blocs C sont séchés à température ambiante durant 14 jours, puis cuits au four au Lycée Technique de "Kpondéhou" avant la réalisation des différents essais prévus.

La cuisson est un processus réellement complexe. Elle peut facilement durer une vingtaine d'heures en comptant le temps de refroidissement, égal au temps de cuisson.

TERRE DE BARRE + CIMENT + CENDRES Masse totale du mélange 10000 g

Volume d’eau 1085 ml

Masse de terre de barre (g) 9000 8100 7200 6300 5400 4500 3600

Masse de ciment (g) 1000 900 800 700 600 500 400

Masse de cendres (g) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Désignation F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6

Tout d’ abord, la brique crue perd sa faculté de devenir encore une masse plastique en présence d’eau ; elle devient un produit fini vers 1000°C par transformation chimique et minéralogique. Toute la cuisson du préchauffage au refroidissement, dure environ 48 heures ; le produit reste toutefois au maximum pendant 10 heures en plein feu. Le Tableau 6 suivant résume les plages de températures et les transformations qui surviennent lors de la cuisson.

Température Transformation

Jusqu’à 200°C Evacuation de l’eau absorbée De 200 à 450°C Décomposition des matières organiques De 400 à 550°C Départ de l’eau de constitution des argiles

De 800 à 950°C Dépendant de la nature des argiles, formation de nouvelles phases telles que spinelle, hématite, corindon.

Décomposition du carbonate de calcium

De 970 à 1300°C Fusion progressive des minéraux antérieurs et cristallisation de la mullite

Température >

750°C Cristallisation de nouveaux composés et densification définitive

Refroidissement Contractions thermiques plus ou moins régulières

Des difficultés ont été observées pour la cuisson des échantillons. Elles sont dues au manque de matériel de cuisson (four) à l’EPAC puis à la maitrise de la cinétique de cuisson adaptée au type d’argile utilisé. Plusieurs échantillons ont donc été réalisés pour les essais. De ce fait, le four électrique de marque Nabertherm du Lycée Technique de

"Kpondéhou" a été sollicité. Ce four est muni d’un programmateur C250 à deux paliers qui permet de définir la température désirée à atteindre en un temps précis.

Figure 14 : L’aspect du programmateur C250 du four Nabertherm de Kpondéhou^.

Tableau 7: Phases de transformation des blocs lors de la cuisson [10]

Ce programmateur est un régulateur thermique électronique possédant les caractéristiques suivantes :

-

Fusible de surchauffe

-

Fonction de relais supplémentaire

-

Commande du moteur de la ventilation

-

Temps d’attente

-

Neuf (09) programmes au total

-

Optimisation automatique

-

Compteur kW/h

-

Compteur d’heures de fonctionnement

-

Option d’interface RS 422.

Il dispose également d’une série de systèmes électroniques de sécurité. Si une erreur apparait, le four s’arrête automatiquement et un message d’erreur s’affiche à l’écran LC.

Avant de trouver la cinétique de cuisson adaptée ; plusieurs essais de cuisson ont été effectués en variant la cinétique puis nous avons finalement adoptée la cinétique utilisée par Largum M. en 2012 avec les blocs incorporant du polystyrène expansé. La cinétique de cuisson adoptée est conforme à la courbe de cuisson de la Figure 15. Sur cette figure, le programmateur ne donne que la possibilité de fixer deux températures : la température T1 correspondant aux time 1 et time 2 (1^er palier) et la température T2 correspondant aux time 3 et time 4 (2^è palier). Aux times 1 et 3 on a une montée en température et aux times 2 et 4 un maintien.

Des nombreuses difficultés rencontrées dans la confection des éprouvettes de dimensions (4 × 4 × 16) cm³, nous sommes parvenues à la réalisation d’une presse manuelle qui nous a finalement permis de confectionner nos différentes éprouvettes.

Dans ce chapitre, nous avons présenté l’étape la plus fastidieuse de cette étude ; celle de l’élaboration des blocs à caractériser. Elle requiert en un premier temps la préparation des matériaux, la mise au point de dispositifs appropriés pour la confection des blocs et une attention particulière pour le murissement ou la cuisson.

Dans ce chapitre, nous avons présenté l’étape la plus fastidieuse de cette étude ; celle de l’élaboration des blocs à caractériser. Elle requiert en un premier temps la préparation des matériaux, la mise au point de dispositifs appropriés pour la confection des blocs et une attention particulière pour le murissement ou la cuisson.

Dans le document CARACTERISATION DE LA TERRE DE BARRE STABILISEE AU CIMENT ET DE L’ARGILE CUITE AVEC INCORPORATION DE CENDRES DE BOIS EN VUE D’UNE UTILISATION EN CONSTRUCTION (Page 57-0)