Sachets plastiques (polyéthylène basse densité)

Chapitre 3 : CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DE LA POUTRE EN FORME DE

II. 1.5- Teneur en eau :

II.2- Sachets plastiques (polyéthylène basse densité)

Le sachet plastique étant un produit fini du polyéthylène basse densité sa masse volumique varie entre 0,910 g/cm³ et 0,925 g/cm³.

CONCEPTION ET REALISATION D’UNE POUTRE EN FORME DE I, AUX DIMENSIONS REELLES ET EN MATERIAUX COMPOSITES TRI-COUCHE BOIS PLASTIQUE / BOIS POLYSTYRENE

II.3- Polystyrène expansé recyclé

II.3.1- Détermination de la masse volumique

 Matériel utilisé Balance électronique

 Mode opératoire

Peser le polystyrène à l’aide de la balance électronique. Soit m Déterminer le volume V du polystyrène pesé,

La masse volumique est donc obtenue par la formule suivante :

ρ = m V

II.4- Le solvant :

Le solvant utilisé est l’essence.

II.4.1- Détermination de Sa masse volumique

 Principe

Le principe de la détermination de la masse volumique consiste à remplir un bocal avec de l’eau et à déterminer la masse du contenu. Connaissant la masse et le volume, nous pouvons alors déterminer la masse volumique.

 Matériel utilisé

 des bocaux ;

 une balance électronique.

 Méthodologie

 tarer un bocal de masse T ;

 remplir ce bocal d’eau à ras bord et peser l’ensemble. Soit Mbe cette masse ;

 vider le bocal de son contenu ;

 remplir ce bocal vidé par de la colle puis peser l’ensemble. SoitMbes_cette

masse ;

Le volume du bocal est :

b be

M - T V = ρ La masse Mes de l’essence est :

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es bes M = M - T

La masse volumique es de l’essence sera déterminée par l’expression : es

es b

ρ = M V

Tableau -XXX : les différentes masses volumiques des constituants

Constituants Masse volumique (g/cm³)

Sachets plastiques 0,910-0,925

Polystyrène expansé 0,015-0,023

Essence 0,698-0.731

II.5- Formulation des colles

II.5.1- Formulation de la colle pour le composite bois-sachet plastique

La colle est obtenue par la fonte du polyéthylène (basse densité) à une température élevée (près de 282,5°C). Après sa préparation, nous allons déterminer sa masse volumique et sa viscosité.

II.5.1.1- Préparation de la colle

La préparation consistera à faire fondre les sachets.

 Matériel utilisé

 sachets plastiques ;

 dispositif de fusion ;

 balance électronique.

 Mode opératoire

 Peser les sachets à une masse donnée ;

 Introduire cette quantité dans une marmite puis l’ensemble (marmite + sachets) est mis au feu jusqu’à la fonte complète de tous les sachets. La durée de cette opération varie selon l’intensité du feu et la quantité de sachets introduite.

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Figure 4-5 : dispositif de fonte des sachets plastiques du centre VALDERA/UAC

II.5.2- Formulation de la colle pour le composite bois-polystyrène

La colle est le produit de la dissolution du polystyrène expansé dans l’essence. Sa caractérisation fera suite à sa préparation.

II.5.2.1- Préparation de la colle

La colle est obtenue en fondant le polystyrène expansé dans le solvant (essence) dans de proportions bien définies. En effet, nous sommes partis des travaux de nos prédécesseurs (TOGBEDJI, 2008 & CHABI, 2012) qui ont utilisé le dosage (colle/sciure) D2=2. Ce dosage a été optimisé par (GBECHI, YOKOPI, WOROU, 2015) à D2= 1,4 et recorrigé par les travaux de (HOUESSOU, GBEMESSEHLAN, 2016) à D2= 1,5 comme étant le meilleur pour toutes les compositions granulaires du composite bois/polystyrène. C’est au regard de tous ces observations nous avons retenu le dosage

D =

m

^c2

=1,5

ms

II.5.3- Détermination de la masse volumique de la colle

 Principe

Le principe de la détermination de la masse volumique consiste à remplir un bocal dont on connaît le volume de l’eau et à déterminer la masse du contenu. Connaissant la masse et le volume, nous pouvons alors déterminer la masse volumique.

 Matériels utilisés

 des bocaux ;

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 une balance électronique.

 Méthodologie

 tarer un bocal de masse T ;

 remplir ce bocal d’eau à ras bord et peser l’ensemble. Soit Mbe cette masse ;

 vider le bocal de son contenu ;

 remplir ce bocal vidé par de la colle puis peser l’ensemble. Soit Mbc2 cette masse;

Le volume du bocal est :

b be

M - T V = ρ La masse MC2 de la colle est :

c2 bc2 M = M - T

La masse volumique ^c₂ de la colle sera déterminée par l’expression :

c2 b

ρ =M V

Tableau-XXXI : Masse volumique de la colle de polystyrène

Type de colle Masse volumique (g/cm³)

colle (essence-polystyrène) 0,929

II.6- Formulation des mélanges sciures-colle

II.6.1- Formulation du mélange du composite bois plastique II.6.1.1- Choix du dosage

Les études antérieures de (Jonathan GUIDIGO, 2012 & Marius CHANHOUN, 2013) ont montré que la masse volumique du composite bois sachet plastique est ^^composite=1.1g/cm3.

De même elles nous révèlent qu’en ce qui concerne le dosage, seulement à partir de D=2,5 qu’il y a une bonne cohésion entre les particules de sciure de bois. Enfin ces mêmes travaux ont révélé qu’avec le dosage D=3, le matériau composite offre de très bonnes caractéristiques mécaniques.

Ainsi nous conservons ce même dosage D=3 dans la formulation du mélange pour la réalisation du panneau bois plastique.

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II.6.1.2- Détermination des quantités des différents constituants pour la confection des plaques

Connaissant le poids spécifique des différents constituants du composite et le dosage, nous pouvons déterminer la masse nécessaire de chaque constituant pour avoir un volume donné du mélange.

La masse du composite est:

composite sciure colle1 talc

M = m + m + m

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II.6.2- Formulation du mélange sciure-colle (polystyrène expansé) II.6.2.1- Préparation de la colle

La préparation de la colle consiste à faire dissoudre le polystyrène dans l’essence ; c’est-à-dire mettre le polystyrène dans l’essence puis malaxer jusqu’à obtenir la colle dans la proportion :

m_essence m_polystyr_è_ne = K

D’après les travaux menés par nos prédécesseurs (CHABI, 2012) le rapport de la masse d’essence à celle de polystyrène est K=1,4. Ce rapport a été optimisé par (GBECHI, YOKOPI, WOROU, 2015) et ramené à K=1,2. Pour notre travail, nous avons utilisé K=1,22 qui est le résultat des études faites par (HOUESSOU, GBESSEMEHLAN, 2016) pour optimiser le temps de fusion. En effet, ils indiquent que lorsque le rapport est inférieur à 1,2, il y a manque d’essence pour pouvoir fondre le polystyrène et quand c’est supérieur à 1,2 il y a surplus d’essence mais la fusion est rapide.

II.6.2

2- Formulation du mélange sciure colle

Pour formuler le mélange sciure/polystyrène (colle), nous sommes partir des travaux de nos prédécesseurs (TOGBEDJI, 2008 & CHABI, 2012) qui ont utilisé le dosage (colle/sciure) D2=2. Ce dosage a été optimisé par (GBECHI, YOKOPI, WOROU, 2015) à D2= 1,4 et recorrigé par (HOUESSOU, GBESSEMEHLAN, 2016) à D2=1,5 comme étant le meilleur pour toutes les compositions granulaires du composite bois/polystyrène. C’est donc à l’issue de cette étude, que nous avons retenu le dosage

D =

m

^c2

=1,5

ms

II.7- Détermination des masses des différents constituants pour la confection des plaques

Connaissant le poids spécifique des différents constituants du composite et le dosage, nous pouvons déterminer la masse nécessaire de chaque constituant pour avoir un volume donné du mélange. Soit :

abs mél2 abs2 sciure abs colle2

V = V + V

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c2 

2 c2 2 s2

m = D m = D ×m m

Tableau –XXXII : récapitulatif des masses des constituants du mélange bois polystyrène expansé

Masse de sciure Masse polystyrène Masse d’essence

 

II.8- Fabrication des composites tri-couches

II.8.1- Fabrication des plaques bois-polystyrène expansé

On fabriquera des plaques par compactage à l’aide du dispositif de presse manuelle (Figure 4-6). Notre moule a les dimensions suivantes : longueur 2000 mm, largeur : 140 mm, hauteur : 45mm (Figure 4-7).

L’étude de la variation de l’épaisseur des mélanges en fonction de la force de pressage nous permettra de connaître le taux de compactage des différents mélanges granulaires. Par conséquent, en connaissant le taux de compactage d’une composition granulaire donnée, on peut déterminer la hauteur à laquelle il faut remplir le moule pour avoir l’épaisseur souhaitée avec un compactage maximal.

Ainsi cette hauteur sera déduite de la formule :

e : epaisseur - initial0

e : epaisseur -après -compactage T% : taux -de-compactage

En s’appropriant des résultats du taux de compactage obtenus par (HOUESSOU, GBESSEMEHLAN, 2016), nous avons rempli le moule jusqu’à une épaisseur initiale de e0 =33mm pour la classe granulaire 0,630 retenue et après compactage, nous avons obtenu une épaisseur finale de 20 mm comme attendu.

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II.8.2- Procédés de fabrication du composite bois plastique

Le composite bois plastique est obtenu par le mélange à chaud de la colle (sachets plastiques Figure 4-7 : Moule de préfabrication des plaques monocouche composites

Figure 4-9 : Composite bois polystyrène après compactage, démoulage, séchage et murissement (plaque mono couche)

Figure 4-8 : Moule de préfabrication à l’intérieur duquel est disposé le dispositif de compactage

Figure 4-6 : Masse métallique de 80kg servant de presse

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fondus) et des sciures de bois. Le procédé de formation des panneaux est divisé en plusieurs étapes :

 la fonte des sachets jusqu’à la température de 282,5^oC ;

 le refroidissement de la colle jusqu’à environ 170°C à 150^oC ;

 le mélange de la colle et de la sciure ;

 le moulage dans un moule métallique de dimensions : - Longueur = 2000 mm

- Largeur = 40 mm - Hauteur = 150 mm

 Démoulage au bout de 1h

Figure 4-10 : moule pour le bois plastique simple

II.8.3- Fabrication des composites tri-couches bois plastique-bois polystyrène-bois plastique

Ils existent deux méthodes de fabrication des tri-couches : assemblage par collage et moulage in situ.

Au cours de notre travail, nous avons utilisé la méthode fabrication par moulage in situ.

 Description de la méthode : moulage in situ

Les plaques en composites tri-couches sont constituées de deux peaux encore appelées semelles entre lesquelles se trouve la couche intermédiaire plus épaisse que celle des peaux appelée âme. Leur fabrication passe en principe par la réalisation des plaques monocouches (âme). Ainsi nous utilisons le mélange sciure de bois-sachet plastique fondu comme le matériau bois plastique et en même temps comme la colle devant assurer l’adhésion entre les interfaces des panneaux de bois polystyrène et bois sachet plastique.

A titre illustratif, pour le panneau en composite tri-couche (bois plastique-bois polystyrène-bois plastique), la procédure de fabrication est la suivante :

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 mettre la plaque en polystyrène préfabriquée au milieu dans le moule (Figure 4-10) de dimensions : Longueur L= 2000mm, largeur l = 40mm et de hauteur h = 150mm ;

 ensuite couler à chaud le mélange (sachet fondu +sciure de bois) de part et d’autre du panneau en polystyrène préfabriqué, dans le moule ;

 laisser refroidir le mélange dans le moule pendant environ 2h avant de démouler si non le matériau se déforme.

Figure 4-11 : Fabrication des plaques de type sandwich par moulage (in situ)

II.8.4- Usinage des composites tri-couches et réalisation de la poutre en I

Après démoulage nous avons obtenu des plaques sandwich de 2000mm de longueur, d’épaisseur 60mm et de hauteur 150mm. La hauteur et l’épaisseur de ses sandwichs sont volontairement surdimensionnées lors du collage. Pour ce faire, l’ensemble des plaques tri-couche devant servir à la réalisation de la poutre en I a été équarrie à la machine aux dimensions appropriées, résultats des calculs de dimensionnement, à savoir pour l’âme de la poutre I largeur : 120mm ; épaisseur 40mm et une longueur de 2000mm. Les semelles quant à elles ont pour dimensions : largeur = 140mm et épaisseur = 40mm et longueur = 2000mm. Après leur usinage, les différentes plaques sandwichs ont été assemblées au moyen de clous ou pointes de 7mm de diamètre. Ce qui donne le résultat présenté à la figure suivante.

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Figure 4-13 : Poutre en forme de I en matériau composite tri-couche bois plastique /bois polystyrène/bois plastique après usinage et assemblage

Figure 4-12 : Plaques tri-couche en cours d’usinage

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II.8.5- Caractérisation physique du composite bois/Polymères (tri-couche) II.8.5.1- Détermination de la masse volumique

 Définition et but

C’est le rapport de la masse du sandwich sur son volume. L’essai consiste à déterminer le poids par unité de volume des sandwichs.

 Principe

L’essai consiste à déterminer la masse des différents matériaux composites tri-couche confectionnés pour déterminer la masse volumique puisque le volume des sandwiches est connu.

 Matériel Balance électronique

 Méthodologie

 Démouler les sandwiches 1heure après leur confection ;

 Peser à l’aide d’une balance les sandwiches. Soit P leur poids ;

 Connaissant le volume V des sandwiches,

La masse volumique peut être obtenue par la formule suivante :

- Volume de la poutre I en matériau sandwich est : V = 0,0310 m³ - Poids de la poutre I en matériau sandwich est : P = 25,413kg La masse volumique de la poutre I est :

𝝆 =

^{𝟐𝟓,𝟒𝟏𝟑}

𝟎,𝟎𝟑𝟏𝟎 ;

II.9- Résultats et discussions

La réalisation des plaques composites bois polystyrène s’est déroulée relativement sans difficulté majeur, car à ce niveau il suffisait de préparer le mélange sciure de bois avec la colle de polystyrène, l’épandre dans le moule déjà assemblé et ensuite compacté le mélange.

La difficulté majeure qu’on a enregistrée est liée au compactage. Quand on fait références aux travaux de (GBECHI, YOKOPI, WOROU, 2015) et (HOUESSOU, GBESSEMEHLAN, 2016) le compactage des plaques été assuré aussi bien par une masse métallique de 20kg que par la presse universelle. Ceci a été possible parce que la dimension des plaques

P ρ =V

𝝆 = 𝟖𝟏𝟗, 𝟕𝟕𝟒𝒌𝒈/𝒎^𝟑

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fabriquées par ces derniers n’excédait pas 60cm, alors que celles réalisées dans le cadre de notre étude est 200cm. Notre moule de fabrication ne peut être disposé sous la presse universelle qui est disponible dans nos laboratoires. Il a été difficile pour nous d’apprécier le taux de compactage du matériau composite. Nous nous sommes limités à une appréciation visuelle du degré de compactage du matériau. Il s’agit de s’assurer que les vides présents dans le matériau sont pour la plus par fermés après le compactage manuel effectué à l’aide de la masse métallique de 80kg. Pour plus de précision, il apparait nécessaire que l’on conçoive un dispositif de presse pouvant accueillir des moules de grandes dimensions.

Pour ce qui concerne la réalisation des sandwichs, beaucoup de difficultés se sont présenté à nous. En utilisant le moule (figure 4-10) conçu pour ça, les résultats obtenus n’ont pas été satisfaisant car on constate que les plaques tri-couche obtenus après démoulage présentent des défauts. Il s’agit essentiellement soit d’un mauvais positionnement de la plaque bois polystyrène qui à tout point de vue est centré en surface mais excentré en profondeur malgré les dispositions prise pour la maintenir raide dans le moule au moment du coulage des peaux bois plastique. Cet état de chose se traduit par l’obtention de plaques tri-couche sur la face supérieure et bicouche sur sa face inferieure (figure 4-15.) Il y aussi le phénomène de non continuité de la matière bois plastique au beau milieu de la plaque (Figure 4-15.)

Figure 4-14 : Mélange du composite bois polystyrène introduit dans le moule et compacté par le dispositif de presse métallique

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Figure 4-15 : Différents défauts de fabrication des sandwichs

Figure 4-16 : sandwich de 2,00m obtenus après démoulage avec apparition d’importantes fissures transversales

Afin de porter des corrections à ces résultats, nous avons procédé à des analyses sur l’ensemble du processus de fabrication des plaques composites bois/plastique que nous avons effectué jusque-là. Aux sorties de ces analyses, il était apparu nécessaire de renforcer d’une part le dispositif de moulage avec la réalisation d’un portique de raidissement de la plaque composite CBPL (voir figure 4-17), d’améliorer les conditions de coulage du mélange sciure de bois et colle plastique à chaud avec la réalisation de deux récipients (voir figure 4-18) aux formes étudiées et adaptées au moule dans lequel ce mélange est coulé à chaud et pouvant aussi contenir une quantité suffisante du mélange permettant un coulage unique

b) : discontinuités de tri-couche matériau sciure plastique sur une face du sandwich

a) : Obtention de plaque bi-couche au

lieu de tri-couche

Apparition de fissures profondes dans les sandwichs

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sans faire des aller-retour. L’autre dernière innovation est le fait que nous nous soyons doté d’un thermomètre optique (voir figure 4-19) qui nous a permis de suivre de très près l’évolution de la température de fusion des déchets de sachet plastiques et aussi son niveau de refroidissement (160°c et 150°) avant d’y ajouter la sciure de bois d’ébène. C’est un outil essentiel qui nous a permis d’une part de garder la colle a chaud plastique visqueuse mais aussi d’éviter la carbonisation de la sciure bois, qui engendre plus tard les fissures enregistrées, étant donné la carbonisation de la sciure bois dans la colle à chaud dénature cette dernière.

Figure 4-17 : Moule pour le bois plastique avec son système de portique permettant de maintenir droit eu centre la plaque bois polystyrène avant coulage des semelles

Figure 4-18 : Récipients métalliques de

coulage à chaud des plaques CBPL Figure 4-19 : Thermomètre optique (laser)

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L’utilisation en ingénierie de tout matériau passe par la connaissance de façon rigoureuse de ses caractéristiques. Cette étude s’intègre dans une problématique générale de développement de matériaux de construction innovants à impacts environnemental réduit.

Elle s’inscrit dans le même registre que les études déjà faites de par le monde dans le cadre de la valorisation des déchets issus de l’industrie de transformation du bois et de la fabrication des plastiques.

Dans l’optique de concevoir un nouveau matériau léger, à base de la sciure du bois, du polystyrène et des sachets plastiques recyclés, nous avons adopté la technique du « moulage in situ ». En effet, elle consiste à fabriquer des plaques en composite bois polystyrène comme étant le cœur du matériau puis couler à chaud le mélange (sciure-sachet plastique) sur les deux interfaces de la plaque bois polystyrène.

Au travers des de la synthèse des travaux réalisés préalablement, Il s’est avéré que l’adhérence est parfaite entre les deux couches. D’autre part, l’influence de la température et de l’humidité sur les propriétés mécaniques des composites tri-couches notamment en flexion et en cisaillement inter-laminaire ont été évaluées. Les résultats issus de cette étude indiquent la nécessité d’utiliser ces matériaux pour de nombreuses applications telles que les mobiliers, les bois de coffrage, les étais, etc.

C’est au regard de ses résultats que nous avons entrepris de concevoir et de réaliser une poutre en I aux dimensions réelles pour servir de coffrage pour la préparation et coulage des dalles à nervures préfabriquées. Cette initiative n’a pas été de tout repos. De nombreuses difficultés ont surgi dans le cadre de ce travail. Il s’agit entre autre du manque notable d’équipement technique (extrudeuse pour fondre les sachets, malaxeur pour réaliser les différents mélanges, un dispositif de compression de grande taille….etc.) du délai qui nous est imparti pour réaliser ses travaux et pour finir les difficultés financières car la fabrication des dispositifs moules et des matériaux ont été totalement à notre charge.

Nous pensons que ce travail n’est sans doute pas une fin en soi et doit déboucher sur des

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