********
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
********
UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI (UAC)
********
ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI (EPAC)
********
DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL Option : Bâtiment et Travaux Publics
MEMOIRE DE FIN DE CYCLE
POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION THEME
Présenté par :
Jean-Philippe AKPINFA
Sous la direction de :
Ing. Gladys MILOHIN
Doctorante en Matériaux et Structures
Année universitaire : 2014 – 2015
CARACTERISATION MECANIQUE DE LA TERRE DE BARRE STABILISEE AU CIMENT ET DE L’ARGILE CUITE AVEC INCORPORATION DE
KAOLIN EN VUE D’UNE UTILISATION EN CONSTRUCTION
Pr. Victor S. GBAGUIDI, Maître de conférences des
Universités CAMES,
EPAC/Université d’Abomey-Calavi (Bénin)
Pr. Malahimi ANJORIN, Maître de conférences des
Universités CAMES,
EPAC/Université d’Abomey-Calavi (Bénin)
D
Je dédie ce travail à Dieu, Auteur de tout ce que l’on écrit.
Dieu qui n’a jamais cessé de nous combler de Ses bénédictions et sans qui rien ne serait possible. Merci pour tous Tes bienfaits.
Jean-Philippe AKPINFA
R
emerciements Je tiens à remercier mes maîtres de mémoire.Pr. Victor S. GBAGUIDI, Maître de conférences, mon maître de mémoire, pour avoir accepté encadrer ce travail et le conduire jusqu’au bout. Pour vos conseils, vos apports, vos analyses pertinentes et votre implication malgré vos multiples occupations, je vous dis : « Merci ! ».
Pr. Malahimi ANJORIN, Maître de conférences, mon co-maître de mémoire, pour la disponibilité, l’assistance et l’accompagnement, les sages conseils et l’oreille attentive à nous toujours prêtée, je vous dis : « Merci ! ».
La doctorante Gladys MILOHIN, pour votre disponibilité et vos conseils, je vous dis : « Merci ! ».
Je remercie ensuite tout le corps professoral du département de Génie Civil de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi, qui n’a ménagé aucun effort pour nous donner une bonne formation :
Pr. Félicien AVLESSI, Directeur de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi, Professeur titulaire des Universités ;
Pr. Clément BONOU, Directeur Adjoint de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi, Maître de Conférences des Universités ;
Dr. Gossou Jean HOUINOU, Maître Assistant des Universités, Chef du département de Génie Civil de l’EPAC ;
Pr. Edmond ADJOVI, Professeur titulaire des Universités ;
Pr. Gérard GBAGUIDI AÏSSE, Maître de Conférences des Universités, Directeur de VERECHAGUINE A. K.
Pr. Mohamed GIBIGAYE, Maître de Conférences des Universités ;
Pr. François de Paule CODO, Maître de Conférences des Universités ;
Dr. Ezéchiel ALLOBA, Maître Assistant des Universités ;
Dr. Mathias SAVY, Maître Assistant des Universités ;
Pr. Adolphe TCHEHOUALI, Maître de Conférences des Universités ;
Dr. Léopold DEGBEGNON, Maître Assistant des Universités ;
Dr. Agathe HOUINOU, Assistant des Universités ;
Dr. Codjo Luc ZINSOU, Maître Assistant des Universités ;
Dr. Taofic BACHAROU, Maître Assistant des Universités ;
Dr. Architecte Noël DIOGO, Enseignant à l’EPAC ;
Dr Crépin ZEVOUNOU, Maître Assistant des Universités, Directeur du LERGC ;
Dr CHAFFA Gédéon, Maître Assistant des Universités ;
Mr ZOHOUNGBOGBO Prosper, Ingénieur en Génie Civil ;
Mr SEWANOUDE Cosme, Enseignant de comptabilité ;
Mme Elena AHONONGA, Ingénieur en Génie Civil ;
Pr. Dominique SOHOUNHOULE, Professeur titulaire des Universités ;
Pr. Villevo ADANHOUME, Maître de Conférences des Universités ;
Dr. Valéry Kouandété DOKO, Assistant des Universités ;
Pr Emmanuel OLODO, Maître de Conférences des Universités
Tous les autres enseignants du secteur industriel de l’EPAC
Mes remerciements vont aussi à l’endroit de :
Constant ADISSIN, Ulrich SAGBOHAN, Romain ADOKPO, Enok SOSSA, Mounirou SALIFOU et à travers eux tous mes camarades de la 8ème promotion ;
Mes proches, mes amis, mes frères et sœur, Freddy et Eliane Akpinfa, Gildas Batcho, Fidèle et Antoine Allalè, Astrid Agboton et toute la famille AKPINFA ;
Les agents du LERGC, du Lycée Technique de KPONDEHOU, les manœuvres à divers niveau.
Enfin je veux remercier particulièrement :
Mon cher père André AKPINFA, pour votre soutien, les moyens mobilisés, votre encouragement, vous qui n’avez jamais cessé de me dire : « il faut travailler». Merci pour tout ce que vous faites pour moi. Que Dieu vous prête longue vie afin que je puisse vous rendre plus fier de moi.
Mon adorable mère da SILVA Auberte-Laurence, pour vos prières, votre soutien, votre compréhension, votre attachement, vous qui n’avez jamais cessé de me protéger. Puisse Dieu vous combler de sa grâce et vous accorder longue vie.
La liste n’est certainement pas exhaustive. De ce fait, j’exprime mes vifs remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, moralement et ou matériellement ont contribué de quelque façon que ce soit, à l’édification de ma personne et à l’aboutissement de ce mémoire.
Que Dieu vous bénisse
R
ESUMECe travail porte sur la valorisation des matériaux locaux tels que l’argile et la terre de barre en vue de leur utilisation dans les bâtiments. Il a pour objectif principal d’étudier l’influence du kaolin sur ces matériaux.
L’argile, la terre de barre et le kaolin ont été caractérisés et des blocs comprimés confectionnés pour l’étude de leurs caractéristiques mécaniques. Ces blocs ont été stabilisés soit au ciment (terre de barre) soit par cuisson (argile). Les blocs de terre stabilisés au ciment et les blocs en argile cuite ont été choisis comme matériaux de référence auxquels nous avons associé le kaolin à différents dosages (variant de 5 à 60%). Les blocs confectionnés ont été soumis aux essais mécaniques tels que la flexion trois points et la compression. L’étude des résistances mécaniques a permis d’observer l’effet nocif du dosage en kaolin sur les performances mécaniques des blocs de terre de barre stabilisée au ciment. En effet, les résistances mécaniques des blocs sans ajout de kaolin 4,8MPa en compression et 2MPa en flexion sont les maxima enregistrées. Le même comportement est observé au niveau des blocs d’argile cuite ; pour ces blocs quand bien même l’effet nocif observé, les résistances mécaniques obtenues sont toutes dans la plage de valeurs admises pour l’usage dans les bâtiments. Comparés aux blocs stabilisés au ciment, les blocs cuits sont donc les plus performants. Aussi, des études approfondies sont indispensables pour mieux cerner les matériaux composites objet de cette étude afin de statuer par rapport à leurs comportements.
Mots clés : matériaux locaux, bloc de terre comprimée, caractéristique, stabilisation, kaolin, influence.
A
BSTRACTThis work focuses on the development of local materials such as clay and earth bar for use in buildings. His main aim is to study the influence of kaolin on these materials. Clay, ground bar and kaolin were characterized and blocks made for studying their mechanical properties.
These blocks were stabilized either cement (bar land) by cooking (clay).
The earth blocks stabilized with cement and clay blocks were chosen as reference materials which we associate kaolin at different dosages (range 5 to 60). The made blocks were subjected to mechanical tests such as the three point bending and compression. The study of mechanical strength it possible to observe the adverse effect of the dosage on kaolin in the mechanical performance of bar blocks stabilized soil cement. Indeed, the mechanical strength of the blocks without adding kaolin 4,8MPa compressive and flexural 2MPa are recorded maxima. The same behavior is observed at the clay blocks; for these blocks even if the observed adverse effects, the resulting mechanical strength are all in the range of acceptable values for use in buildings.
Compared to cement stabilized blocks, baked blocks are therefore most effective. Also, further studies are needed to better understand the composites in this study in order to rule over their behavior.
Keywords : local materials, compressed earth block, characteristic, stabilization, kaolin, influence.
S
OMMAIREDEDICACES ... i
Remerciements ... ii
RESUME ... v
ABSTRACT ... vi
SOMMAIRE ... vii
LISTE DES TABLEAUX ... x
LISTE DES FIGURES ... xi
LISTE DES PHOTOS ... xii
LISTE DES GRAPHES ... xiii
LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS ... xiv
ANNEXES... xvi
INTRODUCTION ... 1
Première partie : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ... 4
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES MATERIAUX LOCAUX ... 5
1. Synthèse des travaux de recherche sur les matériaux locaux (argile et terre de barre) ... 5
2. Les matériaux composites ... 6
3. Présentation des matériaux locaux ... 9
4. Les modes de construction en terre ... 17
5. La stabilisation ... 22
Deuxième partie : APPROCHE METHODOLOGIQUE ... 25
Chapitre 2 : L’ELABORATION DES ECHANTILLONS ... 26
1. Les matériaux utilisés ... 26
2. Le programme expérimental ... 28
3. L’élaboration des échantillons ... 30
Chapitre 3 : LES ESSAIS REALISES ... 36
1. Détermination de la teneur en eau NF P 94-050 ... 36
2. Analyse granulométrique par tamisage NFP 94-056 ... 37
3. Analyse granulométrique par sédimentométrie NFP 94- 057 ... 39
4. Limites d’Atterberg NFP 94-051 ... 45
5. Flexion trois points NF P18-407 (NA 428) ... 50
6. Essai de compression ... 52
Troisième partie : RESULTATS ET DISCUSSION ... 53
Chapitre 4 : CARACTERISATION DES MATERIAUX ETUDIES ET INFLUENCE DU KAOLIN SUR CES MATERIAUX ... 54
1. Classification des matériaux ... 54
2. Influence de l’ajout de kaolin sur les caractéristiques mécaniques des blocs stabilisés au ciment ... 60
2.4 Synthèse des résultats sur blocs stabilisés au ciment ... 62
3. Influence de l’ajout de kaolin sur les caractéristiques
mécaniques des blocs stabilisés par cuisson ... 62
4. Comparaison des performances mécaniques des blocs stabilisés au ciment à ceux stabilisés par cuisson ... 65
5. Evolution de la teneur en eau en fonction de chaque matériau ... 67
CONCLUSION ... 69
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 71
ANNEXES... 76
TABLE DES MATIERES ... 89
L
ISTE DES TABLEAUXTableau 1 : principales différences entre matrices TP et TD [5]
... 8 Tableau 2 : composition des blocs stabilisés au ciment (essai mécanique) ... 31 Tableau 3 : composition des blocs stabilisés par cuisson (essai mécanique) ... 31 Tableau 4 : phases de transformation des blocs lors de la
cuisson [20] ... 33 Tableau 5 : détermination des limites d’ATTERBERG de la terre de barre ... 55 Tableau 6 : détermination des limites d’ATTERBERG de l’argile ... 57 Tableau 7 : détermination des limites d’ATTERBERG du kaolin ... 59
L
ISTE DES FIGURESFigure 1 : Schéma d’une plaquette de kaolinite [13] ... 14 Figure 2 : Structure de la kaolinite Si2Al2O5(OH)4 [13] ... 15 Figure 3 : Schéma des différentes techniques de construction en terre [17] ... 19 Figure 4 : Différents produits de blocs de terre comprimée [18]
... 21 Figure 5 : aspect du programmateur C250 du four
Nabertherm du Lycée Technique de Kpondéhou [20] ... 34 Figure 6 : courbe montrant les différentes phases de la cuisson [20] ... 35 Figure 7 : dispositif de rupture en flexion trois points [9] ... 51 Figure 8 : dispositif de rupture en compression [9] ... 52
L
ISTE DES PHOTOSPhoto 1 : terre de barre à Hêvié ... 26
Photo 2 : terre de barre mis en sac ... 26
Photo 3 : lieu de prélèvement ... 27
Photo 4 : séchage de l’argile ... 27
Photo 5 : écrasement de l’argile à l’aide de l’appareil los angeles ... 27
Photo 6 : le kaolin ... 27
Photo 7 : le broyeur ... 28
Photo 8 : le kaolin broyé ... 28
Photo 9 : presse utilisée pour la confection des éprouvettes (4 × 4 × 16) ... 30
Photo 10 : presse utilisée pour la détermination des résistances mécaniques ... 51
L
ISTE DES GRAPHESGraphe 1 : résistances en flexion trois points des blocs stabilisés au ciment avec ajout de kaolin ... 60 Graphe 2 : résistances en compression des blocs stabilisés au ciment avec ajout de kaolin ... 61 Graphe 3 : résistances en flexion trois points des blocs stabilisés par cuisson avec ajout de kaolin ... 63 Graphe 4 : résistances en compression des blocs stabilisés par cuisson avec ajout de kaolin ... 64 Graphe 5 : les résistances en flexion trois points des deux
matériaux... 65 Graphe 6 : les résistances en compression des deux matériaux ... 66 Graphe 7 : évolution de la teneur en eau en fonction du dosage sur les blocs stabilisés au ciment ... 67 Graphe 8 : évolution de la teneur en eau en fonction du dosage sur les blocs stabilisés par cuisson ... 68
L
ISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS UAC : Université d’Abomey-CalaviEPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi
LERGC : Laboratoire d’Essai et Recherche en Génie Civil LCPC : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
SETRA : Service d’Etudes sur les Transports, les Routes et leurs Aménagements
SI : Système International
BTC : Bloc de Terre Comprimé BTS : Bloc de Terre Stabilisé
SCB : Société des Ciments du Bénin NOCIBE : Nouvelle Cimenterie du Bénin UD : Unidirectionnels
TP : Thermoplastique TD : Thermodurcissable
CPJ : Ciment Portland Composé CO2 : Dioxyde de carbone
MPa : Méga Pascal
kWh : kilowatt-heure W : watt
J : Joule
kN : kilo Newton K : Kelvin
FK : bloc stabilisé à froid (ou au ciment) avec pour ajout le kaolin
CK : bloc stabilisé à chaud (ou par cuisson) avec pour ajout le kaolin
TB : Terre de Barre µm : micromètre mm : millimètre
A
NNEXESAnnexe 1 : résultats de l’analyse granulométrique par tamisage sur la terre de barre ... 77 Annexe 2 : courbe de l’analyse granulométrique par tamisage sur la terre de barre ... 78 Annexe 3 : résultats de l’analyse granulométrique par
sédimentométrie sur la terre de barre ... 79 Annexe 4 : courbe de l’analyse granulométrique par
sédimentométrie sur la terre de barre ... 80 Annexe 5 : résultats de l’analyse granulométrique par
sédimentométrie sur l’argile ... 81 Annexe 6 : courbe de l’analyse granulométrique par
sédimentométrie sur l’argile ... 82 Annexe 7 : résultats de l’analyse granulométrique par tamisage sur le kaolin... 83 Annexe 8 : courbe de l’analyse granulométrique par tamisage sur le kaolin... 84 Annexe 9 : résultats de l’analyse granulométrique par
sédimentométrie sur le kaolin ... 85 Annexe 10 : courbe de l’analyse granulométrique par
sédimentométrie sur le kaolin ... 86 Annexe 11 : photos des blocs stabilisés au ciment ... 87 Annexe 12 : photos des blocs stabilisés par cuisson ... 88
[1]
INTRODUCTION
Les infrastructures que possède un pays contribuent grandement à son développement. Ces infrastructures sont diverses. Ainsi, nous avons les routes, les ponts, les bâtiments, etc. Or, de nos jours, les matériaux utilisés pour la construction des bâtiments produisent beaucoup de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre responsables du réchauffement planétaire. Il représente 77% des émissions de gaz à effet de serre d’origine humaine [1]. La production en grande quantité de dioxyde de carbone a beaucoup d’impact sur la planète, comme la destruction de la couche d’ozone et implicitement le réchauffement climatique avec les séries d’inondations constatées dans le monde. Le réchauffement du système climatique est aujourd’hui sans équivoque. La température mondiale a augmenté de 0,8°C en moyenne par année depuis 1870 et la dernière décennie a été la plus chaude jamais enregistrée [1]. Cette augmentation globale de température modifie le climat mondial et de nombreux changements ont été observés au cours du XXe siècle. Ainsi, nous avons une augmentation des précipitations à l’est du continent américain, au nord de l’Europe et en Asie du nord et centrale et une augmentation des évènements de fortes précipitations sur la planète. Il y a aussi des sécheresses plus intenses et plus longues, particulièrement dans les régions tropicales et subtropicales, dans le Sahel, en Méditerranée, en Afrique australe et en Asie du sud [1].
Dans de nombreux pays, la courbe de consommation d’énergie ne cesse d’augmenter [2]. La part importante consommée pour le chauffage ou la climatisation a amené des chercheurs à se pencher sur le problème des échanges de chaleur entre les locaux et l’environnement.
Ce problème dépend de plusieurs paramètres parmi lesquels la nature des matériaux servant à la construction [2]. Prenons le cas du béton hydraulique, obtenu à partir du ciment, d’eau et de granulats, qui ne possède pas non plus de bonnes capacités d’isolation thermique puisque sa conductivité thermique est d’environ 1,7 (W.m-1.K-1) pour une
[2]
masse volumique de 2400 kg/m3 [3]. De plus la fabrication d’un mètre cube de béton nécessite 400 à 800kWh [4] alors que la terre stabilisée par exemple ne requiert que 5 à 10kWh par mètre cube [4].
Contrairement au ciment, au béton ou à l’acier, la terre à l’état naturel peut être utilisée comme matériau de construction pratiquement sans dépense d’énergie [2]. De plus, la terre est disponible localement et à moindre coût et il existe plusieurs modes de construction en terre.
C’est dans ce contexte que nous sommes amenés à nous orienter vers d’autres matériaux pour la construction des bâtiments. Nous avons donc pensé à l’élaboration de matériaux composites à partir du kaolin et de la terre de barre d’une part et de l’argile d’autre part. Un matériau composite est un matériau au sein duquel sont associés des matériaux élémentaires aux caractéristiques complémentaires, en vue de lui conférer, à l’échelle macroscopique et au moins dans certaines directions, un ensemble original de propriétés que les constituants pris isolement ne permettent pas d’atteindre. Ces matériaux composites ont souvent d’excellentes propriétés. Ainsi, quelles sont les caractéristiques de ces matériaux composites que nous proposons ? Est-ce que ces composites pourront être utilisés en construction ?
[3]
Objectif général
Etudier le comportement de la terre de barre stabilisée et de l’argile cuite sous l’influence du kaolin.
Objectifs spécifiques
Caractériser les matériaux de base : argile et terre de barre et le matériau d’ajout (le kaolin) ;
Evaluer les caractéristiques mécaniques des matériaux sous l’influence du kaolin ;
Déduire l’influence du kaolin sur les matériaux de base.
Première partie : SYNTHESE
BIBLIOGRAPHIQUE
C
hapitre 1 : GENERALITES SUR LES MATERIAUX LOCAUX La construction en terre développe aujourd’hui des techniques de production dont le registre admet tout autant le procédé le plus rudimentaire, manuel, artisanal, que le procédé le plus sophistiqué, mécanisé. Dans la partie haute de ce registre, qui a fait l’objet d’une recherche scientifique sans précédent, la production de matériaux en terre n’a plus rien à envier à celle d’autres matériaux de construction actuels, parmi les plus élaborés. Cette tendance à l’industrialisation s’est affirmée il y a environ 25 ans pour la production des blocs de terre comprimée. Dans cette partie, nous nous proposons de présenter les principales techniques de construction en terre parmi lesquelles le bloc de terre comprimée ; ainsi que les matériaux locaux que nous avons utilisés après avoir fait une synthèse des travaux de recherche sur ces matériaux.1. Synthèse des travaux de recherche sur les matériaux locaux (argile et terre de barre)
Au vu des travaux antérieurs, nous pouvons retenir que :
ADAGBE Mariette T. (2014) a travaillé sur la caractérisation physique, mécanique et thermique du matériau banco de grenier en vue de son utilisation dans les blocs de construction.
Il ressort de cette étude que le banco résiste plus en compression qu’en traction par flexion.
La terre de barre est un matériau existant en abondance et est aussi utilisée dans les constructions en milieu rural. Cette étude montre que le fait d’y ajouter de tiges de riz améliore considérablement ses propriétés mécaniques. Pour les résistances mécaniques, la plus grande valeur enregistrée en traction par flexion est de 2,188MPa et en compression de 4,948MPa.
MILOHIN Gladys (2014), a étudié les caractéristiques mécaniques et thermiques de la terre de barre stabilisée au ciment et de l’argile cuite avec incorporation de cendres de bois en vue d’une utilisation en construction.
Pour la terre de barre stabilisée au ciment avec ajout de cendres, les résistances maximales en traction par flexion et en compression sont obtenues pour un ajout en cendres de 20%. Elles sont de 2,6MPa en flexion et de 5,8MPa en compression.
Pour l’argile stabilisée par cuisson avec ajout de cendres, les résistances les plus élevées en traction par flexion sont obtenues pour un ajout en cendres de 0% et les résistances les plus élevées en compression à 20% d’ajout. Elles sont de 6,6MPa en flexion et de 9,2MPa en compression.
Les deux matériaux peuvent donc être utilisés pour les éléments de construction sollicités en compression ; à noter que l’argile stabilisée avec ajout de cendres offre un meilleur intérêt.
MADOUGOU Largum (2012) a étudié la caractérisation des blocs de terre stabilisée au ciment et des blocs d’argiles cuites avec incorporation de polystyrène expansé en vue de leur utilisation dans les bâtiments.
Son étude a montré que, en flexion trois points comme en compression, la tendance est la même. Les résistances mécaniques des blocs diminuent avec la teneur en polystyrène expansé car les granulats de polystyrène expansé créent des zones de faiblesse à l’intérieur des blocs et réduisent l’aire de la section résistante des éprouvettes. Par contre les blocs d’argile stabilisés par cuisson offrent de meilleures résistances mécaniques par rapport aux blocs stabilisés au ciment. Ceci est dû au polystyrène qui, malgré le fait qu’il réduise les résistances mécaniques, améliore la qualité de la cuisson.
2. Les matériaux composites
Un matériau composite peut être défini d'une manière générale comme l'assemblage de deux ou plusieurs matériaux, l'assemblage final
ayant des propriétés supérieures aux propriétés de chacun des matériaux constitutifs. On appelle maintenant de façon courante
"matériaux composites" des arrangements de fibres, les renforts qui sont noyés dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. La matrice assure la cohésion et l'orientation des fibres, elle permet également de transmettre les sollicitations auxquelles sont soumises les pièces. Les matériaux ainsi obtenus sont très hétérogènes et anisotropes [5].
2.1 Les renforts
Les renforts sont sous forme de fibres. Ils contribuent uniquement à améliorer la résistance mécanique et la rigidité de la pièce dans laquelle ils sont incorporés [5].
2.1.1 Les différents types de renfort
- la fibre de verre
- la fibre de carbone
- la fibre d’aramide
- la fibre de bore
- la fibre de silice (ou de quartz)
- la fibre de polyéthylène de haut module [5].
2.1.2. Architecture des renforts
Les structures composites sont anisotropes. La plupart des renforts travaillent bien en traction, mais offrent de moins bonnes performances en compression et cisaillement. Il est donc impératif de jouer sur la texture et la géométrie des renforts pour créer une architecture adaptée.
Il existe différentes géométries et textures de renforts : les unidirectionnels (UD) et les tissus [5].
2.2 Les matrices
La matrice a pour rôle de lier les fibres renforts, répartir les contraintes encaissées, apporter la tenue chimique de la structure et
donner la forme désirée au produit. On utilise actuellement surtout des résines thermodurcissables (TD) que l'on associe à des fibres longues, mais l'emploi de polymères thermoplastiques (TP) renforcés de fibres courtes se développe fortement.
Il est important de bien situer les différences fondamentales de ces deux types de matrices [5].
- La structure des TP se présente sous forme de chaînes linéaires, il faut les chauffer pour les mettre en forme (les chaînes se plient alors), et les refroidir pour les fixer (les chaînes se bloquent). Cette opération est réversible.
- La structure des TD a la forme d'un réseau tridimensionnel qui se ponte (double liaison de polymérisation) pour durcir en forme de façon définitive, lors d'un échauffement. La transformation est donc irréversible.
Tableau 1 : principales différences entre matrices TP et TD [5]
Matrices Thermoplastiques TP Thermodurcissables TD Etat de base Solide, prêt à l’emploi Liquide visqueux à
polymériser
Stockage Illimité Réduit
Mouillabilité renforts Difficile Aisée
Moulage Chauffage +
refroidissement Chauffage continu
Cycle Court Long
Tenue au choc Assez bonne Limitée
Tenue thermique Réduite Bonne
Chutes et déchets Recyclables Perdus ou recyclés en charges
Conditions de travail Propreté Emanation pour
‘méthode humide’
3. Présentation des matériaux locaux 3.1 La terre de barre
Ils sont issus d'une altération poussée du Continental Terminal. Ils sont sablo-limoneux en surface et argilo-sableux en profondeur. Ces sols sont ferralitiques rouges profonds et perméables. Leur fertilité est essentiellement due à leur teneur en matière organique [6].
3.1.1. Définition
Les sols ferralitiques désaturés du Sud-Bénin, appelés terres de barre (barro = argile sableuse à l’état humide en portugais), occupent la quasi-totalité des terrains exondés bien drainés de cette partie du pays.
Ils représentent 7 % de la superficie du pays mais concentrent le tiers de la population [6].
Le profil moyen est caractérisé par les horizons suivants :
- un horizon humifère (0-10 cm), brun-rougeâtre, sablo-limoneux, très perméable, avec une structure particulaire à grumeleuse contenant de nombreuses racines fines et moyennes ; transition distincte et régulière ; - un horizon moins humifère (10-20 cm), rouge-brun, limono-sableux à limono-argilo-sableux, bien perméable ; structure polyédrique subangulaire fine comportant d’assez nombreuses racines fines et moyennes ; transition distincte et régulière ;
- un horizon (20-60 cm), rouge, argilo-sableux, perméable, bien structuré en polyèdres fins à moyens avec d’assez nombreuses racines ; l’activité biologique est intense dans tout le profil et les racines vont à plus d’un mètre de profondeur [6].
3.1.2. Composition de la terre de barre
La terre de barre du sud Bénin décrite par WILLAIME et VOLKOFF en 1966 présentait les caractéristiques physiques et chimiques suivantes : 15,3% d'argile ; 5,4% de limon ; 77,5% de sable et 0,05% d'azote total ; la teneur en matière organique était de 2,64% ; la somme totale des bases échangeables de 2,44meq/100g et la capacité d'échange cationique de 4,4meq/100g [6].
Cette même terre prélevée et analysée 10 ans après (1976) par TRAN VlNH AN a donné les résultats suivants :
19,2% d'argile ; 4,7% de limon ; 1,3% de matière organique et 0,04%
d'azote ; le pH eau était de 5,40 ; la somme des bases échangeables était tombée à 1,5meq/100g et la capacité d'échange à 4,01meq/100g [6].
Ces analyses reprises en 1989 à travers d'autres prélèvements d'échantillon ont donné les résultats ci-après:
21,3% d'argile ; 4,4% de limon, 75,3% de sable ; 0,83% de matière organique ; 0,04 d'azote ; le pH était devenu 4,8 ; la somme des bases 1,3meq/100g et la capacité d'échange cationique 3,5meq/100g [6].
3.2 L’argile
Les argiles constituent la partie altérée des roches qui affleurent à la surface de l’écorce terrestre. Elles se forment le plus souvent par l’altération des minéraux de roches sous l’action des eaux, soit de surface, soit hydrothermales. Dans les deux cas, il y a un lien étroit entre la présence de l’argile et de l’eau. Les modes de formation des argiles sont souvent complexes et perturbés dans les phénomènes géologiques naturels; elles sont en conséquence toujours accompagnées d'impuretés. L'argile, en tant que roche, est constituée par des substances diverses sous formes de particules de très petite taille telles que : les carbonates, la silice, l'alumine, les sulfures, l'oxyde et l'hydroxyde de fer, l'oxyde de manganèse, la matière organique [7]. Elle est utilisée anciennement dans les constructions et est présente au Bénin sur l’ensemble du territoire national.
3.2.1. Définition de l’argile
Historiquement, en géologie et science du sol, le terme argile correspond à l’ensemble des minéraux présentant une taille inférieure à 2 µm dans une roche. Cette coupure granulométrique est héritée des études pétrographiques effectuées par microscopie optique à la fin du XIXe siècle. Les cristaux présentant alors une taille inférieure à 2 µm n'étaient pas reconnaissables et classés sous l’appellation argile.
Aujourd'hui, l’appellation argile diffère en fonction des domaines d'étude.
Ainsi, en géotechnique, où l’on s’intéresse avant tout au comportement
mécanique des sols, on désigne par argile les matériaux de granulométrie inférieure à 4 µm (entre 4 et 50 µm, on parle de limon).
En science des argiles, l'argile ne correspond pas à une coupure granulométrique, mais à des minéraux. Le terme est alors utilisé pour décrire les phyllo silicates et plus particulièrement les minéraux argileux.
3.2.2. Les différents types d’argile 3.2.2.1 La kaolinite
Le feuillet de la kaolinite est toujours neutre, dioctaédrique et alumineux, de composition (Si2)(Al2)O5(OH)4 par demi-maille.
Morphologiquement, la kaolinite se présente sous forme de particules hexagonales constituées par des empilements de feuillets. Les liaisons entre les feuillets sont très fortes et empêchent l’hydratation et l’eau ne peut accéder qu’à la surface externe de ce type d’argile.
La faible capacité d’échange des kaolinites est due à des sites de surface amphotères [8].
3.2.2.2 L’illite
L’illite appartient à la famille des phyllo silicates 2:1. Les feuillets possèdent une charge globale négative, plus élevée que celle des smectites, qui est compensée par des ions potassium. La différence fondamentale avec les smectites réside dans le fait que les ions compensateurs (potassium) ne sont que très faiblement échangeables:
l’illite a une capacité d’échange cationique faible. Il n’y a pas d’hydratation des espaces inter foliaires [8].
3.2.2.3 Les chlorites
Les chlorites appartiennent à la famille des phyllo silicates 2 :1 :1.
Leur structure se compose d’un feuillet 2:1 entre lequel s’insère un feuillet de brucite. Les chlorites peuvent être présentes en quantité non négligeable dans la fraction fine de sols peu évolués [8].
3.2.2.4 Les smectites
Les smectites sont des phyllo silicates constituées des deux couches tétraédriques encadrant une couche octaédrique (phyllo silicates 2:1). Les minéraux les plus importants de cette famille sont la montmorillonite, la beidellite, l’hectorite et la saponite. La charge élevée des feuillets est due pour l’essentiel à des substitutions isomorphiques.
Cette charge est donc permanente, négative et dépendante du pH. Des cations compensateurs se placent dans l’espace interfoliaire pour combler le déficit de charge. Ces argiles ont une capacité d’échange cationique élevée. Des molécules d’eau sont susceptibles de s’intercaler dans l’espace interfoliaire. Cette possibilité de gonflement des espaces interfoliaires conduit à désigner ces argiles par le terme d’argiles gonflantes. D’un point de vue textural, les smectites sont généralement constituées de feuillets de grande extension latérale, associés, les uns aux autres en nombres variables. Le degré d’hydratation dépend de la nature du cation hydraté et de l’humidité relative ambiante [8].
3.2.2.5 Les vermiculites
Les vermiculites appartiennent à la famille des phyllosilicates 2:1.
Elles sont majoritairement tri octaédriques. Elles constituent une famille proche de celle des smectites, mais les feuillets sont caractérisés par un déficit de charge plus important. Le déficit de charge est essentiellement dû aux substitutions tétraédriques et la compensation est assurée dans l’espace interfoliaire par des cations (Mg2+ principalement) et des couches d’eau [8].
3.2.2.6 Les autres types d’argile
En dehors de ces types d’argiles, il existe d’autres types d’argiles parmi lesquelles :
- Les interstratifiés formés par l’intercalage régulier ou non des feuillets des smectites avec d’autres feuillets argileux, souvent illitiques [9].
- L’attapulgite : minéral argileux qui n’a pas une structure en feuillets ; elle est constituée d’une chaîne de silicates et par conséquent, elle a la forme d’une aiguille ou d’une tige [9].
- L’allophane : c’est un silicate d’aluminium, cependant on la classe souvent comme minéral argileux. Elle est cependant amorphe, c’est-à- dire qu’elle n’a pas de structure cristalline régulière [9].
Les argiles d’utilisation industrielle sont en grande partie à base de montmorillonites de gisement. Lorsque la teneur en montmorillonite dépasse 65% ces argiles sont appelées des bentonites caractérisées par une capacité de gonflement très importante [9].
3.3. Le kaolin
La kaolinite est un minéral appartenant au groupe des aluminosilicates. Cette argile dite de Chine, doit son nom à l'endroit de sa première découverte à Kao-Lin, en Chine. Le terme kaolin regroupe des minéraux argileux relativement communs, dominés par la kaolinite et dérivés essentiellement de l'altération du feldspath alcalin et des micas [10].
3.3.1 Définition
Le kaolin est une argile blanche, douce et plastique composée principalement de fines particules sous forme de plaquettes. Le kaolin est le résultat de l'altération des aluminosilicates anhydres que l'on retrouve dans les roches riches en feldspaths, comme le granite, sous l'action de la météorisation et de processus hydrothermaux. Le processus de conversion du granite dur en une matrice tendre que l'on trouve dans les gisements de kaolin s'appelle la "kaolinisation". Le quartz et le mica du granite ne changent pratiquement pas tandis que le feldspath se transforme en kaolinite [10].
Le raffinage et le traitement de la fraction fine du granite kaolinisé fournit de la kaolinite avec une faible quantité de mica, du feldspath, des traces de quartz et, en fonction de l'origine, des substances organiques et/ou des minéraux lourds [10].
Les kaolins se présentent sous différents aspects qui influencent leur utilisation finale. Le degré de cristallinité influence leur luminosité, leur blancheur, leur opacité, leur brillance, leur résistance en film mince et leur viscosité, ce qui détermine leur intérêt commercial. Le kaolin est également non abrasif et possède une faible conductibilité thermique et électrique [10].
Les argiles kaolinitiques présentent une perte au feu élevée due, d’une part, à l’élimination de l’eau de constitution, mais aussi à la décomposition de minéraux associés tels que les carbonates et à la combustion de matières organiques. C’est un minéral qui peut être considéré comme réfractaire, sa température de fusion étant d’environ 1800°C. Sa couleur naturelle est blanche mais les impuretés contenues (oxyde de fer et de titane) peuvent donner aux produits céramiques obtenus après cuisson une couleur allant du jaune au rouge orangé [11].
Les réserves de kaolin existent à Kétou (1 milliard de m3 de kaolin pollué par les oxydes de fer) et à Adakplamè (1 million de m3 de kaolin blanc) [12].
3.3.2 Morphologie
La morphologie des cristaux de kaolinite est généralement assez régulière. Ces cristaux se présentent sous la forme de plaquettes hexagonales, souvent allongées et parfois réduites à des losanges, dont le diamètre du cercle adjacent est de l’ordre du micromètre et l’épaisseur de quelques centaines d’Angströms [13].
Figure 1 : Schéma d’une plaquette de kaolinite [13]
3.3.3 Structure
Les kaolinites (éléments purs du kaolin) sont des minéraux argileux (silicates lamellaires microcristallisés) constitués par l’empilement de feuillets identiques de type 1:1, de formule structurale : Si2Al2O5(OH)4. Chaque feuillet de kaolinite est constitué d’une couche de tétraèdres SiO4 reliés dans un même plan par trois de leurs sommets, associée à une couche octaédrique, deux sites octaédriques sur trois étant occupés par des atomes d’aluminium : la kaolinite est un phyllosilicate
dioctaédrique. La kaolinite est un minéral à 7Å formé de l’empilement d’une couche de cations tétraédriques et d’une couche de cations octaédriques [13].
Figure 2 : Structure de la kaolinite Si2Al2O5(OH)4 [13]
3.3.4 Composition chimique
La composition chimique d’une kaolinite correspondant à la formule structurale théorique 2[Si2Al2O5(OH)4] est la suivante :
SiO2 ≈ 46,5%
Al2O3 ≈ 39,5%
H2O ≈ 14%
Les kaolinites naturelles ont une composition chimique généralement constante, cependant, il existe des kaolinites présentant quelques substitutions isomorphiques. On trouve ainsi des kaolinites contenant du fer structural en position octaédrique. La proportion de fer reste faible (Fe2O3 inférieur à 2%) au sein des kaolinites naturelles [13].
3.4. Le ciment 3.4.1 Définition
Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire qu’il fait prise en présence d’eau. Le ciment forme un bon tandem avec les sables. Lors de son hydratation avec l’eau contenue dans le sol, le ciment se
transforme en cristaux stables dans le temps et résistants à l’eau. Ces cristaux créent des liaisons entre les grains du sol. Cette réaction est effective dans la mesure où les grains de ciment trouvent suffisamment d’eau pour s’hydrater [14]. Il permet la transformation d'un mélange sans cohésion en un corps solide [9].
3.4.2. Composition et caractéristiques du ciment
Le ciment est caractérisé par sa composition chimique et par ses caractéristiques physiques (la forme et la finesse des grains). Les grains de ciment sont hétérogènes et polyphasés. Au contact de l'eau ils donnent naissance à des produits dont la composition chimique est variable. Il est principalement composé de clinker, de sulfate de calcium, et d’ajouts éventuels [9].
3.4.3. Principaux types de ciment
Les ciments courants sont subdivisés en cinq types selon la nature et la proportion de leurs constituants, définis dans la norme Européenne EN 197- 1:
- Le ciment portland (CEM I) ;
- Le ciment portland composé (CEM II /A ou B) ; - Le ciment de haut fourneau (CEM III)
- Le ciment pouzzolanique (CEM IV) ;
- Le ciment au laitier et aux cendres (CEM V/A ou B). [15]
Les différentes sociétés installées au Bénin : CIMBENIN, Société des Ciments du Bénin (SCB), SCB Lafarge, Nouvelle Cimenterie du Bénin (NOCIBE) mettent à la disposition des consommateurs le ciment CPJ 35 (Ciment Portland Composé) qui contient au moins 65% de clinker. Il est conçu pour les principaux besoins de maçonnerie courante : parpaings, enduits, mortiers ; béton de propreté, de fondations, chapes, dallages [9].
3.5. L’eau de gâchage
De façon générale, l’eau de gâchage doit avoir les propriétés de l’eau potable. Il est exclu d’employer de l’eau de mer, qui contient
environ 30 g/l de chlorure de sodium, pour la fabrication des éléments de construction [15].
4. Les modes de construction en terre
A travers le patrimoine mondial des traditions de la construction en terre, on dénombre de très nombreuses techniques de construction avec une infinité de variantes adaptées à la qualité de la terre et au degré d’élaboration du savoir-faire, traduisant l’identité des lieux et des cultures. On recense principalement douze modes d’utilisation de la terre en construction [16]. Parmi ceux-ci, six sont couramment employés et constituent les genres techniques majeurs :
- l’adobe ou brique moulée ;
- la bauge ou terre empilée et façonnée ; - le pisé ou terre damée dans des coffrages
- le torchis ou terre de remplissage d’un treillis en bois ;
- la terre-paille qui est banchée en remplissage d’une structure à poteaux ;
- le bloc de terre comprimé [16]
4.1. L’adobe
La brique séchée au soleil est plus communément connue sous le nom d’adobe. Les briques d’adobe sont moulées à partir d’une terre malléable souvent ajoutée de paille. A l’origine, ces briques étaient formées à la main. Plus tard (et encore aujourd’hui), elles seront fabriquées manuellement à l’aide de moules à formes prismatiques variées en bois ou en métal. Actuellement, on emploie également des machines [17].
4.2. La bauge
Ce procédé consiste à empiler des boules de terre les unes sur les autres et à les tasser légèrement à l’aide des mains ou des pieds jusqu’à confectionner des murs monolithiques. Habituellement, la terre est amendée de fibres de natures diverses [17].
4.3. Le pisé
La terre est comprimée en masse avec un pilon dans des banches, couche par couche, et banchée par banchée. Traditionnellement, ces outils sont en bois [17].
4.4. Le torchis
Une structure en colombages et claies de bois est hourdée avec une ou plusieurs couches de terre. Cette terre argileuse, amendée de paille ou d’autres fibres, constitue les parois de la bâtisse [17].
4.5. La terre-paille
Pour cette technique, la terre utilisée doit avoir une bonne cohésion. Elle est dispersée dans de l’eau jusqu’à l’obtention d’une barbotine homogène, que l’on verse sur de la paille, jusqu’à enrober chaque brin. Au séchage, on obtient un matériau dont la texture est essentiellement celle de la paille [17].
4.6. Le bloc de terre comprimé 4.6.1 Définition
La terre est comprimée sous forme de bloc dans un moule.
Auparavant, la terre était compactée dans un moule à l’aide d’un petit pilon, ou en rabattant avec force un couvercle très lourd dans le moule.
Aujourd’hui, on utilise des presses dont il existe une grande variété [16].
Le bloc de terre comprimée peut éventuellement être stabilisé. Dans ce cas, on parle de « bloc de terre comprimée stabilisée ». Stabiliser la terre, c’est modifier les propriétés d’un système terre-eau-air pour obtenir des propriétés permanentes compatibles avec une application particulière [16]. Pour stabiliser les blocs de terre comprimées, on ajoute à la terre un stabilisant, qui dans la plupart des cas, est un liant classique tel que le ciment ou la chaux. Le pourcentage en poids de ces liants varie de 3 à 19%, avec une moyenne de 6 à 8% [16]
Figure 3 : Schéma des différentes techniques de construction en terre [17]
4.6.2 Diversités des produits de blocs de terre comprimée
Aujourd’hui, le marché accueille une large gamme de produits de terre comprimée [18]
4.6.2.1 Blocs pleins
Ils sont principalement de forme prismatique (parallélépipèdes, cubes, hexagones multiples, etc.). Leur usage est très varié.
4.6.2.2 Blocs creux
On observe normalement 15 % de creux, 30 % avec des procédés sophistiqués. Les évidements créés au sein des blocs améliorent l'adhérence du mortier et allègent les blocs. Certains blocs évidés permettent la réalisation de chaînages (coffrage perdu).
4.6.2.3 Blocs alvéolaires
Ils présentent l'avantage d'être légers mais exigent des moules assez sophistiqués ainsi que des pressions de compression plus forte que la normale.
4.6.2.4 Blocs à emboitements
Ils peuvent éventuellement permettre de se passer de mortier mais exigent des moules assez sophistiqués et en général des pressions de compression plus ou moins élevées.
4.6.2.4 Blocs parasismiques
Leur forme améliore leur comportement parasismique ou permet une meilleur intégration de systèmes structuraux parasismiques : chainage par exemple.
4.6.2.5 Blocs spéciaux
Les blocs sont fabriqués exceptionnellement pour une application spécifique.
Figure 4 : Différents produits de blocs de terre comprimée [18]
4.7 Choix du matériau
La construction en BTC est une technologie dont le but est l’utilisation de matériaux locaux, c'est-à-dire disponibles dans les alentours immédiats du site de construction. Le contexte même de la naissance des BTC implique donc un spectre de terre à utiliser le plus large possible. Les exigences résident uniquement au niveau des caractéristiques mécaniques requises pour le bâtiment en fonction de l’utilisation qui sera faite. Toutefois, il y a quelques orientations pour prédire la qualité des blocs résultants d’une terre donnée [19].
Le sol ne doit pas être trop argileux au risque d’entrainer des fissurations de retrait fragilisant les blocs (%2µm < 30%)
Ce matériau doit présenter un minimum de plasticité assurant une cohésion entre les grains du matériau lors du compactage (%2µm
> 5%).
Les gros éléments du matériau ne doivent pas dépasser une taille limite dépendant de la taille des blocs, une moyenne de 5mm est assez bien indiquée.
5. La stabilisation
La stabilisation est un ensemble de procédés visant à améliorer les caractéristiques d’une brique de terre, en particulier sa résistance portante, sa sensibilité à l’eau et sa durabilité. Elle doit permettre de réduire le volume des vides entre les particules solides, de colmater les vides que l’on peut supprimer, de créer des liens ou d’améliorer les résistances mécaniques. L’amélioration de ces caractéristiques doit garder un caractère irréversible [2].
5.1 Les objectifs de la stabilisation
Les principaux objectifs de stabilisation des sols sont :
l’obtention de meilleures caractéristiques mécaniques de la terre (augmenter les résistances à la compression, à la traction et au cisaillement),
la réduction de la porosité et les variations de volume (réduire le retrait et le gonflement à l'eau),
l’amélioration de la résistance à l’érosion du vent et de la pluie (réduire l’abrasion de surface et la perméabilité a l’eau) [18].
5.2 Les types de stabilisation 5.2.1 Stabilisation mécanique
La stabilisation mécanique améliore la brique de terre par la modification de sa densité naturelle. Il s’agit du compactage qui consiste essentiellement en une réduction de la porosité du matériau par resserrement des particules. Les effets d’un compactage effectué dans de bonnes conditions, se traduisent par une diminution de la perméabilité, de la compressibilité, de l’absorption d’eau et du gonflement. Les résistances mécaniques initiales et à long terme augmentent. Le compactage à lui seul permet d’obtenir un matériau aux caractéristiques mécaniques élevées, cependant ces matériaux restent très sensibles à l’eau. Mise au contact de l’eau, la brique redevient plastique et ne résiste plus du tout à la compression. L’immersion d’une brique de terre comprimée dans un seau d’eau, donne le lendemain un tas de boue au fond du seau. Si les BTC sont protégées des intempéries (débords de toiture importants, protections contre le rejaillissement,
soubassements suffisamment élevés, drainage en pied de mur), il n’est pas nécessaire de stabiliser. Ce qui n’est pas toujours le cas dans les zones concernées par cette étude [2].
5.2.2 Stabilisation chimique
La stabilisation chimique modifie les propriétés d’une brique de terre par l’intermédiaire de certains adjuvants. Afin de diminuer la sensibilité à l’eau, on a souvent recours à l’adjonction de produits (liants hydrauliques par exemple), rendant les sols traités moins hydrophiles.
L’adjonction du ciment qui est un liant hydraulique permet de lier les grains de sable tout en stabilisant l’argile de terre. On obtient ainsi une amélioration des caractéristiques mécaniques et de la sensibilité à l’eau.
Dans ce cas particulier, il faut tenir compte du fait que le ciment a besoin d’eau pour faire sa prise. Pour que le ciment assure son rôle de stabilisant, il faut un minimum de 3 à 4% en poids de la terre utilisée, sinon il n’y a pas assez de liant. Ce minimum vaut pour un ciment de bonne qualité : suivant les qualités du ciment utilisé, ce pourcentage peut monter à plus de 10%. Plus la terre est composée d’éléments fins, plus il faudra de ciment pour lier les éléments entre eux. Dans le cas où il est difficile de se procurer du ciment, il est moins coûteux d’avoir une terre contenant des éléments plus gros car nécessitant moins de ciment pour un même degré de stabilisation (tout en restant dans les proportions et dimensions des éléments d’une terre propre à fabriquer des BTC). Pour des constructions devant résister à l’eau de pluie, il faut monter le pourcentage de ciment à 10%. La stabilisation améliore la résistance à la compression et la tenue des angles des briques à la compression et aux chocs [2].
5.2.3 Stabilisation par cuisson
La terre cuite sert de matériau de construction et présente des qualités de rigidité et de tenue mécanique. C’est un matériau qui permet d'évacuer efficacement l’humidité vers l'extérieur. Cette maîtrise essentielle de l’hygrométrie et de la ventilation est un avantage que possède la terre cuite. Ce matériau répond notamment aux exigences de la Haute Qualité Environnementale, garantit une grande résistance dans
le temps, offre des performances thermiques importantes ainsi qu’une qualité d’air intérieur irréprochable. Une maison en brique de terre cuite est un habitat bioclimatique qui protège les occupants du bruit, des variations climatiques, de l'humidité et de l'incendie. Elle nécessite par contre de l’énergie pour la cuisson. La terre cuite permet également une certaine souplesse dans la mesure où elle se décline suivant l’utilisation que vous souhaitez en faire pour la construction : briques, tuiles en terre cuite, mais aussi carrelages, appuis de fenêtre ou éléments de décoration [9].
5.2.4 Stabilisation physique
La stabilisation physique modifie les propriétés des sols par une amélioration des caractéristiques du matériau par correction de la granulométrie. Le mélange obtenu conduit selon le cas, soit à diminuer l’indice de plasticité de matériau de base, soit à lui conférer une certaine cohésion [2].
En dépit du fait que les matériaux industriels ont un impact sur les changements climatiques à travers la production de CO2, il est impératif de s’orienter vers d’autres matériaux, surtout les matériaux locaux. Ainsi, les matériaux locaux tels que la terre de barre, l’argile et le kaolin peuvent être valorisés.
Deuxième partie : APPROCHE
METHODOLOGIQUE
C
hapitre 2 : L’ELABORATION DES ECHANTILLONS Dans ce chapitre, nous présenterons les étapes de formulation des divers échantillons à tester, la préparation des matériaux utilisés ainsi que tout le processus du prélèvement des matériaux à la cuisson des blocs d’argile.1. Les matériaux utilisés
La terre de barre utilisée a été prélevée à Hêvié dans la commune d’Abomey-Calavi.
Photo 1 : terre de barre à Hêvié Photo 2 : terre de barre mis en sac (Jean-Philippe AKPINFA) (Jean-Philippe AKPINFA)
Nous avons prélevé l’argile à 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.
[27]
Photo 3 : lieu de prélèvement de l’argile Photo 4 : séchage de l’argile (Jean-Philippe AKPINFA) (Jean-Philippe AKPINFA)
Photo 5 : écrasement de l’argile Photo 6 : le kaolin
à l’aide de l’appareil ‘los angeles’ (Jean-Philippe AKPINFA) (Jean-Philippe AKPINFA)
Le kaolin a été prélevé à Kétou. Il a été concassé puis broyé avec un broyeur avant d’être passé au tamis 2mm.
Photo 7 : le broyeur Photo 8 : le kaolin broyé (Jean-Philippe AKPINFA) (Jean-Philippe AKPINFA)
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.
2. Le programme expérimental
Pour l’usage dans les bâtiments, des blocs d’argile et de terre de barre (dosages spécifiés) améliorés au kaolin 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).
Pour la confection des blocs, nous avons adopté la notation suivante : - la lettre F désigne les blocs stabilisés au ciment,
[29]
- la lettre C les blocs stabilisés par cuisson, - la lettre K désigne l’ajout (le kaolin),
- suit ensuite un numéro qui représente le pourcentage en masse de kaolin,
- enfin, il y a un chiffre qui désigne le numéro du bloc confectionné sur six.
Pour le premier bloc stabilisé au ciment du dosage 0, on aura : FK00.01 et pour celui stabilisé par cuisson, CK00.01.
Pour chaque caractéristique étudiée, les résultats ont été comparés avec un bloc de référence ou témoin (bloc à 0% de kaolin) 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 kaolin. Les caractéristiques étudiées pour le matériau élaboré sont les suivantes : les résistances mécaniques en compression et en flexion trois points.
Les BTS soumis aux différents essais dans la présente étude sont des BTS renforcés par le sous-produit kaolin. Ils résultent du mélange d’argile, de la terre de barre, de l’eau et de kaolin d’une part pour la cuisson ; de la terre de barre, du ciment, de l’eau et de kaolin d’autre part pour les blocs non cuits.
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. Pour chaque type d’essai mécanique, le nombre d’éprouvettes est de six par dosage.
Dans ce programme expérimental, un type de moule a été utilisé.
Les éprouvettes normalisées (NF P 18-400, NA2600) de dimensions (4 × 4 × 16) cm3 sont utilisées pour la détermination des résistances à la flexion par traction.
Les éprouvettes cubiques (4 × 4 × 4) cm3 obtenues des demi-blocs issus de la rupture en flexion trois points sont utilisées pour la détermination des résistances en compression.
Photo 9 : presse utilisée pour la confection des éprouvettes (4 × 4 × 16) [9]
3. L’élaboration des échantillons
Le sol destiné à la confection des blocs en terre stabilisée et en argile cuite est séchée à l’air libre, pendant sept 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). Le kaolin broyé est également tamisé à l’aide d’un tamis d’ouverture de mailles 2mm.
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 kaolin varie et le dosage se fait comme suit :
- Dosage blocs stabilisés : 90 % terre de barre + 10 % ciment +%
variable de kaolin ;
- Dosage argile cuite : 80 % argile + 20 % terre de barre + % variable de kaolin.
Les proportions utilisées 90 % terre de barre + 10 % ciment et 80
% argile + 20 % terre de barre sont déduites des travaux de recherches effectués dans [9], [20] et [21].
[31]
Les tableaux suivants montrent les formulations des divers mélanges ayant servi à la confection des blocs de type « F » et « C ».
Tableau 2 : composition des blocs stabilisés au ciment (essai mécanique)
TERRE DE BARRE + CIMENT + KAOLIN Masse totale du mélange : 3400g
Désignation Dosage TB (g) Ciment (g) Kaolin (g) Qté d'eau (mL)
FK.00 0 3060 340 0 450
FK.05 5 2907 323 170 450
FK.10 10 2754 306 340 460
FK.15 15 2601 289 510 470
FK.20 20 2448 272 680 480
FK.25 25 2295 255 850 490
FK.30 30 2142 238 1020 500
FK.35 35 1989 221 1190 510
FK.40 40 1836 204 1360 520
FK.45 45 1683 187 1530 530
FK.50 50 1530 170 1700 540
FK.55 55 1377 153 1870 550
FK.60 60 1224 136 2040 560
Tableau 3 : composition des blocs stabilisés par cuisson (essai mécanique)
ARGILE + TERRE DE BARRE + KAOLIN Masse totale du mélange : 3000g
Désignation Dosage Argile (g) TB (g) Kaolin (g) Qté d'eau (mL)
CK.00 0 2400 600 0 750
CK.05 5 2280 570 150 750
CK.10 10 2160 540 300 750
CK.15 15 2040 510 450 750
CK.20 20 1920 480 600 750
CK.25 25 1800 450 750 750
CK.30 30 1680 420 900 750
CK.35 35 1560 390 1050 750
CK.40 40 1440 360 1200 750
CK.45 45 1320 330 1350 750
CK.50 50 1200 300 1500 750
CK.55 55 1080 270 1650 750
CK.60 60 960 240 1800 750
Pour les différentes mesures une balance de portée maximale 3kg et de précision 0,1g a été utilisée. Nous avons également utilisé des récipients, une éprouvette graduée, des pinceaux, des truelles, des moules, de l’huile de coffrage, etc.
Pour confectionner, on procède d’abord au malaxage sec de la terre, du kaolin 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 mélange à une certaine teneur en eau. On évite que le mélange soit pâteux ou sec 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 (pour les blocs devant subir les essais mécaniques, on prend une masse de mortier de 600g). 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 blocs C ont été séchés à l’abri du soleil et à température ambiante durant 14 jours. Ils sont ensuite 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.
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
[33]
suivant résume les plages de températures et les transformations qui surviennent lors de la cuisson.
Tableau 4 : phases de transformation des blocs lors de la cuisson [20]
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
Pour la cuisson, 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 5 : aspect du programmateur C250 du four Nabertherm du Lycée Technique de Kpondéhou [20]
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.
Nous avons adopté la cinétique utilisée par [9] avec les blocs incorporant la cendre de bois. La cinétique de cuisson adoptée est
[35]
conforme à la courbe de cuisson de la figure 6. Sur cette figure, le programmateur ne donne que la possibilité de fixer deux températures : la température T1 correspondant aux times 1 et time 2 (1er palier) et la température T2 correspondant aux times 3 et time 4 (2è palier). Aux times 1 et 3 on a une montée en température et aux times 2 et 4 un maintien.
Figure 6 : courbe montrant les différentes phases de la cuisson [20]
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.
