REPUBLIQUE DU BENIN ---
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
---
UNIVERSITE D’ABOMEY CALAVI ---
ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI ---
DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL/BTP ---
MÉMOIRE DE FIN DE FORMATION EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION GRADE MASTER
OPTION : Bâtiment et Travaux Publics
THEME
FORMULATION ET CARACTERISATION PHYSIQUE ET MECANIQUE D’UN COMPOSITE DE GRAVE LATERITIQUE
AMELIORE AU CIMENT ET DE GOUSSE DE MIL
Sous la direction de : Dr Valéry K. DOKO
Enseignant chercheur à l’EPAC Réalisé et soutenu par :
Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
COMPOSITION DU JURY
Président du jury
Pr Emmanuel OLODO
Membres du jury
Dr Valéry K.DOKO
Dr Emmanuel WOUYA
Ing Joseph AHISSOU
DÉDICACES
Dédicaces
J’ai le grand honneur de consacrer ce modeste travail à Maman Marie visage de la miséricorde de DIEU et de le dédier à mon feu père Blaise Ignace HOUNKPATIN et à ma mère, l’amazone des temps moderne Danielle HOUNKPATIN pour leur attachement exceptionnel au sens de la responsabilité parentale.
REMERCIEMENTS
Remerciements
Je ne saurais commencer la rédaction de ce mémoire sans remercier Dieu tout Puissant pour son assistance et sa protection de tous les jours : « Tout vient de toi Seigneur et nous venons t’offrir ce que ta main nous donne par amour et par bonté ». Aussi, voudrais-je avoir une attention toute particulière à la Vierge Marie pour son intersection.
L’homme étant un être social, ses œuvres sont inéluctablement le résultat de nombreux efforts consentis par les membres de la société à laquelle il demeure attaché quotidiennement.
L’élaboration du présent mémoire n’a donc été possible que grâce au soutien indéfectible et à la franche collaboration de plusieurs personnes. Je tiens donc à exprimer mes sincères remerciements et ma profonde gratitude :
Au Pr. SOUMANNOU Mohamed, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey- Calavi, pour le cadre et les moyens mobilisés pour notre formation.
Au Dr HOUINOU Gossou Jean, Chef du Département de Génie Civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, pour tous les sacrifices consentis pour la bonne marche des activités pédagogiques au sein du département
Au Dr Ing. Valéry DOKO, mon maître de mémoire, pour avoir accepté d’encadrer ce travail et de le conduire jusqu’au bout. Ce document n’aurait pu être réalisé sans ses conseils, sa disponibilité, son enthousiasme, son esprit d’écoute, son soutien sans pareils et surtout cette confiance qu’il a placée en nous.
A l’excellence monsieur le président du jury et aux honorables membres du jury.
A tous les enseignants de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, et en particulier à ceux du Département de Génie Civil. Nous voulons citer :
Pr. ADJOVI Edmond, Maître de conférences en Sciences de l’Ingénieur ;
Dr ALLOBA Ezéchiel, Maitre-assistant des universités :
Dr BACHAROU Taofic Docteur Ingénieur en Hydraulique ;
Pr Dr CODO François de Paule, Maitre-assistant des universités ;
Dr CHAFFA Gédéon Maitre-assistant des universités ;
Dr DIOGO Noël, Docteur architecte ;
Pr GBAGUIDI Aïssè Gérard, Maitre de conférences des universités du CAMES;
Pr GBAGUIDI S. Victor, Maitre de conférences des universités du CAMES;
Pr GIBIGAYE Mohamed, Docteur Ingénieur en Génie Civil spécialiste en structure ;
Remerciements
Dr HOUINOU Agathe SOUROU, Docteur Ingénieur en Mécanique des sols ;
Dr SAVY Mathias, Maitre-assistant des universités ;
Dr TCHEHOUALI Adolphe, Maitre-assistant des universités ;
Dr WANKPO Tonalémi Epiphane Sonon, Docteur Ingénieur en Hydraulique ;
Dr ZEVOUNOU Crépin, Maitre-assistant des universités ;
Dr ZINSOU Codjo Luc, Docteur Ingénieur en Mécanique des sols ; A M. AZA-GNANDJI Ruben pour son accompagnement et son aide durant mon stage au laboratoire
A l’Ing. AGOSSOU Daniel pour les nombreux conseils M Serge pour son apport matériel et moral
Mr Vigan Régis mon frère ami pour son aide. .
A tous mes camarades de la 10ème promotion avec qui nous avons passé trois (3) mémorables années de notre vie et pour les nostalgiques moments d’entraide, de solidarité et de joie.
A tous mes proches qui ont daigné apporter leur contribution à la rédaction de ce document notamment aux familles AMADOU, ANANI et CAKPO
J’adresse aussi mes sentiments de profonde reconnaissance à tous ceux qui, de près ou de loin m’ont aidé d’une manière ou d’une autre tout au long de ma formation et pendant la rédaction de ce document.
Je voudrais enfin porter une mention toute spéciale sur toute ma famille. Ainsi je pense tout particulièrement :
A mon feu père Blaise Ignace HOUNKPATIN, pour m’avoir inculqué la rigueur et l’amour du travail bien fait et pour les nombreux sacrifices préalablement effectués à mon égard tel qu’un laboureur à ses enfants.
A ma mère Danielle HOUNKPATIN née ACAKPO, pour son amour, son affection, son soutien et sa foi en l’espérance indestructible.
A ma belle-famille pour son accompagnement et les efforts consentis
A mes sœurs Quecia et Lucrèce et à mon frère Osira, pour leur affection fraternelle.
A mon élu Richel TOCHOEDO pour avoir été à mes côtés durant toute cette formation, pour son soutien sans faille.
RESUMÉ
Résumé
Les fibres de gousses de mil sont utilisées comme matériaux servant dans les constructions traditionnelles. Ainsi, l’esprit critique scientifique dans le but de répondre aux enjeux environnementaux en utilisant les éco-matériaux a donc jeté son dévolu sur les fibres de gousses de mil dans de la grave latéritique améliorée au ciment afin de réaliser dans le bâtiment des éléments non porteurs notamment les entrevous à partir de ce dernier. Une formulation d’un matériau témoin (grave latéritique +ciment) confectionné avec deux différents rapports E/C (0,8 et 0,9) a servi de base pour l’analyse des résultats obtenus pour les pourcentages d’incorporation des fibres de gousse de mil dans le mélange grave latéritique-ciment, avec des proportions de 2%, 4% et 6%. L’étude des caractéristiques mécaniques obtenues montrent qu’avec les composites MGlCG-D250-E0,9 les résistances en traction croissent et les résistances en compression décroissent avec l’augmentation des proportion de fibres de gousse de mil ; ceci confirme les résultats de (Sedan, 2007). Les composites MGlCG-D250-E0,8, par contre, présentent des résistances en compression et en traction qui chutent avec l’évolution des proportions de fibres. Des suites d’analyse de résistance des différents mélanges une étude économique a été effectuée. Cette étude montre que l’incorporation de ces fibres végétales dans le mélange témoin induit une réduction de 0,44% du prix par rapport au mélange témoin.
Mots-clés: fibres végétales, gousse de mil, entrevous, économique
ABSTRACT
Abstract
The millet pod fibers are used as materials used in traditional constructions. Thus, the scientific critical spirit in order to answer the environmental stakes by using eco-materials has therefore set its sights on the millet pod fibers in the laterally improved cement gravel in order to realize in the building elements carriers including interjoists from the latter. A formulation of a control material (grave lateritic + cement) made with two different E / C ratios (0.8 and 0.9) was used as a basis for the analysis of the results obtained for the percentages of incorporation of millet clove in the lateritic-cement mix, with proportions of 2%, 4% and 6%. The study of the mechanical characteristics obtained shows that with the MG1CG-D250-E0.9 composites, the tensile strengths increase and the compressive strengths decrease with the increase of the proportion of millet pod fibers; this confirms the results of (Sedan, 2007). The MG1CG-D250- E0.8 composites, on the other hand, have compressive and tensile strengths which fall with the evolution of the fiber proportions. Sequences of resistance analysis of the different mixtures An economic study was carried out. This study shows that the incorporation of these plant fibers in the control mixture induces a reduction of 0.44% of the price relative to the control mixture.
Keywords: plant fibers, millet pod, interjoists, economic
Sommaire
Sommaire
DÉDICACES ... i
REMERCIEMENTS ... ii
RESUMÉ ... v
ABSTRACT ... vii
Sommaire ... ix
Liste des figures ... xi
Liste des photos ... xv
Liste des tableaux ... xvii
Liste des sigles et abréviations ... xx
Liste des annexes ... xxii
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION GENERALE ... 1
1.1. Contexte et justification ... 2
1.2. Objectif de l’étude ... 3
1.3. Méthodologie ... 3
1.4. Résultats attendus ... 4
CHAPITRE 2 : GENERALITE & REVUE DE LITTERATURE ... 5
2.1. Généralités ... 6
2.2. Béton de fibres végétales. ... 16
2.3. Généralité sur les outils et méthodes de métrologie thermique. ... 19
2.4. Revue bibliographique sur les composites à matrice cimentaire de biomasse végétal 30 CHAPITRE 3 : MATERIAUX MATERIELS ET METHODES ... 41
3.1. Matériaux ... 42
3.2. Matériels et méthode ... 47
3.3. Formulation du matériau composite ... 61
3.4. Mise en œuvre du composite : ... 62
3.5. Essais de caractérisation physique, mécanique et thermique des composites. ... 65
3.6. Essais de caractérisation mécanique. ... 67
Sommaire
3.7. Caractérisation thermique du composite ... 69
CHAPITRE 4:RESULTATS ET DISCUSSIONS ... 80
4.1. Dosages pour la fabrication des composites ... 81
4.2. Présentation des résultats physiques et mécaniques du composite. ... 82
4.3. Etude de propriétés physiques des composites ... 86
4.4. Etude des propriétés mécaniques des composites. ... 91
4.3.1. Etude du comportement en flexion. ... 91
4.3.2. Etude du composite en compression comportement en compression ... 92
4.3.3. Influence du type de composite sur les Résistances mécaniques. ... 95
Chapitre5: APPLICATION ET ETUDE ECONOMIQUE ... 97
5.1. Formulations pour la fabrication des entrevous. ... 98
5.2. Estimation du coût d’un mètre cube de béton de Gousse de mil + grave latéritique- ciment 98 5.3. Dimensionnement d’une dalle d’un Bâtiment en GlCG et GC. ... 100
5.4. Descente de charges sur le plancher. ... 101
5.5. Etude de la nervure N1 ... 102
CONCLUSION ... 105
Références bibliographiques ... 107
Références bibliographiques ... 108
Annexes ... 111
Table des matières ... 123
Liste des figures
Liste des figures
XII
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
Figure 2. 1 : esquisse d’un matériau composite (CHOWDHURY, 2010) ... 7
Figure 2. 2: les différents type de fibres naturelles (Baley, 2004) ... 10
Figure 2. 3 : Rôle des fibres dans le béton ... 17
Figure 2. 4 : Dispositif de mesure de la conductivité thermique par la méthode des boîtes ... 20
Figure 2. 5: Dispositif de mesure de la méthode des comparaisons ... 21
Figure 2. 6 : Schéma du principe de la méthode de la plaque chaude gardée ... 22
Figure 2. 7 : Schéma du principe de la méthode de la barre (Cardinali, 2011) ... 23
Figure 2. 8: Schéma du principe de la méthode de la mini- plaque chaude ( Felix,2011) 24 Figure 2. 9 : Dispositif expérimental de méthode du régime régulier ... 25
Figure 2. 10 : Schéma du principe de la méthode flash ( TANOH, 2011) ... 26
Figure 2. 11: Méthode du ruban chaud, en configuration symétrique, avec une mesure de la température locale ou moyenne. ... 27
Figure 2. 12 : Schéma du montage de la méthode du fil chaud ... 28
Figure 2. 13: Vue d’une sonde Hot disk ... 29
Figure 2. 14 : Comportement mécanique d’un matériau composite fibré (Sedan, 2007)32 Figure 2. 15: Minimisation entre la capacité calorifique massique expérimentale et celle du modèle. ... 37
Figure 2. 16 : Vue d’un calorimètre de type DSC ... 37
Figure 2. 17 : Isotherme de sorption de la latérite et de la gousse de mil (Harkins) ... 38
Figure 2. 18 : Isotherme de sorption de la latérite et de la gousse de mil (Smith) ... 38
Figure 2. 19 : Isotherme de sorption de la latérite et de la gousse de mil (Gab) ... 38
Figure 2. 20 : Résultat expérimental d’une mesure de la conductivité thermique λ(X) d’un échantillon pour Y = 6% ... 39
Figure 3. 1 : Répartition des latérites dans le monde 43 Figure 3. 2 : texture en fibres de gousses de mil ... 44
Figure 3. 3 : Aspect des éprouvettes ... 45
Figure 3. 4: Courbe d’analyse granulométrique sur les gousses de mil ... 49
Liste des figures
Figure 3. 5: Courbe d’analyse granulométrique sur la grave latéritique ... 53
Figure 3. 6; courbe d’analyse granulométrique par sédimentométrie sur la grave latéritique ... 58
Figure 3. 7 : Pré-mouillage des gousses de mil ... 63
Figure 3. 8: Etalement des fibres de gousses de mil ... 63
Figure 3. 9: la presse métallique pour la confection des blocs 4x4x16 cm3 ... 64
Figure 3. 10 : Entreposage et étiquetage des éprouvettes. ... 64
Figure 3. 11 : essai de flexion 3 points ... 68
Figure 3. 12 : essai de compression ... 68
Figure 3. 13 : Schéma du montage de la méthode du plan chaud ... 70
Figure 3. 14 : Schéma de montage de la méthode de plan chaud avec deux échantillons 75 Figure 3. 15 : Modèle physique du dispositif du plan chaud. ... 77
Figure 4. 1: Evolution de la perte de masse des composites témoins de grave latéritique – ciment à l’air ambiant………...86
Figure 4. 2 : Variation de la perte de masse de composite grave latéritique-ciment avec 2% de fibres ... 87
Figure 4. 3: Variation de la perte de masse de composite grave latéritique-ciment avec 4% de fibres ... 87
Figure 4. 4: Variation de la perte de masse de composite grave latéritique-ciment avec 6%de fibres ... 88
Figure 4. 5: Variation de la masse volumique des composites à différents pourcentages de fibres. ... 89
Figure 4. 6 : Evolution du taux d’humidité en fonction du pourcentage de fibres de gousse de mil dans les éprouvettes à 7 jours d’âge ... 90
Figure 4. 7: Evolution du taux d’humidité en fonction du pourcentage de fibres de gousse de mil dans les éprouvettes à 7 jours d’âge ... 90
Figure 4. 8 :Courbe du comportement en traction par Flexion des composites Grave latéritique-Ciment Gousses de mil. ... 91
Liste des figures
XIV
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
Figure 4. 9: Courbe contrainte - déformation des composantes de gousse de mil – grave latéritique amélioré ciment en compression. ... 93 Figure 4. 10 : courbe de la tangente de partie presque linéaire de notre courbe contrainte – déformation (série1) ... 94 Figure 4. 11: courbe de la tangente de partie presque linéaire de notre courbe contrainte – déformation (série2) ... 94 Figure 4. 12: courbe de la tangente de partie presque linéaire de notre courbe contrainte – déformation (série3) ... 95 Figure 4. 13 : Variation des Résistances mécaniques en fonction du type de composite . 95 Figure 5. 1 : Coupe d’un panneau de dalle représentatif pour la descente des charges……..101
Figure 5. 2: Coupe transversale de la nervure ... 103 Figure 5. 3 : Schéma statique de la nervure ... 103
Liste des photos
Liste des photos
XVI
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
Photo 2. 1: Aspectnaturel de la gousse de mil……….13 Photo 2. 2 : Mise en œuvre des cloisons en paille sur un chantier………13 Photo2.3:Coque d’arachide stockée dans le site de Sing-Sing près de Kaolack………14 Photo2.4: Aspect naturel de la sciure de bois……….15
Liste des tableaux
Liste des tableaux
XVIII
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
Tableau 2. 1 : Application des bétons fibrés (NADIA, 2010) ... 18
Tableau 2. 2 : Caractéristiques physiques des composites à 7 jours d’âges... 33
Tableau 2. 3: Caractéristiques physiques des composites à 14 jours d’âges... 34
Tableau 2. 4 : Caractéristiques physiques des composites à 28 jours d’âges... 34
Tableau 2. 5: Caractéristiques mécaniques des composites à 14 jours d’âges ... 35
Tableau 2. 6: Caractéristiques mécaniques des composites à 28 jours d’âges ... 35
Tableau 2. 7 : Valeurs de la capacité thermique massiques obtenues par les deux méthodes ... 37
Tableau 3. 1: Caractéristiques physiques du ciment……… 44
Tableau 3. 2: Caractéristiques mécaniques du ciment ... 44
Tableau 3. 3 : Caractéristiques de l’eau de gâchage ... 46
Tableau 3. 4: caractéristiques physiques des gousses ... 52
Tableau 4. 1 : Tableau des différentes formulations utilisées. 81 Tableau 4. 2 ; Caractéristiques physiques des composites à 7 jours d’âges... 82
Tableau 4. 3: Résultats des mesures de perte de masses des composites témoins ... 83
Tableau 4. 4 : Résultats des mesures de perte de masses des composites ayant 2% de gousse de mil dans leur matrice ... 83
Tableau 4. 5 : Résultats des mesures de perte de masses des composites ayant 4% de gousse de mil dans leur matrice ... 84
Tableau 4. 6: Résultats des mesures de perte de masses des composites ayant 2% de gousse de mil dans leur matrice ... 84
Tableau 4. 7 : Caractéristiques mécaniques des composites à 7 jours d’âges ... 85
Tableau 5. 1: Caractéristiques des formulations retenues pour les applications 98 Tableau 5. 2 : Etude comparée du cout d’un mètre cube de béton de Gousse de mil et de mortier de ciment. ... 99
Tableau 5. 3 : Poids des entrevous. ... 100
Liste des tableaux
Tableau 5. 4 : Hypothèses du calcul ... 101
Tableau 5. 5: Descente de charge sur le plancher ... 102
Tableau 5. 6: Descente de charges sur la Nervure. ... 103
Tableau 5. 7 : dimensionnement des nervures. ... 104
Tableau 5. 8 : Poids d’armatures de la nervure ... 104
XX
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
Liste des sigles et abréviations
Liste des sigles et abréviations
CO2 : Dioxyde de carbone
ACI : American Concrete Institute
EPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi MOE : Module d’Elasticité
MOR : Module de Rupture PVC : Chlorure de Polyvinyle
Liste des annexes
XXII
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
Liste des annexes
Liste des annexes
Annexe3. 1 : donnée recueillies de l’essai de densité apparente ... 112 Annexe3. 2 : données recueillies sur l’essai de densité absolue ... 112 Annexe3. 3 : tableau d’analyse granulométrique ... 112 Annexe3. 4: Données recueillies de l’essai de détermination masse volumique apparente sur la grave latéritique ... 113 Annexe3. 5: Données recueillies de l’essai de détermination masse volumique apparente sur la grave latéritique ... 113 Annexe3. 6 : données de l’essai de compression à 7 jours d’sur le composite GlCG-D250- E0,8 ... 113 Annexe5. 1 : dimensionnement numérique de nervures avec Arche………..119
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION GENERALE
1.1. Contexte et justification du sujet 1.2. Objectifs de l’étude
1.2.1. Objectif général 1.2.2. Objectifs spécifiques 1.3. Méthodologie
1.4. Résultats attendus
Chapitre 1
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
chapitre intitulé introduction générale, présente le contexte de développement durable dans lequel s’inscrit notre thème, ainsi que la justification de notre étude. Nous exposons ensuite les objectifs, la méthodologie de la recherche et les résultats attendus.
1.1. Contexte et justification
L’adaptation de l’espace urbain aux enjeux de la société a été depuis toujours le souci principal des aménageurs et urbanistes. Depuis le début des années 1970 (crise pétrolière, rapport du Club de Rome) les enjeux environnementaux comme la réduction de la consommation d’énergies fossiles et des émissions nocives figurent d’une façon générale, à côté d’enjeux sociaux, formels, économiques (Marie LEROY, MARS 2012). Cet état de chose n’épargnant aucun secteur d’activité, le secteur du bâtiment s’est donc axé sur une démarche constructive basée sur les éco- matériaux. En effet, cette démarche est en plein développement face à la remise en question des modes de construction conventionnels à base de béton, de matériaux isolants d’origine pétrolière, de briques très énergivores ou encore nécessitant l’utilisation de colles ou de solvants, responsables de l’émission de composants nocifs pour la santé et l’environnement (Camille, 2010).
Les éco-matériaux de construction tels que la latérite, la chaux, la pierre, les fibres végétales mais aussi les ciments à bas CO2, les matériaux à base de déchets plastiques recyclés et de déchets miniers, pour ne citer que que ceux-là, représentent l’un des meilleurs moyens pour relever ces défis suivant une logique de développement durable. Ils permettent de réduire les émissions de gaz à effet de serre, de limiter la consommation d’énergie et d’optimiser l’utilisation des ressources naturelles non renouvelables. De plus, en offrant aux professionnels des solutions techniques performantes et économiquement viables, les éco-matériaux représentent un véritable potentiel insuffisamment exploité pour l’essor de la croissance verte sur le continent. (internationale, 10 au 12 juin 2013)
Dès lors, les regards sont tournés vers l’utilisation des fibres végétales dans le béton ou le mortier comme renfort. En effet, les mobiles qui sous-tendent le choix de ces fibres sont : leur large disponibilité, leur faible coût et leur utilisation qui constitue un débouché idéal pour les déchets agricoles.
C e
Chapitre 1
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
Par ailleurs, la valorisation des fibres végétales telles que les fibres de gousse de mil dans de la grave latéritique amélioré au ciment, ne permettrait-elle pas la réduction des impacts environnementaux par rapport à des composites conventionnels puisque ce sont des matières premières biodégradables, neutres vis-à-vis des émissions de CO2 et demandant peu d’énergie pour être produites? Aussi, quelles seront les caractéristiques que nous obtiendrons pour notre matériau afin de l’utiliser dans le bâtiment?
Au Bénin, l’agriculture contribue fortement au PIB ; ce qui règle le problème de disponibilité des fibres végétales. Aussi, dans la région septentrionale du pays, l’activité dominante est l’activité champêtre.
C’est donc pour aider à résoudre les problèmes environnementaux que nous avons choisi de faire nos recherches autour du thème : Formulation et caractérisation physique, mécanique et thermique d’un composite de gousse de mil – grave latéritique amélioré au ciment, afin de répondre aux enjeux de développement durable.
1.2. Objectif de l’étude 1.2.1. Objectif général
L’objectif de développement visé par ce travail est de contribuer à développer un matériau composite à base de gousse de mil en vue de son utilisation comme élément non porteur dans le bâtiment.
1.2.2. Objectifs spécifiques
Pour atteindre notre objectif général libellé ci-dessus, on examinera spécifiquement :
la Caractérisation physique du grave latéritique ;
la Caractérisation physique de la gousse de mil ;
faire une formulation du matériau composite ;
la caractérisation physique du composite ;
la caractérisation mécanique du composite ;
la caractérisation thermique du composite.
1.3. Méthodologie
Pour atteindre ces objectifs fixés ci-dessus énumérés, nous suivrons la démarche suivante :
Chapitre 1
Réalisé par : Ahouéfa Priscille HOUNKPATIN
- recherche bibliographique : il s’agit de faire un recensement des revues (articles, thèses, mémoires) antérieures qui ont abordé le composite de gousse de mil – grave latéritique.
- approvisionnement en grave latéritique et en gousse de mil : la latérite sera prélevée sur une carrière à Allada et la gousse de mil viendra du nord Bénin - essai de caractérisation physique du grave latéritique et de la gousse de mil :
nous réaliserons ici, des essais d’analyses granulométriques et déterminerons la masse volumique, la densité, les limites d’ATTERBERG
- formulation et réalisation du composite : nous utiliserons la méthode des volumes absolus pour déterminer les proportions des différents éléments de notre composite afin de servir de brique de remplissage de mur en élévation.
- essai de caractérisation physique du composite : il s’agira ici, de déterminer la masse volumique, Les taux d’humidité et d’absorption et la perte de masse du composite.
- essai de caractérisation mécanique du composite : à partir des essais de compression et flexion 3 point, nous nous allons mesurer de la résistance de ce composite.
- essai de caractérisation thermique du composite : on utilisera la méthode de plan chaud asymétrique
1.4. Résultats attendus
Les résultats attendus à la fin de ce travail sont :
- La formulation c’est-à-dire les différentes proportions de gousse de mil, de grave latéritique et de ciment dans le matériau composite est déterminée ;
- les caractéristiques physique et mécanique du matériau composite sont déterminées - la conductivité, l’effusivité et la diffusivité du matériau sont déterminées
Chapitre 2
CHAPITRE 2 : GENERALITE &
REVUE DE LITTERATURE
Chapitre 2
ans ce chapitre, nous exposons les généralités sur les matériaux composites, les bétons de fibres végétales et les outils et méthodes de métrologie thermique. Puis, nous faisons une synthèse des travaux en enregistrés sur les composites à matrice cimentaire de biomasse végétale dans la rubrique revue bibliographique sur les composites à matrice cimentaire de biomasse végétale.
2.1. Généralités
2.1.1. Introduction aux matériaux composites
Le concept clé des composites est l'union de deux ou plusieurs matériaux, qui seuls n'ont pas de bonnes qualités mais qui, une fois unis, ont d'excellentes propriétés: l'union fait la force.
Un matériau composite est constitué d’au moins deux matériaux qui combinent de manière synergique leurs propriétés spécifiques.
Un matériau composite est, par définition, tout alliage ou matière première comportant un renfort sous forme de poudre, fibres, granules et même de fibres tissées (longues). Il nécessite l’association intime d’au moins deux composants: le renfort et la matrice, qui doivent être compatibles entre eux et se solidariser, ce qui introduit la notion d’un agent de liaison, l’interface (EGANA, 4ème année GM).
Le matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles. Le matériau ainsi constitué possède des propriétés que les éléments constitutifs seuls ne possèdent pas. Contrairement aux matières premières classiques dont on connaît à l’avance les caractéristiques mécaniques, celles des composites ne sont réellement connues qu’après fabrication, car on réalise, en même temps, le matériau et le produit (EGANA, 4ème année GM).
Un matériau composite est constitué d'une :
- ossature appelée renfort, présentant diverses architectures, qui assure la tenue mécanique ; - protection appelée matrice, assurant la cohésion de la structure et la retransmission des efforts vers le renfort, qui est généralement une matière plastique (résine thermoplastique ou thermodurcissable) (EGANA, 4ème année GM).
D
Chapitre 2
Figure 2. 1 : esquisse d’un matériau composite (CHOWDHURY, 2010)
Ces deux constituants principaux reçoivent des additifs ou charges nécessaires pour assurer une adhérence suffisante entre le renfort et la matrice. Ils permettent également de modifier l’aspect ou les caractéristiques de la matière à laquelle ils sont ajoutés: pigments de coloration, agents anti-UV, charges ignifugeantes, isolation thermique ou acoustique. Les charges et additifs sont incorporés dans un matériau composite pour :
- Modifier la couleur ;
- Modifier sensiblement les propriétés mécanique, électrique ou thermique ; - Réduire le coût ;
- Résister au feu ; - Diminuer le retrait ; - Faciliter le démoulage ;
- Améliorer la résistance au vieillissement ;
- Modifier la densité du matériau. (EGANA, 4ème année GM) 2.1.2. Classification des matériaux composites
Les composites peuvent être classés suivant la forme des composants ou suivant leur nature.
2.1.2.1. Classification suivant la forme des renforts
En fonction de la forme des constituants, les composites sont classés en deux grandes classes : les matériaux composites à fibres et les matériaux composites à particules
Chapitre 2
Composites à particules
Un matériau composite est un composite à particules lorsque le renfort se trouve sous forme de particules. Une particule, par opposition aux fibres, ne possède pas de dimension privilégiée.Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des matériaux ou des matrices, comme la rigidité, la tenue à la température, la résistance à l'abrasion, la diminution du retrait, etc. Dans de nombreux cas, les particules sont simplement utilisées comme charges pour réduire le coût du matériau, sans en diminuer les caractéristiques.
Le choix de l’association matrice-particules dépend des propriétés souhaitées. Par exemple, des inclusions de plomb dans des alliages de cuivre augmenteront leur facilité d’usinage. Des particules de métaux fragiles tels le tungstène, le chrome et les molybdènes, incorporés dans des métaux ductiles, augmenteront leurs propriétés à températures élevées, tout en conservant le caractère ductile à température ambiante.
Également, des particules d'élastomère peuvent être incorporées dans des matrices polymères fragiles, de manière à améliorer leurs propriétés à la rupture et au choc, par diminution de la sensibilité à la fissuration.Ainsi, les composites à particules recouvrent un domaine étendu dont le développement s'accroît sans cesse.
Composites à fibres
Un composite fibré est un matériau constitué d’un ensemble de fibres résistantes noyées dans une matrice dont les propriétés mécaniques sont nettement plus faibles. Les fibres jouent le rôle de renfort tandis que la matrice assure la cohésion du composite et le transfert des efforts aux fibres (Camille, 2010). Les fibres utilisées se présentent soit sous forme de fibres continues, soit sous forme de fibres discontinues : fibres coupées, fibres courtes, etc. L'arrangement des fibres, leur orientation permettent de moduler à la carte les propriétés mécaniques des matériaux composites, pour obtenir des matériaux allant de matériaux fortement anisotropes à des matériaux isotropes dans un plan.
Le concepteur possède donc là un type de matériau dont il peut modifier et moduler à volonté les comportements mécanique et physique en jouant sur :
- La nature des constituants - La proportion des constituants - L’orientation des fibres
Chapitre 2
2.1.2.2. Classification suivant la nature de la matrice
Il existe aujourd'hui un grand nombre de matériaux composites que l'on identifie généralement par trois familles en fonction de la nature de la matrice :
- les Composites à Matrices Organiques (CMO) qui constituent, de loin, les volumes les plus importants aujourd'hui à l'échelle industrielle ;
- les Composites à Matrices Céramiques (CMC) réservés aux applications de très haute technicité et travaillant à haute température comme le spatial, le nucléaire, le militaire, et le freinage (freins carbone) ;
- les Composites à Matrices Métalliques (CMM).
Actuellement, les composés à matrice organique représentent plus de 99% des matériaux composites; toutefois, il existe également des composites à matrice inorganique (métallique ou céramique) dont la diffusion reste encore marginale.
Divers renforts sont associés à ces matrices. Seuls certains couples d'associations ont actuellement un usage industriel, d’autres faisant l’objet d’un développement dans les laboratoires de recherche. Parmi ces composites, nous pouvons citer :
Composites à matrice organique (résine, charges) - Des fibres minérales : verre, carbone, etc.
- Des fibres organiques : Kevlar, polyamide, etc.
- Des fibres métalliques : Bore, aluminium, etc.
Composites à matrice métallique (alliages légers et ultra légers d’aluminium, de magnésium, de titane), avec :
- Des fibres minérales : carbone, carbure de silicium (SiC), - De fibres métalliques : Bore,
- Des fibres métallo-minérales : fibres de bore revêtues de carbure de silicium (BorSiC)
Composites à matrice minérale (céramique), avec - Des fibres métalliques : Bore,
- Des particules métalliques : cermets,
- Des particules minérales : carbure, nitrures, etc.
Les matériaux composites à matrice organique ne peuvent être utilisés que dans le domaine des températures ne dépassant pas 200 à 300 °C, alors que les matériaux composites
Chapitre 2
à matrices métallique ou minérale sont utilisés au-delà : jusqu’à 600 °C pour une matrice métallique, jusqu'à 1000 °C pour une matrice céramique.
2.1.3. Généralités sur les fibres végétales
L’utilisation de fibres naturelles, et en particulier de fibres végétales comme renfort de matériaux composites, présente deux principaux avantages. Tout d’abord, ces fibres sont largement disponibles à faible coût et leur utilisation en construction constitue de nouveaux débouchés pour les matières agricoles. D’autre part, la valorisation des fibres végétales permet la réduction des impacts environnementaux par rapport à des composites conventionnels puisque ce sont des matières premières renouvelables, biodégradables, neutres vis-à-vis des émissions de CO 2 et demandant peu d’énergie pour être produites. (Baley, 2004)
Dans les pays peu industrialisés, les fibres végétales constituent donc une alternative à faible coût économique et surtout écologique aux fibres synthétiques conventionnelles (fibres métalliques, minérales ou polymériques). Les différents types de fibres naturelles sont présentés
sur la Figure 2.2..
Figure 2. 2: les différents type de fibres naturelles (Baley, 2004)
Depuis les années 70, de nombreuses fibres naturelles ont été testées comme renfort de composite. On peut citer notamment les fibres de sisal, de jute, de bagasse (résidu fibreux de la canne à sucre), du coïr (fibre extraite de l’enveloppe filamenteuse de la noix de coco), de bambou, de bois, de lin, ou encore de chanvre etc.
Chapitre 2
Un rapport de l’American Concrete Institute (ACI, 1996) classe les fibres naturelles en deux catégories aux propriétés bien distinctes : les fibres transformées (Processed Natural Fibres) et les fibres brutes (Unprocessed Natural Fibres). Pour chacune de ces catégories, les méthodes de mises en œuvre, les types de produits finis et leurs niveaux de performances diffèrent.
2.1.3.1. Les fibres transformées
Les fibres naturelles transformées ont été utilisées en substitution d’une partie de l’amiante dans des produits commerciaux depuis le milieu des années 60. Depuis les années 80, en raison de l’interdiction de l’amiante dans la plupart des pays pour des motifs sanitaires, elles sont utilisées comme seul renfort dans l’industrie du fibrociment.
Les fibres transformées sont pour la plupart des dérivés du bois obtenus par des traitements sophistiqués comme le procédé kraft. Ce procédé vise à réduire le bois en une pâte constituée de courtes fibres végétales (de l’ordre de quelques millimètres), d’éliminer les impuretés (résines, acides gras etc.) ainsi qu’une part importante de la lignine.
L’obtention de cette pâte nécessite la séparation des fibres du bois, on appelle cette étape la défibrillation. Elle peut être mécanique, par écrasement du bois pour séparer les fibres, ou chimique, et consiste alors à cuire des cubes de bois dans une solution alcaline qui dissout la matière assurant la cohésion des fibres. (ACI, 1996).
2.1.3.2. Les fibres brutes
Les fibres brutes sont, par opposition aux fibres traitées, obtenues à faible coût et en consommant peu d’énergie par le biais d’une main d’œuvre et de savoirs faires disponibles localement (ACI, 1996). Une grande variété de fibres végétales peut être utilisée en fonction des ressources disponibles dans chaque région.
La méthode de mise en œuvre du composite doit permettre d’obtenir une dispersion homogène des fibres dans la matrice et assurer une adhérence optimale entre les fibres et la matrice. Deux méthodes de malaxage sont recommandées par le rapport de l’ACI :
- une méthode par voie humide, qui se rapproche d’un malaxage conventionnel, avec mélange dans un premier temps du ciment, de l’eau et des adjuvants, puis ajout des granulats et enfin des fibres. Certains auteurs usent cependant de séquences de malaxage différentes : Kriker et al. (A. Kriker, 2005) proposant par exemple de pré humidifier les fibres avec 10% de la quantité d’eau de gâchage totale, avant de les mélanger avec les granulats et 30% de l’eau, puis d’ajouter en fin de malaxage le ciment et le reste d’eau. La mise en place s’effectue par des moyens conventionnels comme la vibration interne ou externe ;
Chapitre 2
- une deuxième méthode qui consiste à mélanger les fibres préalablement saturées en eau avec le ciment et les granulats ainsi qu’une très faible quantité d’eau. La mise en forme de ce mélange très sec est alors obtenue par compactage. Cette méthode permet d’incorporer une quantité très importante de fibres (10 fois plus que pour le malaxage humide) mais elle nécessite un dispositif de compactage et est donc réservée à des applications industrielles ou semi industrielles.
Les travaux dont nous présenterons les résultats utilisent tous une méthode de malaxage par voie humide. L’utilisation de béton renforcé par des fibres végétales brutes est jusqu’à présent limitée pour des applications structurales. En revanche, des applications prometteuses sont envisagées sous forme de plaques ou de panneaux, en couverture intérieure ou extérieure sur une structure porteuse pour la réalisation de logements préfabriqués à bas prix. Dans plusieurs pays d’Afrique, les bétons de fibres végétales sont également utilisés depuis les années 80 pour la réalisation de plaques ondulées de toiture, de canalisations, de réservoirs ou encore de silos (M.A. Aziz, 1984).
2.1.4. Les différentes fibres végétales couramment utilisées 2.1.4.1. La gousse de mil
La gousse de mil est un déchet agricole disponible en abondance sur tout le territoire, notamment dans les zones agro-pastorales. Elle est de faible densité et son incorporation dans les briques de terre a pour but d’obtenir un matériau plus léger et meilleur isolant thermique que la brique de terre comprimée. Les photos de la figure 5 donnent un aperçu à l’aspect de la gousse de mil dans la nature. En effet, c’est sa grande disponibilité qui fait d’elle un produit très utilisé dans le passé en milieu rural. A l’approche de l’hivernage, elle est souvent brûlée car certaines inclusions renfermant des graines qui repoussent dès les premières pluies. La gousse mil se présente sous forme d’inclusions comme défini dans la théorie de Maxwell.
Cela permet d’envisager d’une façon relativement simple la modélisation des matériaux composites dont il est constitutif en partie. (BAL, 2011)
Chapitre 2
Photo 2. 1: Aspect naturel de la gousse de mil 2.1.4.2. La paille
La paille est un composé naturel utilisée dans le domaine de la construction entre deux ossatures comme le montre la photo 2.2. Elle est ensuite recouverte d’un enduit pour la protéger de la pluie. C’est un produit assez léger, car sa masse volumique tourne oscille entre 80 kg.m-
3 et 100 kg.m-3. Mises à part quelques techniques, la paille ne joue aucun rôle structurel mais uniquement d’isolation. Plusieurs essais ont montré qu’elle s'avère être un très bon isolant, à la fois économique et naturel, permettant d'obtenir une résistance thermique globale Rth compris entre 4 K.W-1.m-2 et 6 K.W-1.m-2, soit l'équivalent de 20 cm de laine de verre. La seule difficulté qui s’opposerait à son acceptabilité serait son inflammabilité (BAL, 2011).
Photo 2. 2 : Mise en œuvre des cloisons en paille sur un chantier 2.1.4.3. Balles de riz
Les balles de riz non broyées sont des enveloppes de grains de riz à l’état brut. Au Sénégal, sa culture se pratique essentiellement au nord de la vallée du fleuve Sénégal et au sud, plus particulièrement en Casamance. L’observation au microscope électronique à balayage des cendres de balles de riz non broyées a montré la nature poreuse de cet élément (Diallo A., 2002);
(Sow D., 2008) . Leur faible densité leur confère sans doute une faible conductivité thermique.
Chapitre 2
C’est pour cette raison que ce matériau entre désormais dans la confection du béton dans le cadre de sa revalorisation. (BAL, 2011)
Après une longue période de désintéressement, la revalorisation de ce résidu agricole suscite un regain d’intérêt. Des études sont en train d’être menées en vue d’utiliser les cendres issues de l’incinération des balles de riz dans le secteur agricole comme engrais.
De nos jours, certaines sociétés productrices d’électricité ont tendance à convertir leur central fuel en charbon et à s’intéresser à ces formes de combustibles. C’est ainsi qu’elles sont utilisées comme complément de combustible par la SONACOS (Société Nationale de Commercialisation des Oléagineux du Sénégal) et la CSS (Compagnie Sucrière du Sénégal) en fait de même mais avec les résidus de la canne à sucre (BAL, 2011).
2.1.4.4. Les coques d’arachides
On retrouve essentiellement les coques d’arachides comme déchets dans les huileries basées respectivement à Dakar (Sonacos) et à Kaolack (Sonacos et Novasen). C’est un produit léger qui pourrait être un bon isolant thermique, photo 2.3. Leur rejet dans la nature a créé de graves problèmes d’érosion du tapis herbacé. C’est dans cette polémique entre les services du ministère de l’environnement et des industriels qu’on a observé la particularité des blocs de déchet. Ces derniers présentaient un aspect solide et léger tel des gravats de ciment au point que les deux parties ont songé à une étude de quelques échantillons par les structures de recherche comme le CERREQ et l’ESP afin d’envisager leur utilisation éventuelle dans des constructions.
Dans un autre registre, pour des besoins énergétiques tout en luttant contre la déforestation et la désertification au Sénégal, la société Carbosen a mis en place un système de production de charbon à base de coques d'arachide. Cette dernière perspective amoindrit sa possibilité d’être utilisée comme matériau de construction.
Photo 2. 3: Coque d’arachide stockée dans le site de Sing-Sing près de Kaolack
Chapitre 2
2.1.4.5. La sciure de bois
La sciure de bois est un résidu résultant de la transformation du bois. La photo 2.4 donne un aperçu de son aspect à l’état naturel. La densité du bois est généralement inférieure à 1 (car le bois flotte) en raison des vides dans sa structure. Cette densité varie fortement selon un certain nombre de paramètres : l'essence, son degré d'humidité, la situation géographique et son climat, la situation du prélèvement dans l'arbre.
On exprime cette densité normalement pour un taux d'humidité égal à 15 % (la moyenne est entre l'état anhydre et l'état de saturation). La densité à 15 % se situe généralement entre 0,5 et 0,7, mais peut varier considérablement, de 0,1 pour le balsa, 0,4 pour les bois légers comme le sapin et de 0,8 à 1 pour les bois durs (if, teck, olivier) (BAL, 2011). Selon (Meukam, 2004) , la conductivité thermique de la sciure de bois se situe entre 0,06 W.m-1 .K-1 et 0,07 W.m-1 .K-1 tandis que sa masse volumique oscille entre 1000 kg.m-3 à 1200 kg.m-3. Ceci montre que la conductivité thermique du bois et de ses dérivés est relativement faible.
On peut trouver le bois essentiellement dans les parties forestières de l’Afrique équatoriale et en particulier dans le sud du Sénégal. Son exploitation est depuis un moment très réglementée pour des raisons de déforestation. La faible quantité de sciure de bois produite est destinée à d’autres applications. Les petites unités de transformation de bois produisant la sciure n’existent pratiquement pas en milieu rural.
Photo 2. 4: Aspect naturel de la sciure de bois 2.1.4.6. Le tronc de palmier et de cocotier
Une étude portant sur l’utilisation des matériaux locaux faite au Nigeria par (Kalawolé, 1995) a montré que le tronc de palmier ou de cocotier peut être utilisé comme isolant dans le bâtiment. En effet, la composition des fibres de palmier est très différente des autres bois de
Chapitre 2
construction. Pour cette raison il offre des propriétés thermiques différentes de la plupart des essences de bois.
2.2. Béton de fibres végétales.
2.2.1. Gros plan sur les bétons fibrés en général Définition :
Un composite fibré est un matériau constitué d’un ensemble de fibres résistantes noyées dans une matrice dont les propriétés mécaniques sont nettement plus faibles. Les fibres jouent le rôle de renfort tandis que la matrice assure la cohésion du composite et le transfert des efforts aux fibres (Camille, 2010). A la différence des armatures traditionnelles, les fibres sont réparties dans la masse du béton et permettent de constituer un matériau qui présente un comportement plus homogène. Les fibres selon leur nature ont un comportement contrainte-déformation très différent. Elles peuvent, sous certaines conditions et pour certaines applications ou procédés, remplacer les armatures traditionnelles passives. Les bétons fibrés font l’objet de méthodes spécifiques de dimensionnement pour les applications structurelles (dalles, dallage industriels, voussoirs, pieux, etc.). Des méthodes d’optimisation de leur formulation ont été spécialement développées (CIMBETON, 2006)
2.2.2. Rôle des fibres dans le béton :
Le béton renforcé de fibres est un matériau composite dont les propriétés sont fonction des caractéristiques des fibres, de la qualité de la matrice cimentaire et des autres composants éventuels (autres granulats, fluidifiants, etc.). L’ajout de fibres est destiné à assurer la pérennité de l’ouvrage en s’opposant à l’apparition, la propagation et l’élargissement des fissures dans le béton. En effet, le béton ordinaire est connu pour sa résistance quasi – nulle à la traction : la fissuration y est souvent très préjudiciable à la stabilité de la structure et il n’existe aucune maîtrise de l’évolution de ce phénomène dans le matériau. Par contre la présence des fibres a tendance à assurer une couture des microfissures apparaissant dans le béton ainsi que l’indique la figure 2.3 ci – après.
Chapitre 2
Figure 2. 3 : Rôle des fibres dans le béton 2.2.3. Atouts du béton fibré
Cette fonction des fibres dans le béton confère aux bétons fibrés des caractéristiques intrinsèques représentant des atouts non négligeables. Au nombre de ces caractéristiques, nous pouvons énumérer :
- la maîtrise de la fissuration : avec l’action des fibres, la rupture même si elle est atteinte, n’est plus brutale. On peut donc déterminer des moments de fissuration ou de rupture permettant l’approche de dimensionnement des ouvrages en maîtrisant les risques de fissurations et de rupture (Nardjes, 2005) ;
- un renforcement multidirectionnel et homogène : sous l’effet de la répartition homogèné des fibres, le béton fibré présente, sauf dans certains cas exceptionnels, les mêmes propriétés mécaniques dans toutes les directions (Nardjes, 2005) (CIMBETON, 2006) . Ce qui est loin d’être le cas du béton armé ordinaire où les armatures ne travaillent que dans une direction privilégiée et dans une zone bien précise (souvent la fibre inférieure en flexion simple) ;
- une facilité et rapidité de mise en œuvre : contrairement au béton armé, la mise en œuvre des bétons fibrés ne nécessite pas une pose préalable de ferraillage couteuse en ressources humaines et en temps (Nardjes, 2005). Elle ne fait appel à aucune technique particulière et peut se réaliser par coulage, pompage, moulage ou projection ;
- un remplacement partiel ou total des armatures passives : avec des dispositions adéquates, les bétons de fibres peuvent présenter des résistances très élevées rendant de ce fait inutiles l’incorporation de barres d’acier dans le matériau. Cet avantage est très important puisqu’il peut influencer considérablement le coût des constructions.
Selon les fibres utilisées, ces fonctions se traduisent par une amélioration significative des
Chapitre 2
propriétés du béton relative à :
La cohésion du béton frais ;
La déformabilité avant rupture ;
La résistance à la traction par flexion ;
La ductilité et la résistance post fissuration ;
La résistance aux chocs ;
La résistance à la fatigue ;
La résistance à l’usure ;
La résistance mécanique du béton au jeune âge ;
La réduction des conséquences du retrait par effet de couture des microfissures ;
La tenue au feu ;
La résistance à l’abrasion.
2.2.2. Domaines d’application des bétons fibrés
Les performances optimales des bétons fibrés ne sont atteintes que lorsqu’on choisit le bon type, la longueur adéquate et le dosage convenable de fibres. Le tableau ci-dessous résume les conditions d’utilisation de certaines fibres bien connues.
Tableau 2. 1 : Application des bétons fibrés (NADIA, 2010)
Applications Intérêt apporté par l’adjonction de fibres Canalisation et coque mince faiblement
sollicitées
-Amélioration de la tenue des pièces aux jeunes âges.
-Modification des variations dimensionnelles, lutte contre les fissurations
Dallage, chaussées en béton, dallage manufacturés, et tous éléments structurés et tous éléments structuraux soumis à la flexion
- Diminution de 40%de l’ouverture des fissures
- Augmentation de la rigidité après fissuration
- Augmentation de la résistance au cisaillement
- Augmentation de la résistance à l’usure
Chapitre 2
Eléments structuraux soumis à la compression (poteaux, pieux, fondations…etc.).
- Amélioration de la charge ultime - Pas de rupture catastrophique
Structures soumises à des sollicitations pulsionnelles. Exemple : piste d’aéroport
- L’énergie absorbée est plus importante - La durée de choc est augmentée
- La loi de comportement du matériau est fortement modifiée
Réparation des revêtements routiers, tablier de ponts
- Amélioration de la résistance aux chocs, - Amélioration de la déformation
Parties exposées aux fortes variations de températures et même aux hautes températures
- Remplacement avec succès du revêtement réfractaire,
- Diminution du coût de réparation des éléments réfractaires
Stabilisation des parois rocheuses, les talus, les tunnels, les galeries souterrains
- Evite le travail de fixation du grillage ordinairement employé,
- Diminution du coût de réparation des stabilisations des parois rocheuses et les talus.
Fabrication des pieux, revêtement ignifuges isolants (construction navale).
Panneaux de revêtement de façade…etc.
- Augmentation de la résistance aux chocs - Augmentation de la résistance à l’usure - Augmentation de la durabilité de
revêtement
2.3.
Généralité sur les outils et méthodes de métrologie thermique.Nous présenterons brièvement dans ce paragraphe, les méthodes de mesure en thermique.
Il s’agit aussi bien des méthodes en régime permanent, que celles en régime variable.
2.3.1. Les méthodes de mesure en régime permanent
Méthode des boîtes
Elle permet de déterminer la conductivité thermique en régime permanent et est couramment utilisée pour caractériser les matériaux de construction.
Chapitre 2
Figure 2. 4 : Dispositif de mesure de la conductivité thermique par la méthode des boîtes
La conductivité thermique est alors donnée par :
e : échantillon de l’épaisseur, S : surface d’échange, T b : température de la boîte, Ta : température ambiante, les températures Tc et Tf, U tension aux bornes de la résistance chauffante R
Cette méthode est simple à réaliser mais la durée de mise en œuvre des tests avec cette méthode est assez longue (Meukam, 2004).
Méthode par comparaison
La méthode par comparaison permet de déterminer la conductivité thermique des matériaux. Elle a été utilisée au Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Appliquées (LEMA). Le dispositif expérimental est le suivant :
Chapitre 2
Figure 2. 5: Dispositif de mesure de la méthode des comparaisons
Plaque chauffante (1), échantillon de plexiglas (2’), échangeur de chaleur à circulation d’eau (3) éprouvette à tester (2), thermocouples (4), centrale d’acquisition et de traitement de données (5, 6), bain thermostaté(7).
On obtient une densité de flux constante : La conductivité est donnée par la relation :
Cette méthode est facile à mettre en œuvre. Cependant, les thermocouples utilisés pour les mesures de température étant introduits dans les échantillons par des trous, le matériau peut être rendu non homogène à certains endroits et cela peut aussi créer des résistances de contact. De plus, cette méthode est utilisée si l’hypothèse du transfert 1D est vérifiée au centre de l’échantillon d’épaisseur faible devant les dimensions transversales.
Chapitre 2
Méthode de la plaque chaude gardée
C’est une méthode de mesure stationnaire de la conductivité thermique des matériaux isolants. Son schéma de principe est le suivant :
Figure 2. 6 : Schéma du principe de la méthode de la plaque chaude gardée
Une plaque chauffante délivre une puissance de chauffe φ0 constante et uniforme, transmise aux plaques extérieures à travers les échantillons placés de part et d’autre de la plaque chauffante. On s’assure que tout le flux 𝜑0 passe à travers l’échantillon. Le flux 𝜑1
est supérieur au flux 𝜑0 pour compenser les pertes latérales convectives. Des thermocouples sont placés sur les deux faces de chaque échantillon pour mesurer les écarts de température ΔT1
et ΔT2
La conductivité thermique s’exprime par :
Elle est utilisée pour caractériser tous types d’isolant dans la gamme de température de 20°C à 500°C et a fait l’objet d’une normalisation ISO 8302 :1991, NF EN 1946-2. Sa mise en œuvre est délicate (Degiovanni, 1994). Elle n’est pas adaptée aux matériaux ayant des aspérités.
Méthode de la barre
Elle consiste à choisir un échantillon de grande épaisseur devant les dimensions transversales sans négliger les pertes latérales. Plusieurs mesures de la température sont nécessaires ainsi que la connaissance du flux de chaleur sur une section de la barre. Ces données étant difficiles à connaître, on procède en général par comparaison en associant deux
Chapitre 2
des matériaux s’apparente à celle d’une barre. Ainsi, le modèle décrivant le transfert thermique au sein de ce type de milieu se ramène au cas de l’ailette, en régime permanent, soit :
Figure 2. 7 : Schéma du principe de la méthode de la barre (Cardinali, 2011)
h coefficient de convection, P périmètre de l’ailette, S section de l’ailette et Te température extérieure.
Cette méthode est très adaptée pour les bons conducteurs comme l’argent, le cuivre, l’or,…. Elle n’est plus employée de nos jours car elle est difficile à mettre en œuvre, tant sur le plan expérimental que sur le plan théorique.
Méthode de la mini-plaque chaude
Elle permet la mesure de la conductivité thermique des matériaux isolants ou faiblement conducteurs, avec une conductivité thermique allant de 0.025 à 5 W.m -1.K-1 ainsi que la résistance thermique des systèmes hétérogènes de 2.10-1 à 10-3 m².K.W-1
Chapitre 2
Figure 2. 8: Schéma du principe de la méthode de la mini- plaque chaude ( Felix,2011) T1 : température imposée dans une plaque métallique isotherme, T∞ : température
ambiante, U tension appliquée à l’élément chauffant de façon à rendre la température T2
des blocs métalliques supérieurs, égale à la température de l’air ambiant T∞.
Le but de la méthode est d’évaluer la résistance thermique entre les surfaces isothermes de température T1 et T2. La conductivité thermique se déduit alors si les résistances de contact sont négligeables devant celle de l’échantillon par :
La valeur Φ2 du flux traversant l’échantillon est déduite de la mesure du flux Φ1 et du flux net dissipé par l’élément chauffant de résistance électrique 𝑅Ω par effet joule :
Cette méthode est simple d’utilisation et l’appareillage ne nécessite que de petits échantillons (40mm x 40 mm et de 1 à 30 mm d’épaisseur). Néanmoins, le temps de mise en œuvre est long.
Chapitre 2
2.3.2. Les méthodes de mesure en régime variables
Méthode du régime régulier
La méthode du régime régulier permet de déterminer la diffusivité thermique des matériaux. En considérant que : le transfert est tri directionnel ; l’échantillon représente un milieu homogène anisotrope ; les échanges de chaleur entre le fluide et les surfaces extérieures de l’échantillon obéissent à la loi de Fourier ; à l’instant initial, la température de l’échantillon est uniforme et supposée être celle du régime permanent, l’équation de transfert de chaleur dans un milieu anisotrope tel que le bois est :
𝑢= (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) − 𝑇𝑓, est la différence entre la température instantanée de l’échantillon et celle du bain thermostaté.
Figure 2. 9 : Dispositif expérimental de méthode du régime régulier
La diffusivité se calcule, pour les échantillons de forme parallélépipédique, par la formule :
Chapitre 2
Avec m la pente de la droite obtenue par une régression linéaire à partir des points expérimentaux dans le domaine du régime régulier, soit :
Des travaux antérieurs ont permis de conclure que la diffusivité thermique des matériaux pouvait être obtenue assez rapidement avec une précision acceptable en utilisant cette méthode (Vianou, 1994). Par contre, les incertitudes liées à cette méthode sont diverses ce qui rend l’exploitation des résultats un peu plus difficile.
On ne peut connaitre exactement le temps associé à l’apparition du régime régulier. Lorsque l’étanchéité n’est pas correctement assurée, les propriétés thermiques mesurées pourraient varier avec la teneur en eau de l’échantillon.
Méthode flash
Cette méthode permet d’estimer la diffusivité thermique des solides. On envoie sur l’une des faces d’un échantillon à faces parallèles un flux lumineux de forte puissance pendant un temps court. Un thermocouple en contact avec la face arrière permet d’enregistrer l’élévation de sa température à partir du moment où la face avant a reçu le flash.
Figure 2. 10 : Schéma du principe de la méthode flash ( TANOH, 2011) Ce dispositif permet d’obtenir un temps de réponse très court favorisant son utilisation pour caractériser les matériaux à diffusivité thermique élevée ou peu épais. On peut également utiliser une caméra infra-rouge moins précise mais qui permet d’obtenir un champ de température.
Chapitre 2
Dans le cas d’un milieu poreux, le flash envoyé n’est pas absorbé intégralement au niveau de la surface. La caractérisation de matériaux hétérogènes nécessite des échantillons assez épais pour être représentatifs et dans ce cas le temps de montée de la température sur la face arrière devient très long et l’amplitude du signal devient très faible.
Méthode du ruban chaud
La méthode du ruban chaud utilise une technique qui permet de mesurer la conductivité et l’effusivité thermique d’un matériau en régime transitoire.
Dans cette méthode, on a un dispositif dans lequel une résistance électrique plate de surface rectangulaire est insérée entre deux échantillons du matériau à caractériser (Figure 2.11).
Le schéma du montage est le suivant :
Figure 2. 11: Méthode du ruban chaud, en configuration symétrique, avec une mesure de la température locale ou moyenne.
On aboutit à l’expression de la température de la soude :
𝐿𝑟 Longueur du ruban, 𝐶 Constante, 𝑅𝑐 Résistance de contact
