ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI
Thème :
PERFORMANCES MECANIQUES DES BETONS A BASE DE COQUES DE NOIX DE PALMISTES DU SUD BENIN
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI
DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL
OPTION : BATIMENT ET TRAVAUX PUBLICS Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme
D’INGENIEUR DE CONCEPTION
Soutenue le 08 Décembre 2015 devant le Jury composé de:
Président Professeur Victor GBAGUIDI Enseignant à l’EPAC
Membres Professeur Mohamed GIGIGAYE Enseignant à l’EPAC
Docteur Valéry DOKO Enseignant à l’EPAC Ingénieur Arsène B. SOGLO Membre extérieur
Présenté par :
Reine Ahouéfa KATTE
Sommaire
Sommaire ... ii
Dédicaces ... iv
Remerciements ... v
Résumé ... viii
Abstract ... ix
Liste des tableaux ... x
Liste des figures ... xi
Liste des photos ... xiii
Liste des sigles et abréviations ... xiv
Liste des notations ... xv
Liste des annexes ... xvi
Contexte ... 3
Justification ... 3
Objectifs ... 4
Chapitre 1: Généralités et synthèse bibliographique ... 6
1.1 Généralités ... 7
1.1.1 Le béton lourd ... 7
1.1.2 Le béton normal ... 7
1.1.3 Le béton léger ... 7
1.1.4 Propriétés des granulats légers pour le béton de structure 13 1.1.5 Les granulats de coques de noix de palmistes ... 20
1.1.6 Propriétés des bétons de granulats légers pour structure ... 24
Sommaire
1.2 Synthèse bibliographique ... 33
Chapitre 2: Présentation de la filière et du milieu d’étude ... 38
2.1 Présentation de la filière ... 39
2.1.1 Historique ... 39
2.1.2 L’arbre palmier à huile ... 40
2.1.3 Usages du palmier à huile ... 42
2.1.4 Le Bénin et la filière palmier à huile ... 44
2.2 Présentation de la zone d’étude ... 50
2.2.1 Relief ... 50
2.2.2 Climat et régime hydrique ... 51
2.2.3 Réseau hydrographique du Sud-Bénin ... 51
2.2.4 Géomorphologie et type de sols ... 51
Chapitre 3: Matériaux, Matériels et méthodes ... 53
3.1 Matériaux entrant dans la confection du béton ... 54
3.1.1 Le ciment ... 54
3.1.2 L’eau ... 54
3.1.3 Le sable ... 55
3.1.4 Les coques de noix de palmistes ... 60
3.2 Mise au point du béton ... 65
3.2.1 Etude du traitement ... 65
3.2.2 Méthode des volumes absolus ... 66
3.3 Essais de caractérisation du béton léger de coques de noix de palmistes ... 69
3.3.1 Essais réalisés sur le béton frais ... 69
3.3.2 Essais réalisés sur le béton durci ... 70
Chapitre 4: Résultats et discussions ... 72
4.1 Traitement des coques de noix de palmistes ... 73
4.1.1 Impact du traitement sur les caractéristiques physiques ... 73
4.1.2 Impact du traitement sur les caractéristiques mécaniques . 74 4.2 Etude de la variation du rapport Q/S ... 76
4.2.1 Résistance en compression ... 76
4.2.2 Masse volumique ... 80
4.2.3 Ouvrabilité ... 83
Conclusion ... 86
Bibliographie ... 88
Annexe ... 99
Table des matières ... 108
Dédicaces
A toutes les personnes qui me sont chères et que j’ai perdues en particulier à feu Eustache ALODEHOU pour avoir semé en moi la passion du métier et la confiance en soi.
Dédicaces
© Reine Ahouefa K.,
Remerciements
A DIEU trois fois Saint pour qui nos mots d’amour, de louange, d’adoration et de sanctification sont insuffisants devant sa grandeur.
Ce document a connu son achèvement grâce à la contribution, à l’intelligence, à l’expertise, au soutien et à la collaboration de toutes les personnes à qui j’exprime ici ma gratitude. Je veux citer :
A mes parents, Mêtodé SAKPONOU épouse KATTE et Kanlinhoué KATTE, pour les bénédictions, les conseils, le soutien moral et financier ainsi que pour avoir été des parents irréprochables et les meilleurs amis que la vie ne m’ait jamais donné.
Au Dr Abdoulaye S. GOUNOU, merci pour avoir été un parrain irréprochable.
A M. Léandre HOUAGA, pour le soutien moral.
Aux familles ALOFA, SEGBENOU, ADEOTI et DEGBEY qui m’ont accueilli dans leurs maisons, m’ont prodigué des conseils et contribué à mon épanouissement.
☺
Au Pr. Mohamed GIBIGAYE, mon maitre de mémoire pour m’avoir encadré durant ce travail. Ce document n’aurait pas pu trouver son achèvement sans ses précieux conseils, son grand esprit d’écoute, sa courtoisie et son soutien intellectuel et matériel.☺
A Ing. Gildas GODONOU, mon encadreur pour son soutien indéfectible, ce mémoire n’est que la conséquence de ses conseils, de son suivi et de la valeur qu’il a su accorder à ce travail.Remerciements
☺
Au Dr Valéry DOKO, dont l’intelligence et l’expérience m’ont été d’un grand soutien.☺
Au Pr. TCHEOUHALI pour les conseils prompts et avisés.☺
A M. Cyprien LAADE pour les conseils et le soutien.☺
Au Pr. Martin P. AïNA, qui au-delà du rôle de professeur a tout aussi joué le rôle de père en me rappelant le plus souvent que possible : « ma fifille, cherche un diplôme avec du contenu ».☺
Au Dr. Jean Gossou HOUINOU, Chef du département de Génie Civil, merci pour vos « tout est grâce », j’y ai trouvé la force nécessaire pour avancer devant les difficultés.☺
Au Dr. Ezéchiel ALLOBA, qui a suivi mes pas depuis mon insertion dans le milieu universitaire jusqu’à ce jour. Merci infiniment.☺
Au Dr. Arnaud ZANNOU, merci pour le soutien indéfectible. Au Pr. Félicien AVLESSI, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey Calavi
Au Pr. Clément BONOU, Directeur adjoint de l’Ecole Polytechnique d’Abomey Calavi.
Au Pr. Edmond ADJOVI, Professeur titulaire des Universités, Directeur de l’ESTBR d’Abomey
Au Pr. Aïssè Gérard GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités, spécialiste en matériaux de construction, Directeur de VERECHAGUINE A.K.
Au Pr. Victor S. GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités
Au Pr. François de Paule CODO, Maître de conférences des Universités
Au Pr. Emmanuel OLODO, Maître de conférences des Universités
Au Dr. Mathias SAVY, Maître assistant des Universités
Au Dr. Léopold DEGBEGNON, Maître assistant des Universités
Au Dr. Agathe HOUINOU, Maître assistant des Universités
Au Dr. Taofic BACHAROU, Maître assistant des Universités
Au Dr. Architecte Noël DIOGO, Enseignant à l’EPAC
Au Dr. Crespin ZEVOUNOU, Enseignant à l’EPAC
Au Dr. Tonalémi Epiphane WANKPO, Enseignant à l’EPAC
Au Dr. Luc Codjo ZINSOU, Enseignant à l’EPAC
Au Dr. Gédéon CHAFFA, Enseignant à l’EPAC
A Ing. Prosper ZOHOUNGBOGBO, Enseignant à l’EPAC
A Ing. Maximin d’ALMEIDA, Enseignant à l’EPAC
Au Dr. Alphonse QUENUM, Maître assistant des Universités
Au personnel du LERGC-SA.
A mes aînés : Ing. Arsène B. SOGLO, Ing. Lewis ALLE, Ing. Clément LABINTAN pour l’encadrement.
A mon groupe de recherche dont les remarques, suggestions et la solidarité ont amélioré le travail. Merci à Christian ANAGO, Christian ADADJA, Malwane SEYDOU, Joël KOTI.
A mes amis Faridath ADEOTI, Samson CODO, Tranquilin N’TCHA, Eric DEGBOE, Joris FAGBEMIRO, Prosper TOVISSOU.
A la huitième promotion, avec qui j’ai partagé des moments de bonheur comme de peine en particulier : Herman CAKPO, Mounirou SALIFOU, Julien GBECHI, Lorraine AWHANGBO, Alexandre YABA, Jacques OUSSOU-KICHO, Ulrich SAGBOHAN et Hospice ADJAÏ.
Résumé
La production de béton léger à partir des résidus agricoles semble être une solution non négligeable aux problèmes posés par l’industrie de la construction. En effet, les matériaux utilisés depuis toujours sont des matériaux non renouvelables. De plus, la dynamique de la recherche autour du remplacement de ceux-ci par des résidus agricoles notamment les coques de noix de palmistes présentent des avancées intéressantes.
La présente étude vise à proposer une meilleure valorisation des coques de noix de palmistes que ce qui en est fait actuellement à partir de l’amélioration des performances mécaniques notamment la résistance en compression. La formulation proposée se base sur la méthode des volumes absolus et l’amélioration de cette caractéristique a été étudiée à partir de la variation de la proportion de granulats et l’étude du traitement superficiel des coques.
Les conclusions de cette étude ont permis d’améliorer la connexion granulats-pâte cimentaire à partir d’un traitement à la solution de potasse et de proposer une formulation pour obtenir du béton léger de structure de résistance 18,63 MPa avec une masse volumique de 1820 kg/m3. Par ailleurs, cette étude a également permis de relever qu’à partir de 500 kg/m3 de ciment dans le mélange, les coques ne jouent plus le rôle du système solide du mélange.
Mots clés : Coques de noix de palmistes, Valorisation, Béton de structure, Masse volumique, Performances mécaniques
Résumé
Abstract
Production of lightweight concrete from agricultural residues seems to be a significant solution to the problems posed by the construction industry. Indeed, the materials used are always non- renewable. In addition, the dynamics of research about the replacement of such materials by agricultural residues including palm kernel shells have made interesting advances.
This study aims at providing a better valorisation of palm kernel shells than what is currently done by improving mechanical performance especially compressive strength. The proposed formulation is based on the absolute volume method and the improvement of its characteristics has been studied through variation in the proportion of aggregates and the study of surface treatment of shells.
The findings of this study have improved the cement paste- aggregate connection from treatment with potassium hydroxide solution and propose a formulation to obtain lightweight structural concrete with a resistance of 18.63 MPa and a density of 1820 kg/m3. It also has identified that from 500 kg/m3 of cement in the mixture, the shells no longer play the role of the mix’s frame.
Keywords: Palm kernel shells, Valorisation, Structural concrete, density, mechanical performance
Abstract
Liste des tableaux
Tableau 1.1 : Classification du béton léger selon la masse volumique d’après la norme SN EN 206-1 (Holcim SA, 2013) ... 8 Tableau 1.2 : Propriétés élastiques des granulats d’argile expansée et de pierre ponce (MULLER, 1979) ; (MORIN, 1976)... 19 Tableau 1.3 : Formulations recommandées par Mannan et Ganapathy ( Mannan et al., 2001) ... 35 Tableau 3.1 : Composition chimique du ciment (source : Laboratoire NOCIBE) ... 54 Tableau 3.2 : Caractéristiques physiques du ciment (source : Laboratoire NOCIBE)... 54 Tableau 3.3 : Caractéristiques mécaniques du ciment (source : Laboratoire NOCIBE)... 54 Tableau 3.4 : Caractéristiques des matériaux utilisés par Mannan et Katte ... 66
Liste des tableaux
Liste des figures
Figure 1-1 : Vue agrandie des vides dans le béton cellulaire (Cox, 2005) ... 9 Figure 1-2 : Représentation schématique du béton caverneux (SHORT, et al., 1968) ... 10 Figure 1-3 : Représentation schématique du béton de granulat léger (SHORT, et al., 1968) ... 11 Figure 1-4 : Etats d’humidité d’un granulat (211, 2004) ... 16 Figure 1-5 : Courbe d’hydratation des mélanges témoin et ciment- coques ... 23 Figure 1-6 : Interface pâte-granulats et mécanismes d’interaction identifiés (GJORV, et al., 1990) ... 27 Figure 1-7 : Résistance sur prisme en compression à 28 jours (MPa) en fonction de (ARNOULD, et al., 1986) ... 31 Figure 2-1 : La zone palmier à huile au Bénin (MAEP, 2014) ... 50 Figure 3-1 : Courbe représentative des résultats de l’analyse granulométrique sur le sable ... 55 Figure 3-2 : Courbe représentative des résultats d’analyse granulométrique sur les coques de noix de palmistes ... 62 Figure 4-1 : Différents taux d’absorption en fonction de la méthode de traitement ... 73 Figure 4-2 : Courbe résistance en compression en fonction du mode de traitement ... 74 Figure 4-3 : Influence du rapport Q/S sur la masse volumique pour un dosage en ciment de 400 kg/m3 ... 80 Figure 4-4 : Influence du rapport Q/S sur la masse volumique pour un
Liste des figures
Figure 4-5 : Influence du rapport Q/S sur la masse volumique pour un dosage en ciment 500 kg/m3 ... 81 Figure 4-6 : Influence du rapport Q/S sur la masse volumique pour un dosage en ciment 550 kg/m3 ... 82 Figure 4-7 : Evolution de la résistance en compression en fonction du rapport Q/S pour un dosage en ciment de 400 kg/m3 ... 76 Figure 4-8 : Evolution de la résistance en compression en fonction du rapport Q/S pour un dosage en ciment de 450 kg/m3 ... 77 Figure 4-9 : Evolution de la résistance en compression en fonction du rapport Q/S pour un dosage en ciment de 500 kg/m3 ... 77 Figure 4-10 : Evolution de la résistance en compression en fonction du rapport Q/S pour un dosage en ciment de 550 kg/m3 ... 78
Liste des photos
Photo 1.1 : Quelques granulats légers naturels ; de gauche à droite : Coques de noix de palmiste (Kim, et al., 2015), Pierre ponce et Laitier volcanique (KE, 2008) ... 14 Photo 1.2 : Quelques granulats légers artificiels ; de gauche à droite : Argile expansée, Cendres volantes (KE, 2008) ... 14 Photo 1.3 : Mode traditionnel de séparation des coques et de l’amande de la noix de palmistes (Godonou, 2014) ... 20 Photo 1.4 : Machine écrasant les noix de palmistes (Godonou, 2014) 20 Photo 1.5: Coques de noix de palmistes débarrassées de tous déchets (Godonou, 2014) ... 21 Photo 1.6 : Déchets obtenus après tamisage (Godonou, 2014) ... 21 Photo 1.7 : Chainage vertical en béton de coques de noix de palmistes pour un bâtiment R+1 (Godonou, 2014) ... 24 Photo 2.1 : Méthode d’extraction par torsadage (MAEP, 2014) ... 47 Photo 2.2 : Méthode d’extraction par le foulage (MAEP, 2012) ... 47
Liste des photos
Liste des sigles et abréviations
ACI: American Concrete Institute
ASTM: American Society for Testing and Material
CIRAD: Centre International de Recherche Agricole et de Développement
CNP: Coques de Noix de Palmistes CO2: Dioxyde de carbone
Dr: Docteur
FCFA: Franc des Colonies Françaises d’Afrique
INSAE: Institut National de Statistique et de l’Analyse Economique Ir: Ingénieur
MAEP : Ministère de l’Agriculture, de l’Elevage et de la Pêche MPa : Mégapascal
NOCIBE: Nouvelle Cimenterie du Bénin
OBRGM: Office Béninoise de Recherches Géologiques et Minières ODD: Objectifs de Développement Durable
OMD: Objectifs du Millénaire pour le développement Pr: Professeur
Liste des sigles et abréviations
Liste des notations
CPJ ou CEM II : ciment portland avec ajout CPA ou CEM I : ciment portland artificiel E/C : rapport eau sur ciment
fcj : résistance à la compression à j jours d’âge ha : hectare
Q/S : rapport coques sur sable T : tonne
: Masse volumique
Liste des notations
Liste des annexes
Annexe A.3. 1 : Résultats de l’analyse granulométrique sur le sable ... 99 Annexe A.3. 2 : Classification des matériaux selon le coefficient d’uniformité (Hazen) (Amey, et al., 2014) ... 99 Annexe A.3. 3 : Résultats de l’équivalent de sable ... 100 Annexe A.3. 4 : Résultats de la détermination de la masse volumique réelle pré-séchée du sable ... 100 Annexe A.3. 5 : Résultats de la détermination de la détermination de la masse volumique en vrac du sable ... 101 Annexe A.3. 6 : Résultats de l’analyse granulométrique sur les coques de noix de palmistes ... 101 Annexe A.3. 7 : Détermination du coefficient d’aplatissement ... 102 Annexe A.3. 8 : Résultat de la détermination de la masse volumique réelle pré-séchée des coques de noix de palmistes ... 102 Annexe A.3. 9 : Résultat de la détermination de la masse volumique en vrac des coques de noix de palmistes ... 103 Annexe A.3. 10 : Valeur d’Equivalent de sable et interprétation (Tcheouhali, 2012) ... 103
Annexe A.4. 1 : Proportions des constituants des différents mélanges ... 104 Annexe A.4. 2 : Valeurs du taux d’absorption ... 105 Annexe A.4. 3 : Résistance en compression sur cube et résistance en flexion en fonction du mode de traitement ... 105 Annexe A.4. 4 : Résistance en compression à 7 jours et à 28 jours en fonction du rapport Q/S ... 106 Annexe A.4. 5 : Masse volumique du béton frais et du béton durci en fonction de l’âge et du rapport Q/S ... 107
Liste des annexes
Introduction
INTRODUCTION
Depuis le début de ce siècle, la dynamique des dirigeants mondiaux est de trouver des solutions efficaces et durables pour les problèmes des communautés. C’est dans cette optique qu’ont été mis en place les objectifs du millénaire pour le développement (OMD).
Quinze années plus tard, l’atteinte de ces objectifs pour l’éradication de la pauvreté et la protection de la planète continue d’être d’actualité et la volonté ferme de les atteindre a été sanctionnée par l’élaboration de dix-sept nouveaux objectifs de développement durable (ODD). Cet ensemble d’objectifs devra permettre aux Etats d’avoir une feuille de route entrant dans la nouvelle vision du monde pour la protection de l’intégrité humaine et de son environnement.
Le Bénin est un des acteurs les plus déterminés dans l’atteinte de ces objectifs avec une volonté politique marquée par la mise en place d’une institution chargée spécialement de l’atteinte de ces objectifs. Il convient de faire remarquer que tous les secteurs d’activités et notamment ceux intervenant de façon systématique dans la vie de la communauté semble les plus intéressants à réformer.
Parmi ces secteurs, l’industrie de la construction se retrouve en pôle position et est d’ailleurs en plein essor. Cet état de chose n’est que la conséquence de la dynamique économique donnée par les politiques actuelles. Malheureusement, des études de l’Office Béninoise de Recherches Géologiques et Minières (OBRGM) de la Direction Générale des Mines ont montré que certains sites d’extraction de matières premières comme le gravier sont pratiquement épuisés laissant ainsi des dommages environnementaux (Dato, et al., 2008). Ces études prouvent que le Bénin ne se trouve pas
en marge des problèmes environnementaux mondiaux qu’essaient de résoudre les OMD et aujourd’hui les ODD.
En outre, le Bénin comme beaucoup d’autres pays en voie de développement, a une économie essentiellement basée sur l’agriculture. En effet, l’agriculture représentait en 2014, 35,9 % du PIB du Bénin (Les echos, 2015) et l’on estimait en 2008 la production annuelle de palmier à huile à 42000 tonnes (MAEP, 2012). Ce secteur en plus de proposer de nombreuses alternatives d’exploitation, s’ouvre depuis plusieurs années à celui de la construction par l’incorporation des coques de noix de palmistes dans la production de bétons légers.
En 2012, GODONOU (Godonou, 2012), dans la continuité des travaux de ACCALOGOUN (Accalogoun, 1995) et AVLESSI (Avlessi, 2011) qui concluait à la possibilité d’utiliser les coques de noix de palmistes dans le béton, a présenté des résistances à la compression variant entre 4 et 11 MPa en considérant une formulation à partir de la méthode de DREUX relative aux granulats légers. Plus tard en 2014, SOH FOTSING (Soh fotsing, 2014) trouvait une résistance de 14 MPa avec des coques traitées à la soude caustique pour une formulation par la méthode des volumes absolus mais avec un dosage en ciment de 600 kg/m3. En 2015, (Godonou, et al., 2015) dans l’objectif de trouver une formulation adéquate pour la production de béton léger de structure à base de CNP, ont également effectué une étude basée sur la méthode des volumes absolues. A travers cette étude le choix de certains rapports notamment le rapport coques sur sable a été fait sur la base des pratiques traditionnelles.
Ces résultats permettent d’envisager l’utilisation du béton de CNP comme béton léger de structure mais laisse un doute quant à l’obtention de résistance acceptable. Un autre défi majeur est l’identification d’une formulation type adaptée aux coques du Bénin et répondant à la volonté de réduire les coûts de mise en œuvre du béton de CNP.
Notre travail consistera à rechercher et à proposer une formulation pour une fabrication traditionnelle réservée aux zones de grande production de palmier à huile et ayant un coût assez avantageux.
1. Contexte
Le Bénin est un pays en voie de développement qui a un indice de pauvreté de 36,2% avec 51 % de sa population qui est rurale (INSAE, 2013). Ces taux justifient de la difficulté d’accès aux logements décents pour la plupart de ces populations. Or, le secteur de la construction par défaut est fortement dépendante des matériaux naturels non renouvelables. Avec l’inflation des prix dû à une raréfaction de ces matériaux, la résolution des problèmes de logement devient presque inévitable.
Par ailleurs, les populations rurales ont pour première activité l’agriculture. Il est donc aisé de déduire que la valorisation des matériaux locaux en particuliers ceux provenant de ce secteur semble une alternative intéressante pour la résolution de ces problèmes.
Depuis plusieurs années, ce domaine est exploré par de nombreux chercheurs pour la production de béton composite à partir de résidus agricoles et de déchets industriels.
Nous nous sommes intéressés aux déchets provenant de l’activité autour du palmier à huile : c’est à dire l’utilisation des coques de noix de palmistes en remplacement total ou partiel des granulats dans le béton classique.
2. Justification
Notre motivation autour de cette recherche couvre trois grands volets que sont : la protection de l’environnement, la construction durable et la réduction de la pauvreté.
Concernant la protection de l’environnement, cette recherche permettra de réduire l’exploitation des ressources qui par ailleurs a de graves conséquences sur le réchauffement climatique et sur les générations futures. En effet, la prospection de ces matériaux nécessite la destruction d’un couvert végétal non négligeable. En outre, l’extraction aussi bien que le transport de ces matériaux nécessite l’utilisation de l’énergie grise dont l’impact néfaste sur l’environnement n’est plus à démontrer avec son fort taux de rejet de CO2. En outre, la disparition progressive et définitive de ces matériaux posera à long terme des problèmes d’ordre éducatif, sociologique et économique aux générations futures.
Par rapport à la construction durable, nous proposons un matériau léger donc qui aura pour vocation de moins solliciter le sol en apportant un poids mort de construction moins élevé. D’autre part, nous anticipons sur les problèmes de logement futur en proposant des matériaux de construction nouveaux, respectueux de l’environnement voir recyclable et réduisant l’utilisation de matériaux non renouvelable.
La réduction de la pauvreté va se faire sentir surtout au niveau des populations rurales qui sont d’ailleurs les plus vulnérables. En effet, ces matériaux vont offrir des solutions de logement à la portée des bourses. La construction de logement économique va permettre la réduction de la précarité des logements donc un impact considérable sur la résolution des problèmes de santé publique courants (paludisme, choléra, fièvre typhoïde etc).
3. Objectifs
L’objectif général visé est l’amélioration des performances mécaniques des bétons légers de coques de noix de palmistes en vue de son utilisation comme béton de structure. De façon plus spécifique, il s’agira :
- De proposer une méthode de traitement pour l’amélioration de l’interface granulat-pâte cimentaire.
- D’évaluer l’impact de la proportion de coques sur les performances du béton de CNP.
- De trouver une formulation acceptable pour une production traditionnelle
Chapitre 1: Généralités et synthèse bibliographique
1
C hapitre
Généralités et synthèse bibliographique
1.1 Généralités ... 7 1.1.1 Le béton lourd ... 7 1.1.2 Le béton normal ... 7 1.1.3 Le béton léger ... 7 1.1.4 Propriétés des granulats légers pour le béton de structure 13 1.1.5 Les granulats de coques de noix de palmistes ... 20 1.1.6 Propriétés des bétons de granulats légers pour structure .. 24 1.2 Synthèse bibliographique ... 33
Sommaire
1.1 Généralités
On définit le béton en trois grandes classes en fonction de leur masse volumique après séchage à l’étuve. Ainsi nous avons le béton lourd, le béton normal et le béton léger.
1.1.1 Le béton lourd
Il a une masse volumique supérieure à 2600 kg/m3 (Holcim SA, 2013). Il est réalisé à base de granulats spéciaux de densité élevée (barytine, magnétite, hématite, plomb…). Les bétons lourds sont excellents pour la réalisation d’ouvrages de protection contre les radiations et autres rayonnements produits. Par exemple dans les accélérateurs et piles atomiques. La protection étant d’autant plus efficace que l’épaisseur est plus grande et la densité du béton plus élevée (DREUX, 1981).
1.1.2 Le béton normal
Il a une masse volumique comprise entre 2000 et 2600 kg/m3 (Holcim SA, 2013). C’est le béton fait à partir des granulats dits courants. Ces derniers sont obtenus par exploitation de gisement de sable et de gravier d’origines diverses (alluvionnaire, terrestre, marine) ou en concassant des roches massives (calcaires ou éruptives). Selon leur origine, on distingue les granulats roulés, extraits de ballastières naturelles ou de dragués en rivières ou en mer, et les granulats concassés obtenus à partir de roches exploités en carrière (DREUX, 1981).
1.1.3 Le béton léger
1.1.3.1 Le béton léger du point de vue de sa constitution
Le béton léger est obtenu par réduction de la masse volumique par rapport à celle du béton courant. La norme SN EN 206-1 considère comme béton léger les bétons dont la masse volumique est comprise
entre 800 et 2000 kg/m3. Elle les classe également en six sous-classes de masse volumique comme définit dans le tableau ci-dessous :
Tableau 1.1 : Classification du béton léger selon la masse volumique d’après la norme SN EN 206-1 (Holcim SA, 2013)
Classe de masse volumique
D1,0 D1,2 D1,4 D1,6 D1,8 D2,0
Plage de masse volumique [kg/m3]
800 1000
1000 1200
1200 1400
1400 1600
1600 1800
1800 2000
La diminution de la masse volumique du béton se fait à partir du remplacement du matériau solide par de l’air. Les trois possibilités pour intégrer de l’air dans le béton sont : par incorporation d’air dans la matrice (béton cellulaire), entre les gros granulats (béton caverneux) et dans les gros granulats (béton de granulats légers).
1.1.3.1.1 Le béton cellulaire
Il est obtenu par introduction d’une quantité plus ou moins importante de vides à partir d’un procédé physique ou chimique lors duquel il y est introduit soit de l’air, soit du gaz. Il est important de faire une différence entre ces vides et les vides obtenus par entrainement d’air. Ce type de béton est également connu comme béton aéré (constructor, 2014). Le procédé d’obtention de ce béton consiste à ajouter à un mélange de sable, de chaux et de ciment, une petite quantité de poudre d’aluminium. L’adjonction de la poudre d’aluminium a pour effet de libérer de l’hydrogène qui fait lever la pâte et donne naissance à des myriades de cellules gorgées d’hydrogène, rapidement chassé sous la pression de l’air ambiant. Les cellules sont de tailles variées et peuvent atteindre jusqu’à 80% du volume total du béton (Cox, 2005). L’obtention d’un béton cellulaire de structure nécessite en général de procéder par une fabrication en usine
car la cure de ce béton se fait par vapeur sous haute pression et doit être contrôlée et étudiée avec minutie. En effet, il est extrêmement important que les vides soit petites, plus ou moins sphériques et répartis de façon homogène dans la masse. Le béton cellulaire a une faible densité, une faible conductivité thermique et une faible résistance. Les cellules de grandes dimensions affaiblissent le béton car contrairement au béton courant dans lequel la contrainte va être transmise au travers des granulats, ce sont ces grandes cellules d’air qui vont recevoir cette contrainte (Doko, 2013).
Figure 1-1 : Vue agrandie des vides dans le béton cellulaire (Cox, 2005)
1.1.3.1.2 Le béton caverneux ou béton sans fine
Un autre procédé d’obtention du béton léger est celui qui consiste à omettre d’intégrer les fines particules qui normalement vont servir à fermer les vides inter-granulaires. Ainsi le béton obtenu est du béton constitué uniquement de gros granulats ce qui va permettre aux vides de se former et de rendre le béton léger. C’est ce qu’on appelle le béton caverneux. Il s’agit donc d’une agglomération des gros granulats avec la pâte cimentaire qui va créer des vides à partir des zones de contacts entre les agglomérés et donc conférer aux bétons sa légèreté mais aussi sa faible résistance. On utilise le béton caverneux pour
exécuter des parties d’ouvrages ou la résistance n’est pas un facteur recherché. Ce béton présente l’avantage d’être économique tant sur le plan des matériaux que sur le plan de la mise en œuvre. (Godonou, 2012)
Figure 1-2 : Représentation schématique du béton caverneux (SHORT, et al., 1968)
1.1.3.1.3 Le béton de granulats légers
Le béton de granulats légers est un béton dans lequel les granulats eux-mêmes possèdent des pores. La fabrication des bétons de granulats légers requiert l’usage d’agrégats d’une masse volumique très faible comparée à celle des granulats usuels. L’utilisation de ce type de béton peut être remonté jusqu’à 3000 ans avant le Christ. Les granulats légers entrant dans la confection du béton sont classés en deux grands groupes : les granulats légers d’origine naturelle et ceux obtenus de façon artificielle. La résistance en compression de ces bétons est d’autant plus faible que la densité est moins élevée. La densité du béton léger de vermiculite par exemple est de 0,5 pour une résistance en compression de 2 à 5 MPa. Il est possible d’obtenir des résistances pouvant atteindre 40MPa avec le béton d’argile ou de schiste expansé de densité 1,7 à 1,9 (Godonou, 2012).
Figure 1-3 : Représentation schématique du béton de granulat léger (SHORT, et al., 1968)
1.1.3.2 Le béton léger du point de vue de la destination
Concernant ce critère de classification, les bétons légers ont été séparés en plusieurs groupes en fonction de la destination.
1.1.3.2.1 Béton léger architectural
Le béton léger architectural est essentiellement utilisé pour le remplissage et la mise en œuvre de panneaux non résistants.
L’Association Canadienne du Ciment Portland (ACCP) le définit comme un béton ayant une résistance à la compression comprise entre 0,7 et 7 MPa et une masse volumique comprise entre 240 et 1440 kg /m3 (Contant, 2000). Contrairement aux différentes méthodes traditionnelles de formulation qui se basent sur la résistance, la conception et la mise en œuvre d’un béton léger architectural vise une légèreté optimale.
1.1.3.2.2 Béton léger de structure
La raison fondamentale qui justifie l’intérêt de l’utilisation du béton léger de structure est la réduction du poids mort de la structure de béton. Le béton léger de structure peut être conçu de telle manière que l’on puisse atteindre les résistances du béton normal. Cette
assertion est également vraie en ce qui concerne les autres propriétés mécaniques et les performances de durabilité (NRMCA, 2003).
Les bétons légers de structure, utilisés pour la fabrication d’éléments porteurs, sont généralement fabriqués soit avec des granulats légers manufacturés (argile, schiste etc.) soit avec des granulats légers naturels (coques de noix de palmistes, pierre ponce, tufs etc.). Pour les bétons de structure, l’ASTM C330 (ASTM C330, 1999) recommande une résistance en compression à 28 jours d’au moins 17 MPa. Les bétons légers de structure arrivent à avoir une résistance comparable aux bétons ordinaires tout en étant de 25% à 35% plus légers. Aujourd’hui il est possible de fabriquer des bétons légers de structure de haute résistance. Certaines formulations ont permis d’atteindre une résistance en compression de 70 à 100 Mpa à 28 jours (SHINK, 2003). La conciliation de l’exigence d’une résistance relativement élevée avec celle de la réduction de la densité du béton, est obtenue par l’utilisation des ajouts minéraux et de granulats légers présentant de très bonnes qualités ainsi que l’utilisation d’adjuvants très performants. Les argiles, les schistes, les laitiers expansés, les cendres volantes frittées constituent des sources disponibles de matières premières pour la fabrication des granulats légers destinés à la confection de bétons légers structuraux (Contant, 2000). Ce compromis résistance élevée – densité faible est également possible grâce à l’utilisation de certaines fibres telles que les fibres métalliques qui permettent de renforcer la matrice cimentaire, et grâce à l’emploi de ciments de classe de résistance élevée.
1.1.3.2.3 Béton léger de résistance modérée
Les bétons légers de résistance modérée sont dotés de propriétés intermédiaires. Ils développent une résistance à la compression entre 7 et 17MPa à 28 jours, pour une masse volumique comprise entre 800 et 1350kg/m3. Ils peuvent être fabriqués avec des granulats légers
naturels concassés, comme la pierre ponce, les tufs et autres roches d'origine volcanique (scorie), ou avec un mortier aéré. Lorsqu’ils développent une résistance avoisinant des valeurs de l’ordre de 15MPa, ils peuvent être employés pour la réalisation d’éléments structuraux faiblement chargés (Godonou, 2012).
1.1.3.2.4 Béton léger de faible densité
Ce sont des bétons ayant une résistance à la compression à 28 jours inférieure à 7 MPa avec une masse volumique variant entre 300 et 800kg/m3 (Godonou, 2012).
La classe des bétons légers de faible densité est constituée essentiellement des bétons cellulaires et les bétons de granulats légers. Dans ce dernier cas, le béton est fabriqué avec des granulats ultra légers et très poreux tels que la vermiculite exfoliée, la perlite expansée et le polystyrène expansé.
Les bétons légers de faible densité sont généralement utilisés pour remplir des fonctions architecturales au sein d’une construction : compte tenu de leur résistance relativement faible, ils ne sont utilisés que pour jouer le rôle d’éléments de remplissage.
1.1.4 Propriétés des granulats légers pour le béton de structure 1.1.4.1 Classification des granulats légers
1.1.4.1.1 Granulats naturels
On retrouve dans la littérature différentes variétés de granulats obtenus de façon naturelle. Les granulats légers naturels prêts à l’emploi sont obtenus souvent après traitement mécanique c’est-à-dire le concassage et le tamisage. De façon générale, ils sont d’origine rocheuse, minérale ou sont des dérivés de la production agricole ou de diverses productions industrielles comme le cas du matériau de notre
étude. La photo 1.1 présente des exemples de quelques granulats légers naturels.
Photo 1.1 : Quelques granulats légers naturels ; de gauche à droite : Coques de noix de palmiste (Kim, et al., 2015), Pierre ponce et Laitier volcanique (KE, 2008)
1.1.4.1.2 Granulats artificiels
Les granulats légers peuvent aussi être obtenus par transformations de matériaux naturels comme l’argile, le schiste ou d’autres matières spéciales. Ils peuvent être obtenus également à parti de sous-produits industriels comme le laitier ou la cendre volante.
Photo 1.2 : Quelques granulats légers artificiels ; de gauche à droite : Argile expansée, Cendres volantes (KE, 2008)
1.1.4.2 Propriétés physiques des granulats légers 1.1.4.2.1 La porosité
La porosité des granulats est une caractéristique importante à étudier d’autant plus qu’il s’agit d’un paramètre qui va influencer de façon significative l’ouvrabilité du béton. La porosité des granulats
légers est pour la grande majorité très élevée et représente 20% à 75%
de leur volume apparent (KE, 2008). La taille et la distribution des pores influencent la résistance des granulats, mais détermine surtout leurs propriétés d’absorption (taux d’absorption et absorption totale) (SHINK, 2003).
1.1.4.2.2 La densité relative et la densité en vrac
A cause de leur structure cellulaire, la densité relative des particules de granulats de légers est plus faible que celle des granulats normaux. Cette densité varie également en fonction de la taille des particules. Plus elles sont grandes plus la densité est faible. En pratique, la classe des gros granulats légers dont la densité relative est corrigée à l’état de saturation sont quasiment 1/3 à 2/3 plus faible comparée à celle des granulats ordinaires. Ce type de granulats nécessite en général l’utilisation d’une plus grande quantité de ciment pour obtenir la résistance souhaitée (ACI Committee 213, 2003).
La densité en vrac est également remarquablement faible à cause de la structure cellulaire des granulats légers. Les granulats d’une même particule peuvent avoir des densités en vrac différentes à cause de la distribution des vides. Les agrégats rond ou anguleux d’une même particule peuvent montrer une différence d’à peu près 80 kg/m3 (ACI Committee 213, 2003). Ce paramètre est à considérer surtout quand il s’agit de faire un mélange de granulats d’origine différente.
1.1.4.2.3 L’absorption d’eau
L’absorption d’eau par un granulat dépend de son réseau poral et a un impact sur la détermination de l’eau de gâchage nécessaire à la formulation du béton. Les granulats légers ont un taux d’absorption d’eau relativement élevé. L’étude de leur cinétique selon le rapport de l’ACI montre qu’après 24h, le taux d’absorption est de l’ordre de 5 à 25% (ACI Committee 213, 2003)de leur masse sèche. Les données de la littérature montrent que l’absorption d’eau des granulats légers
manufacturés initialement secs varie généralement entre 10 et 20%
après 24 heures d’immersion. Cependant le taux d’absorption est très élevé dès les toutes premières minutes : plus de 50% de l’absorption est souvent complétée dès les toutes premières minutes. (GJORV, et al., 1990).
Figure 1-4 : Etats d’humidité d’un granulat (ACI Committee 211, 2004)
Lorsqu'on fabrique un béton avec des granulats légers, une quantité importante d'eau de gâchage peut être absorbée par les granulats. Cette absorption d'eau dépend toutefois de l'interconnexion des pores dans les granulats, du degré de saturation initial des granulats et du rapport eau sur ciment de la matrice cimentaire. L'effet sur l'ensemble du matériau peut se traduire par une perte rapide de maniabilité, mais peut aussi contribuer à améliorer la microstructure de la matrice cimentaire aux interfaces pâte-granulats par un effet de filtration (GJORV, et al., 1990). D'ailleurs, l'eau absorbée par les granulats constitue une réserve pour l'hydratation subséquente de la matrice cimentaire. Le taux d’absorption des granulats légers est un facteur important à prendre en compte dans la formulation des bétons légers. En effet, cette portion d’eau ne devra pas être prise en compte dans la détermination de la quantité d’eau de gâchage.
Certains moyens tels que le pré mouillage ou l’utilisation d’un traitement de surface visant à réduire l’absorption des granulats
s’avèrent très efficaces pour diminuer la perte de maniabilité des bétons légers (SHINK, 2003).
1.1.4.3 Propriétés mécaniques des granulats légers 1.1.4.3.1 La résistance des granulats légers
Il existe plusieurs essais permettant de caractériser la résistance des granulats légers.
L’essai d’écrasement au pot
Mis au point par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), cet essai caractérise la résistance conventionnelle des grains (ARNOULD, et al., 1986). Le principe de l’essai a été repris par la norme européenne EN 13055-1 pour mesurer la résistance à l’écrasement en vrac. Pour cet essai, un échantillon de granulats compactés par vibration est comprimé, à l’aide d’un piston, dans un cylindre de 100 mm de hauteur et de 175 à 200 cm de section. La vitesse d’enfoncement du piston est de 0,2 mm par seconde et l’essai est terminé lorsque l’enfoncement du piston atteint 20 mm. La résistance conventionnelle des grains en N/cm² est définie par le quotient de la force f nécessaire pour obtenir l’enfoncement de 20 mm du piston par section du cylindre.
L’essai de compression hydrostatique
Mené au Centre Technique des Tuiles et Briques (CTTB), il caractérise la résistance à la pression hydrostatique (pression de rupture). Pour cet essai, un granulat léger est mis en place dans une enceinte plastique très déformable, qui est placée à l’intérieur du bain d’huile de la presse. Cette huile est mise en pression, par étapes, jusqu’à l’écrasement du granulat léger en triple étreinte, qui se manifeste par une brusque chute de pression. La résistance du grain est alors caractérisée par la pression de rupture.
L’essai au fil
Mis au point au Laboratoire de l’Ecole des Mines de Paris (ARMINES), il donne la résistance à la traction par fendage. Cet essai consiste à placer un mince fil d’acier autour d’un granulat léger et à exercer une traction croissante, jusqu'à ce que le grain soit coupé en deux.
La résistance du grain est caractérisée par le rapport de la force de traction à rupture à la surface de la boucle que forme le fil d’acier autour du grain.
Outre ces essais, Nilsen et al. (NILSEN, et al., 1994) ont proposé une nouvelle façon d’évaluer la résistance à la compression et le module d’Young à partir de la dissipation d’énergie spécifique de béton de granulats léger mesurée au cours d’un cycle de charge/décharge en compression. Avec cet essai cyclique, on mesure la dissipation d’énergie spécifique (ΔW/W) du béton de granulat léger.
ΔW est l'énergie dissipée par l’échantillon pendant un cycle d'effort et W est l'énergie élastique stockée dans l’échantillon obtenue pour la déformation maximale. La forte corrélation observée entre la dissipation d’énergie spécifique (ΔW/W) et les propriétés mécaniques des granulats légers peut permettre une évaluation des propriétés mécaniques des granulats légers.
La résistance des granulats légers varie en fonction du type et de la provenance. Pendant que certaines particules sont résistante et dures, d’autres sont faibles et friables.
1.1.4.3.2 Caractéristiques élastiques des granulats légers
Si la résistance des grains est difficile à caractériser, leurs propriétés élastiques ne le sont pas moins. Müller-Rochholz (MULLER, 1979) a proposé une méthode de caractérisation du module d’Young, du coefficient de Poisson, du module de cisaillement basée sur un essai ultrasonique. Dans cet essai, les vitesses d'impulsion des ondes longitudinales et transversales à travers un granulat sont mesurées. Le
module d’Young, le coefficient de Poisson, le module de cisaillement sont obtenus par corrélations avec ces vitesses. L’exactitude des valeurs est contrôlée sur des matériaux connus comme l’acier et le verre. Morin (MORIN, 1976) a procédé lui à une mesure de déformation par jauge lors d’un essai de compression sur un grain de 20 mm aux extrémités duquel il a taillé deux faces planes parallèles. Le Tableau 1.2 regroupe les valeurs mesurées pour des granulats de différentes tailles et masses volumiques.
Tableau 1.2 : Propriétés élastiques des granulats d’argile expansée et de pierre ponce (MULLER, 1979) ; (MORIN, 1976)
Réf. gran. Classe granulair
e (mm)
Masse volumiq
ue des grains (kg/m3)
Module d'Youn
g des granul ats (Mpa)
Module de cisailleme
nt des granulats
(MPa)
Coefficie nt de Poisson
des granulats [MUL79] Liapor
3 (Argile)
4(6,3)-8 695 5193 2140 0,2146
8-12,5 600 4382 1850 0,1849
12,5-16 600 4332 1797 0,2073
16-25 500 3564 1339 0,2193
Liapor 6
(Argile)
4(6,3)-8 - 10930 4479 0,2214
8-12,5 1078 13529 5675 0,1926
12,5-16 1078 12999 5501 0,1821
Liapor 8
(Argile)
4(6,3)-8 - 17064 1383 0,1575
8-12,5 1451 17347 7474 0,1611
12,5-16 1451 17503 7566 0,1569
[MOR76
] Pierre
ponce - - 2600-
3000 - 0,13
Argile
20 20 - 1800-
2000 - 0,12
On peut constater que le module d’Young des granulats d’argile expansée varie de 2 GPa à 17 GPa, alors que pour les granulats alluvionnaires la variation est de 30 GPa à 100 GPa (MULLER, 1979).
Pour les granulats d’argile les plus denses, l’ordre de grandeur de leur module d’Young est similaire à celui d’une pâte de ciment avec un rapport eau sur ciment (E/C) est égale à 0,6, induisant ainsi une
meilleure compatibilité élastique entre les granulats et la matrice que dans le cas des bétons classiques.
La mise en œuvre des essais par ultrasons sur les grains nécessite au préalable leur polissage afin d’obtenir deux faces planes parallèles, sur lesquelles seront placés les émetteurs/récepteurs. Cette préparation a l’inconvénient d’enlever l’enveloppe externe plus dense et plus rigide du grain, pouvant selon la structure poreuse des grains entraîner une sous-estimation du module d’Young des granulats légers [NIL95].
1.1.5 Les granulats de coques de noix de palmistes 1.1.5.1 Obtention des coques de noix de palmistes
Les coques sont des résidus d’exploitation des noix de palme.
Après la récolte, on procède à la cuisson des régimes (stérilisation), à l’égrappage, au pressage des fruits. On obtient ainsi après décantation l’huile de palme brute. Il ressort également de ce processus deux produits : les fibres, qui sont des résidus de la pulpe et la noix de palmiste s. Cette dernière est ensuite cassée (à l’aide d’une machine artisanale ou de façon industrielle) puis on procède à la séparation de l’amande pour servir à la production de l’huile palmiste (Godonou, 2014).
Photo 1.4 : Machine écrasant les noix de palmistes (Godonou, 2014)
Photo 1.3 : Mode traditionnel de séparation des coques et de l’amande de la noix de
palmistes (Godonou, 2014)
Le résidu ainsi obtenu est un mélange de coques, de pulpes et tous les autres déchets provenant de l’exploitation de l’huile de palme.
On procède alors à l’époussetage du mélange obtenu et au triage à l’aide d’un grillage. Le résidu ainsi obtenu est ensuite passé au travers d’un tamis pour séparer les coques mêmes de tous les autres déchets y compris les éventuelles pulpes restantes.
1.1.5.2 Traitement des coques de noix de palmistes
Comme nous l’expliquions précédemment la majorité des granulats légers utilisés dans le béton subissent des traitements mécaniques (concassage, broyage etc.), physique (lavage, imperméabilisation etc.) et parfois chimiques (oxydation, hydrolyse des éléments de surface etc.) avant de pouvoir être utilisés. Dans le cas des coques, le traitement préalable a essentiellement pour objectifs de les rendre plus propres car leurs surfaces sont recouvertes de déchets et de nappe d’huile (Mannan, et al., 2004), de réduire leur taux d’absorption ou d’améliorer leur adhérence à la matrice cimentaire (Traoré , et al., 2014).
Plusieurs types de traitement sont proposés dans la littérature.
En 2006, Mannan et al. a montré que l’utilisation d’un solution à 20%
de polyvinyle d’alcool permettait de réduire le taux d’absorption de
Photo 1.6 : Déchets obtenus après tamisage (Godonou, 2014)
Photo 1.5: Coques de noix de palmistes débarrassées de tous déchets
(Godonou, 2014)
23,3% à 4,2% d’une part et d’autre part d’augmenter la résistance en compression à 28 jours de 39,2% (Mannan, et al., 2006). Le traitement à la chaux proposé par Traoré et al. est un traitement physique qui permet de réduire le taux d’absorption de 8% et d’augmenter la résistance en compression de 20% (Traoré , et al., 2014). En dehors de ces traitements on peut également citer : l’oxydation partielle des granulats d’origine organique, l’imperméabilisation, la neutralisation des précipitations des tannins, le traitement au sulfate, le mélange avec le calcaire ou le chlorure de calcium, l’ébullition avec du sulfate ferreux pour le traitement des micro-organismes, le nettoyage avec de l’eau et du détergent (Mannan, et al., 2004). Le choix d’un traitement doit tenir compte de la disponibilité de la substance traitante et de l’impact de son coût sur le coût de revient du béton obtenu.
Au Bénin, Les travaux justifiant la nécessité du traitement ont été menés par Godonou (Godonou, 2012) et confirmés par Koumebley (Koumebley, 2013). Ces travaux consistaient à vérifier la compatibilité coques-ciment. La détermination de cette compatibilité s’est faite sous la base de la mesure de la température d’hydratation dans le béton a testé. Une courbe température d’hydratation en fonction du temps est tracée et l’allure est comparée à celle d’un mélange ciment-eau pris comme mélange de contrôle. Un mélange est dit compatible à partir de l’interprétation des courbes si l’aire en dessous de la courbe choisie est égale à plus de 68% à l’aire en-dessous de la courbe de contrôle. En d’autres termes, un mélange est compatible si sa courbe d’hydratation se confond à celle de la courbe de référence.
En 2012, Godonou a montré que les coques lavées simplement à l’eau avaient une compatibilité moyenne de 68% comme nous le présente la figure 1.5. Ce qui met donc en évidence la nécessité de faire un traitement préalable des coques afin d’améliorer la compatibilité entre la matrice cimentaire et les coques.
Figure 1-5 : Courbe d’hydratation des mélanges témoin et ciment-coques
Koumebley a également étudié ce même paramètre sur des coques traitée à l’eau chaude et à la soude caustique. Cette étude a montré une compatibilité de 98,46% et de 100% respectivement pour l’eau chaude et la soude caustique.
1.1.5.3 Usage endogène des coques de noix de palmistes dans le bâtiment
Depuis quelques années déjà, le monde rural a commencé par expérimenter l’utilisation des coques de noix de palmistes en remplacement partiel ou total du gravier dans le béton. Cette pratique est fréquente dans les zones productrices du palmier à huile. Le béton ainsi obtenu est utilisé dans les éléments de structures (poteaux, dalles de compression) et beaucoup plus dans ceux de raidissement (chainages horizontales et verticales) (Godonou, 2014).
22 27 32 37 42
0 5 10 15 20 25
Température d'hydratation (°C)
Temps (heures)
Mélange témoin
mélange ciment- coques
1.1.6 Propriétés des bétons de granulats légers pour structure
Les bétons de granulats tel que défini par la norme ASTM C330 est un béton dont la résistance en compression à 28 jours est supérieure à 17 MPa et dont la densité d’équilibre est entre 1120 et 1920 kg/m3. Il est composé soit entièrement soit partiellement de granulats légers.
1.1.6.1 Propriétés physiques des bétons de granulats légers 1.1.6.1.1 Ouvrabilité et mûrissement des bétons légers
L’ouvrabilité, le mûrissement et la maniabilité du béton sont très influencés par le taux d’absorption élevé des granulats légers. En effet, les résultats escomptés ne sont qu’une conséquence de l’état saturé ou non de ces granulats.
Les granulats saturés humides sont préférables aux granulats secs (211, 1990 (revue 2004)) avant utilisation dans le béton parce qu’ils offrent à celui-ci une meilleure ouvrabilité car il n’est plus besoin de prendre en compte cette eau dans le rapport eau sur ciment.
De plus cette eau saturée dans les pores des granulats peut servir à
Photo 1.7 : Chainage vertical en béton de coques de noix de palmistes pour un bâtiment R+1 (Godonou, 2014)
réguler l’hydratation du ciment quand l’humidité chute. Par contre les granulats sec absorbe l’eau nécessaire à l’hydratation du ciment ce qui réduit l’ouvrabilité et crée des zones de faiblesse dans le béton.
1.1.6.1.2 Masse volumique des bétons légers
Pour l’utilisation du béton léger comme béton de structure, la densité est souvent plus importante que la résistance. (Payam, et al., 2010). La masse volumique est un paramètre important qui permet la classification des bétons. Elle est la justification première du recours au béton léger.
La masse volumique du béton frais de béton léger est fonction de la formulation, de la quantité de vides, de la demande en eau, de la densité relative des particules et du pouvoir absorbant des granulats légers.
1.1.6.1.3 Quantité de vides
De façon générale, il est recommandé pour les bétons légers qu’ils contiennent une certaine quantité de vides obtenus à partir des entraineurs d’air afin qu’ils puissent résister au cycle gel-dégel.
Les bétons légers ont une quantité de vides naturelles plus élevée que celle des bétons courants mais lorsque cette quantité est très élevée, elle affecte la résistance du béton.
1.1.6.2 Formulation
La formulation d’un mélange de béton léger consiste en une combinaison économique des différents constituants de ce mélange, qui est généralement composé : d’eau, d’ajout, de liant (ciment), et de granulats, en vue d’obtenir des caractéristiques optimum souhaitées aussi bien pour le béton frais que pour le béton durci.
De façon générale, il existe une corrélation directe entre la masse volumique et la résistance du béton. En effet plus le béton est léger moins la résistance l’est. Néanmoins, l’évolution de la technologie du béton a permis de trouver des moyens d’améliorer les performances des bétons légers. En effet, les ajouts minéraux et les adjuvants ont permis de réduire la demande en eau tout en améliorant les propriétés rhéologiques et la microstructure du matériau. La fumée de silice est maintenant recommandée pour augmenter la résistance à la compression mais également pour diminuer les risques de ségrégation des granulats. L’utilisation de cet adjuvant est contrôlée par la norme NF EN 13263-1. En effet, pour les bétons frais, la fumée de silice complète le fuseau granulaire et supprime les tendances au ressuage ou la ségrégation tout en réduisant la chaleur d’hydratation.
Pour les bétons durcis, la fumée de silice permet de créer une microstructure très dense, qui conduit à des bétons extrêmement compact, à caractéristiques mécaniques élevées (Infociments, 2011). Le dosage habituel en fumée de silice est d'environ 10 % du poids du ciment. Les cendres volantes et les laitiers peuvent aussi être utilisés pour des raisons économiques et pour améliorer la résistance à long terme. Les bétons légers à haute performance développés par Wilson &
Malhotra (WILSON, et al., 1988) contiennent entre 20 et 30 % de cendres volantes en remplacement du ciment.
Plusieurs méthodes de formulation existent dans la littérature.
Elles prennent en compte plusieurs paramètres qui peuvent affectés la résistance souhaitée à savoir : le taux d’absorption et d’humidité des granulats, la granulométrie des agrégats, le rapport eau sur ciment et la quantité d’air entrainé (ACI Committee 211, 2004).
Il n’existe pas de méthode absolue pour la formulation des bétons. En effet, le choix de la méthode de formulation est très dépendant du concepteur. En ce qui concerne les bétons légers, le paramètre qui mérite une attention particulière est l’absorption des
granulats qui fait intervenir la prise en compte de deux types d’eau : l’eau absorbée par les granulats et l’eau de gâchage.
Les dosages en ciment et en eau sont généralement déterminés en fonction de la résistance à la compression et de l'affaissement spécifiés. Grâce aux adjuvants modernes (plastifiants, superplastifiants etc.), le rapport eau sur ciment peut maintenant se situer entre 0,25 et 0,50 contrairement aux rapports supérieurs à 0,50 traditionnellement utilisés pour contrer l'absorption des granulats. Le choix des granulats fins et des gros granulats a par ailleurs un effet important sur les propriétés du béton (SHINK, 2003).
1.1.6.3 Interactions des granulats avec la matrice cimentaire.
La qualité microstructurale des interfaces pâte-granulats légers est généralement supérieure à celle des bétons de granulats rigides.
Des mécanismes d'interaction physique, chimique et mécanique ont été identifiés et permettent de comprendre cette meilleure qualité d’interface.
Figure 1-6 : Interface pâte-granulats et mécanismes d’interaction identifiés (GJORV, et al., 1990)
Les granulats qui absorbent de l’eau créent une zone de transition moins poreuse et plus dense que les autres granulats. En effet, comme les granulats absorbent l’eau, celle-ci ne s’accumule plus dans la matrice fraîche à proximité du granulat. La conséquence de ce phénomène est la densification de la zone de transition. (GJORV, et al., 1990)0 De façon plus claire, à deux granulats légers, le béton le plus résistant est celui contenant le granulat le plus absorbant. La densité de la pâte de ciment continuera à augmenter tant qu’il existera des grains non hydratés. En effet l’eau absorbée par les granulats continuera dans le temps à achever l’hydratation de la pâte cimentaire.
En dehors du processus physique, il a été constaté un processus chimique après 28 jours d’âge. Lors de ce processus, deux phénomènes se produisent. La première est une réaction pouzzolanique entre granulat et solution alcaline qui se situent dans les pores des granulats. La seconde est un dépôt de portlandite (Ca(OH)2) dans les pores qui est d’autant plus remarquable avec les granulats très poreux. Ces deux phénomène rendent plus dense la zone de transition et donc la résistance.
Enfin, la pâte de ciment peut venir se loger entre les rugosités et les pores à la surface des granulats légers. Cet ancrage mécanique, qui améliore l'adhérence des granulats à la matrice cimentaire, dépend de la texture des granulats, de la taille des grains de ciment et de la viscosité de la matrice (SHINK, 2003).
1.1.6.4 Propriétés mécaniques des bétons de granulats léger 1.1.6.4.1 La résistance
La résistance en compression nécessaire pour des bétons coulés sur place, préfabriqués ou précontraints peut être obtenue avec le béton léger. Comme nous l’expliquions précédemment tous les
granulats légers ont un seuil de résistance. Plusieurs résultats témoignent d’un plafond de résistance, de 60 à 70 MPa en compression pour une masse volumique de 1800 à 1900 kg/m3, difficile à dépasser en utilisant des granulats légers. Au-delà de cette limite, l’augmentation du dosage en ciment et la diminution du rapport E/C qui aura pour effet direct l’augmentation de la masse volumique du béton, n’apporterait plus d’amélioration à la résistance. Ce seuil peut être perfectionné en réduisant la taille maximum des grains dans le mélange ou en remplaçant une partie des particules par du sable fins légers (ACI Committee 213, 2003). Cette dernière méthode a comme inconvénient l’augmentation de la masse volumique. Comme les bétons courants, il est possible d’améliorer la résistance également en ajoutant des plastifiants qui vont permettre de réduire le rapport eau sur liant ou d’adjuvants qui vont eux, agir sur les caractéristiques mécaniques du béton.
La rupture des éprouvettes caractérisée par un ou plusieurs plans parallèles au chargement et par fendage des granulats, témoigne d’un mode de rupture différent des bétons de granulats ordinaires. En effet, le granulat léger est poreux donc moins résistant qu’un granulat usuel.
Le fonctionnement mécanique et le mode de rupture des bétons légers sont donc modifiés par rapport à ceux d’un matériau contenant des granulats rigides.
Si le béton contient des granulats rigides plus résistants que le mortier, ceux-ci constituent les points durs du système. Les contraintes imposées au matériau, entraînent des déformations notables dans le liant et négligeables dans le granulat. Des zones de concentrations de contraintes naissent donc dans le mortier, qui se fissure. L’adhérence entre les granulats et le mortier étant insuffisante pour supporter les niveaux de sollicitation imposés, la fissuration du mortier se produit autour des grains qui se décollent de la pâte de
