ECOLE DOCTORALE
« SCIENCES POUR L’INGENIEUR »
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Gbènondé Sèna Gladys MILOHIN
Ingénieur de Conception en Génie Civil
Année académique : 2013 – 2014
Soutenu publiquement le 15/12/2014
Dr. Ing. Victor S. GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités CAMES, EPAC/Université d’Abomey-Calavi (Bénin).
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DIPLÔME D’ETUDES APPROFONDIES SCIENCES POUR L’INGENIEUR (DEA-SPI)
Sous la direction de :
Dr. Ing. Malahimi ANJORIN, Maître de Conférences des Universités CAMES, EPAC/Université d’Abomey-Calavi (Bénin).
STAGE EFFECTUE AU LABORATOIRE D’ENERGETIQUE ET DE MECANIQUE APPLIQUEE (LEMA)
THEME
CARACTERISATION DE LA TERRE DE BARRE STABILISEE AU CIMENT ET DE L’ARGILE CUITE AVEC INCORPORATION DE
CENDRES DE BOIS EN VUE D’UNE UTILISATION EN CONSTRUCTION
Spécialité : Matériaux & Structures
Présenté par :
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ÉDICACES
A vous tous qui êtes passionnés par la quête de la connaissance scientifique et qui y accordez de la valeur. Quand vient la nuit, c’est pour annoncer un jour nouveau.
© Gladys M., 2014.
R
EMERCIEMENTSAu Tout-Puissant, Créateur de toute chose à Qui revient toute gloire. Pour avoir permis la concrétisation de cette œuvre, merci. Tu nous donnes de rencontrer des personnes par le biais desquelles Tu agis. Au nombre de celles-ci, j’exprime ma profonde gratitude :
A mes encadreurs : le Professeur Victor S. GBAGUIDI et le Professeur Malahimi ANJORIN, pour avoir assuré l’encadrement de ces travaux malgré vos multiples occupations et pour l’attention particulière y accordée, vous avez mes plus vives reconnaissances.
Au Professeur Félicien AVLESSI, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC); au Directeur Adjoint, le Professeur Clément BONOU et à tout le personnel de l’administration de l’EPAC, pour le soutien accordé à cette formation doctorale.
A tous les responsables et enseignants de la formation doctorale Sciences pour l’Ingénieur de l’EPAC (SPI/EPAC), pour vos précieux enseignements et conseils et en particulier à ceux qui nous ont dispensé des cours et qui ne se sont aucunement ménagés pour développer et enrichir notre savoir. Pour la qualité de la formation à nous offerte, je vous rends un hommage sincère et plus que mérité. Il s’agit en particulier de:
Pr DEGAN Gérard, Professeur Titulaire des Universités ;
Pr GBAGUIDI Aïssè Gérard, Maître de Conférences des Universités ; Pr GBAGUIDI S. Victor, Maître de Conférences des Universités ; Pr GIBIGAYE Mohamed, Maître de Conférences des Universités ; Dr MEDENOU Daton, Maître Assistant des Universités ;
Dr GOUDJO Aurélien, Maître Assistant des Universités.
A tous les autres enseignants de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi, en particulier tous ceux qui de par leurs multiples conseils et soutiens nous ont accompagné dans ce voyage scientifique :
Dr ZEVOUNOU Crépin, Maître Assistant des Universités ;
Dr TCHEHOUALI Adolphe, Maître Assistant des Universités ; Dr HOUINOU Agathe, Maître Assistant des Universités ; Dr HOUINOU Gossou, Maître Assistant des Universités ; Dr CHAFFA Gédéon, Maître Assistant des Universités ; Dr QUENUM Alphonse, Maître Assistant des Universités ; Dr ZINSOU Codjo Luc, Maître Assistant des Universités ; Dr ALLOGNON Elisabeth, Maître Assistant des Universités.
Il est dit : « Chaque enfant qu’on enseigne est un homme qu’on gagne ».
Vous avez toute ma profonde reconnaissance.
A madame Saratou FATOKE, pour ses soutiens moraux et conseils de mère dont j’ai bénéficié.
A tous ceux qui ont su être présents, m’ont écoutée, encouragée, conseillée, bousculée, maternée, interrogée… Merci beaucoup pour le temps et l’attention que vous m’avez consacrés.
A tous ceux qui d’une quelconque manière ont œuvré directement ou indirectement à l’aboutissement de ce travail notamment les Docteurs Armand DJOSSOU, Valéry DOKO KOUANDETE, les Ingénieurs Crespin YABI, Largum MADOUGOU, Edem CHABI, les agents du LERGC, du CERA, du Lycée Technique de KPONDEHOU, les manœuvres à divers niveaux, puisse l’Eternel vous en donné davantage.
A tous mes proches, mes camarades de promotion et amis, mes collègues chercheurs qui, sous une forme ou une autre, m’ont aidé tout au long de ce travail, qui m’ont offert un encouragement permanent et qui ont su créer une ambiance propice à mon essor.
Enfin, je remercie infiniment ma famille dans sa globalité pour ses constants encouragements, son amour et son soutien sans faille, ma grand-mère, mes tantes et oncles, mes frères et sœurs, mes cousins et cousines, spécialement tata Claire
GBAGUIDI, et en particulier mes parents qui m’ont toujours encouragée et soutenue inconditionnellement dans mon parcours universitaire, comme dans la vie.
A ma tendre mère, Odile MILOHIN née AHOGNISSE, pour tes prières et bonnes pensées, et les sacrifices consentis, je te dis merci du fond du cœur.
J’espère te rendre fière de moi à travers cette humble œuvre. Que Dieu te comble de Ses grâces et t’accorde une longue vie.
A mon adorable papa, Fidèle Cossi MILOHIN, merci pour tous les moyens mobilisés, pour l’accompagnement, pour tout ton attachement et pour avoir fait tien ce travail. Tu es mon bon berger. Puisse Dieu t’accorder une longue vie afin que tu puisses jouir pleinement des fruits de ta semence.
La liste n’est certainement pas exhaustive. De ce fait, j’exprime mes vifs remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, moralement et ou matériellement ont contribué de quelque manière que ce soit, à l’édification de ma personne et à l’aboutissement de ce mémoire.
Que Dieu vous bénisse !
H
OMMAGESÀ nos juges
Monsieur le président de jury.
Nous sommes très sensibles à l’honneur que vous nous faites en acceptant de présider le jury de ce mémoire. Nous sommes convaincus de la valeur ajoutée de vos
analyses pour améliorer ce travail.
Distingués membres du jury.
Vous nous faites un grand honneur en acceptant d’apprécier la qualité du présent travail et de contribuer à son amélioration. Nous sommes persuadés que vos
remarques, critiques et suggestions contribueront grandement à l’amélioration de la qualité scientifique de ce travail.
Hommages respectueux
À nos maîtres de mémoire
Professeur Victor S. GBAGUIDI Hommages respectueux
Professeur Malahimi ANJORIN Hommages respectueux A tous, un sincère Merci !!!
Gbènondé Sèna Gladys MILOHIN.
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ESUMELa présente étude porte sur la valorisation des matériaux locaux de construction au Bénin et intègre le volet environnemental à travers l’incorporation des déchets
"cendres de bois" en vue de leur utilisation efficiente. Elle a pour objectif d’évaluer l’influence des cendres de bois sur les matériaux locaux : argile et terre de barre. Ainsi, des blocs en terre de barre stabilisée au ciment et en argile cuite à pourcentages variables de cendres de bois ont été élaborés. Les matériaux de base ont été caractérisés et les performances du composite élaboré avec ajout de cendres de bois ont été appréciées.
Les blocs confectionnés à différents dosages en cendres ont été soumis aux essais mécaniques (flexion trois points et compression) à différents âges. La méthode du ruban chaud a été utilisée pour déterminer la conductivité thermique à différents âges des éprouvettes confectionnées. L’étude des résistances mécaniques, jumelée aux dispositions normatives a permis de retenir les blocs formulés avec un dosage en cendres de 20% stabilisés au ciment "F2" et stabilisés par cuisson "C2" comme meilleurs. Les valeurs de conductivité de 1,01 W.m-1.K-1et 0,58 W.m-1.K-1 obtenues respectivement pour les blocs "F2" et "C2" ont montré que l’ajout de cendres aux blocs témoins a amélioré les performances isolantes des composites obtenus. Toutefois, des études complémentaires sont nécessaires pour mieux appréhender le composite élaboré tant en construction routière que dans les bâtiments.
Mots clés : Cendres de bois, matériaux locaux, résistance, conductivité thermique, Bloc de Terre Comprimée.
A
BSTRACTThis study focuses on the development of local building materials in Benin and integrates the environmental aspect through the incorporation of waste "wood ashes"
for their efficient use. It aims to evaluate the influence of wood ash on local materials:
clay and earth bar. Thus, blocks bar cement stabilized soil and clay in variable percentages of wood ash were developed. The basic materials were characterized and the composite performances were appreciated. Blocks made at different dosages of ashes were subjected to mechanical testing (three-point bending and compression) at different ages. The method of the hot strip was used to determine the thermal conductivity of different ages crafted specimens. The study of mechanical strength coupled with the standards allowed us to retain the blocks formulated with a dosage of 20% of ash cement-stabilized "F2" and stabilized by cooking "C2" as best. The conductivity values of 1.01 Wm-1.K-1 and 0.58 Wm-1.K-1 obtained respectively for the blocks "F2" and "C2" have shown that the addition of ashes in the basic materials has improved the insulating performances of the composites. However, additional studies are needed to better understand the composite prepared in road and buildings constructions.
Keywords: Wood ash, local materials, strength, thermal conductivity, Compressed Earth Block.
S
OMMAIREINTRODUCTION GENERALE……....……….18 1ère PARTIE : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE………22
Chapitre 1 CONTEXTE DE L’ETUDE 23
1.Etat des lieux 23
2.L’isolation thermique des bâtiments 25
Chapitre 2 LES MATERIAUX COMPOSITES 28
1.Généralites 28
2.Les renforts 29
3.Les matrices 30
4.Les types de matériaux composites 31
Chapitre 3 PRESENTATION DES MATERIAUX LOCAUX 33
1.La terre de barre 33
2.L’argile 39
3.Les cendres 41
4.Le ciment 49
5.L’eau de gachage 50
6.Les propriétés thermiques des matériaux 50
2ème PARTIE : APPROCHE METHODOLOGIQUE……….63
Chapitre 4 PROTOCOLE EXPERIMENTAL 64
1.Les matériaux utilisés 64
2.Le programme expérimental 67
3.L’élaboration des échantillons 69
Chapitre 5 ESSAIS DE CARACTERISATION DES MATERIAUX 75
1.Détermination de la teneur en eau pondérale des matériaux 75 2.Détermination de la répartition granulométrique des matériaux par tamisage 76 3.Determination de la repartition granulometrique des materiaux par sedimentometrie 78
4.Détermination des limites d’ATTERBERG 83
5.Détermination des références de compactage des matériaux 87
6.Californian Bearing Ratio (CBR) 89
Chapitre 6 DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES ET THERMIQUES DES BLOCS 93
1.Détermination des résistances mécaniques 93
2.Détermination des caractéristiques thermiques 96
3ème PARTIE : RESULTATS ET DISCUSSIONS………...99
Chapitre 7 CARACTERISATION DES MATERIAUX ETUDIES 100
1.Classification des sols utilisés 100
2.Influence des cendres sur les paramètres d’état de la terre de barre 104
Chapitre 8 INFLUENCE DE L’AJOUT DE CENDRES SUR LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES BLOCS 108
1.Influence sur les blocs de terre stabilises au ciment 108
2.Influence sur les blocs d’argile stabilisés par cuisson 111
3.Comparaison des performances mécaniques des blocs stabilisés au ciment à ceux stabilisés par cuisson 114
Chapitre 9 INFLUENCE DE L’AJOUT DE CENDRES SUR LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DES BLOCS 116
1.Influence sur les blocs de terre stabilisés au ciment 116
2.Influence sur les blocs d’argile stabilisés par cuisson 117
3.Comparaison de la conductivité thermique des blocs stabilisés au ciment à ceux stabilisés par cuisson 118
Chapitre 10 LES POSSIBILITES D’UTILISATION DES MATERIAUX ETUDIES 120 1.Tenue mécanique des blocs 120
2.Classification des blocs 121
3.Aspect thermique des blocs 123
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES………124
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES……….127
ANNEXES……….133
TABLE DES MATIERES……….142
L
ISTE DES TABLEAUXTABLEAU 1 :MATRICES ET DIFFERENTES FAMILLES DE RESINE [6] ... 31
TABLEAU 2 :QUELQUES TYPES D’ARGILE ET LEURS CARACTERISTIQUES [10] ... 41
TABLEAU 3 :NOTATION ADOPTEE POUR LES DIFFERENTS ECHANTILLONS... 68
TABLEAU 4 :COMPOSITION DES BLOCS STABILISES PAR CUISSON AVEC AJOUT DE CENDRES ... 70
TABLEAU 5 :COMPOSITION DES BLOCS STABILISES AU CIMENT AVEC AJOUT DE CENDRES ... 71
TABLEAU 6:PHASES DE TRANSFORMATION DES BLOCS LORS DE LA CUISSON [10] ... 71
TABLEAU 7:PHASES DE TRANSFORMATION DES BLOCS LORS DE LA CUISSON [10] ... 72
TABLEAU 8 :DETERMINATION DES LIMITES D’ATTERBERG DE L’ARGILE ... 101
TABLEAU 9 :DETERMINATION DES LIMITES D’ATTERBERG DE LA TERRE DE BARRE ... 103
TABLEAU 10 :PROPRIETES THERMIQUES DE QUELQUES MATERIAUX [10] ... 119
TABLEAU 11 :CARACTERISTIQUES MECANIQUES, HYDRIQUES ET PHYSIQUES EXIGEES POUR LES BTC ORDINAIRES [34] ... 122
L
ISTE DES FIGURESFIGURE 1 :DIFFERENTS TYPES DE RENFORTS [6] ... 30
FIGURE 2 :DIFFERENTES FAMILLES DE MATRICES [6] ... 30
FIGURE 3 :LES GRANDS TYPES DE SOLS DOMINANTS AU BENIN ... 34
FIGURE 4 :SCHEMA DE PRINCIPE DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE PAR LA METHODE DE LA PLAQUE CHAUDE GARDEE ... 53
FIGURE 5 :SCHEMA DE PRINCIPE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL DE LA MINI-PLAQUE CHAUDE ... 54
FIGURE 6 :SCHEMA DE REPARTITION DES FLUX DISSIPES PAR L’ELEMENT CHAUFFANT ... 55
FIGURE 7 :SCHEMA FINAL DU MODELE SIMPLIFIE ... 55
FIGURE 8 :PRINCIPE DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE (METHODE DES BOITES) ... 56
FIGURE 9 :SCHEMA DE PRINCIPE DE LA MESURE DE CONDUCTIVITE THERMIQUE PAR LA METHODE DU FIL CHAUD 57 FIGURE 10 :SCHEMA DU PRINCIPE DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE PAR LA METHODE DU PLAN CHAUD ... 58
FIGURE 11 :SCHEMA DE PRINCIPE DE MONTAGE DU RUBAN CHAUD [3] ... 60
FIGURE 12 :SCHEMATISATION DE LA MESURE SIMULTANEE DE LA CONDUCTIVITE ET DE L’EFFUSIVITE AVEC LE RUBAN CHAUD ... 60
FIGURE 13 :COMPARAISON DES 3 MODELES APPLIQUES A UNE SONDE DE TYPE RUBAN CHAUD ... 62
FIGURE 14 :L’ASPECT DU PROGRAMMATEUR C250 DU FOUR NABERTHERM DE KPONDEHOU. ... 72
FIGURE 15 :COURBE MONTRANT LES DIFFERENTES PHASES DE CUISSON [10] ... 74
FIGURE 16 :DISPOSITIF DE RUPTURE EN TRACTION PAR FLEXION ... 94
FIGURE 17 :DISPOSITIF DE RUPTURE EN COMPRESSION ... 95
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ISTE DES PHOTOSPHOTO 1 :PREPARATION DE LA TERRE DE BARRE POUR PRELEVEMENT ... 64
PHOTO 2 :PRESENTATION DES MATERIAUX A L’ETAT NATUREL A LA CARRIERE DE OUEDO (COMMUNE D’ABOMEY- CALAVI) ... 64
PHOTO 3 :TERRE DE BARRE PRELEVEE ET MISE EN SACS ... 65
PHOTO 4 :ARGILE SECHEE ... 65
PHOTO 5 :SECHAGE DE L’ARGILE ... 65
PHOTO 6 :PRESENTATION DE L’ARGILE APRES PASSAGE A L’APPAREIL "LOS ANGELES" ... 66
PHOTO 7 :ECRASEMENT DE L’ARGILE A L’AIDE DE L’APPAREIL "LOS ANGELES" ... 66
PHOTO 8 :ARGILE PRETE POUR CONFECTION DES EPROUVETTES ... 66
PHOTO 9:TAMISAGE DE CENDRES ... 66
PHOTO 10 :PHOTO DU CIMENT UTILISE ... 67
PHOTO 11 :PRESSE CONÇUE POUR LA CONFECTION DES EPROUVETTES... 74
PHOTO 12 :PRESSE UTILISEE POUR LA DETERMINATION DES RESISTANCES MECANIQUES ETUDIEES ... 94
PHOTO 13 :DISPOSITIF UTILISE POUR LA DETERMINATION DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE ... 98
PHOTO 14 :BLOCS A 10% DE CENDRES (F1) ... 108
PHOTO 15 :BLOCS A 0% DE CENDRES (F0) ... 108
PHOTO 16 :BLOCS DE TERRE DE BARRE STABILISEE AU CIMENT AVANT LES ESSAIS DE RESISTANCES MECANIQUES ... 109
PHOTO 17 :BLOC A 20% DE CENDRES (F2) ... 109
PHOTO 18 :BLOC A 10% DE CENDRES (C1) ... 111
PHOTO 19 :BLOCS A 0% DE CENDRES (C0) ... 111
PHOTO 20 :BLOC A 20% DE CENDRES (C2) ... 111
PHOTO 21 :BLOCS D’ARGILE STABILISES PAR CUISSON AVANT LES ESSAIS DE RESISTANCES MECANIQUES ... 111
PHOTO 22 :BLOCS D’ARGILE A 50% DE CENDRES APRES CUISSON ... 111
L
ISTE DES GRAPHESGRAPHE 1 :ECART ENTRE LES TENEURS EN EAU OPTIMALES PROCTOR ET CELLES DES MELANGES DE CONFECTION
DES EPROUVETTES... 104
GRAPHE 2 :INDICE CBR EN FONCTION DU DOSAGE EN CENDRES ... 106
GRAPHE 3 :LES RESISTANCES EN TRACTION PAR FLEXION EN FONCTION DE L’AGE DES DIFFERENTS DOSAGES .... 109
GRAPHE 4 :LES RESISTANCES EN COMPRESSION EN FONCTION DE L’AGE DES DIFFERENTS DOSAGES ... 110
GRAPHE 5 :LES RESISTANCES EN TRACTION PAR FLEXION DES DIFFERENTS BLOCS D’ARGILE ... 112
GRAPHE 6 :LES RESISTANCES EN COMPRESSION DES DIFFERENTS BLOCS D’ARGILE ... 113
GRAPHE 7 :LES RESISTANCES EN TRACTION PAR FLEXION DES BLOCS ... 114
GRAPHE 8:LES RESISTANCES EN COMPRESSION DES BLOCS ... 115
GRAPHE 9 :INFLUENCE SUR LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DES BLOCS DE TERRE DE BARRE STABILISES AU CIMENT ... 116
GRAPHE 10 :INFLUENCE SUR LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DES BLOCS D’ARGILE STABILISES PAR CUISSON... 117
GRAPHE 11 :LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DES BLOCS ... 118
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ISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS UAC : Université d’Abomey-Calavi.EPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi.
CODOC-SPI : Comité Doctoral Sciences Pour l’Ingénieur.
LEMA : Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Appliquées.
GME : Génie Mécanique et Energétique.
BTC : Bloc de Terre Comprimé.
BTS : Bloc de Terre Stabilisé.
LERGC : Laboratoire d’Essai et de Recherches en Génie Civil.
ONU : Organisation des Nations Unies.
GES : Gaz à Effet de Serre.
CO2 : Dioxyde de carbone.
CNUED : Conférence des Nations Unies sur l’Environnement et le Développement.
Mtep : Million de tonnes équivalent pétrole.
UV : Ultra-violet.
CMO Composites à Matrices Organiques.
CMC : Composites à Matrices Céramiques.
CMM : Composites à Matrices Métalliques.
SCB : Société des Ciments du Bénin.
NOCIBE : Nouvelle Cimenterie du Bénin.
CPJ : Ciment Portland Composé.
ACP-UE : Afrique, Caraïbes, Pacifique- Union Européenne.
CDI : Centre pour le Développement Industriel.
CRA Terre-EAG : Centre International de la Construction en Terre-Ecole d’Architecture de Grenoble.
MPa : Méga Pascals.
W : Watts J : Joules.
CEBTP : Centre Expérimental de Recherches et d'Etudes du Bâtiment et des Travaux Publics.
LCPC : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées.
SETRA : Service d'Etudes sur les Transports, les Routes et leurs Aménagements.
IPI : Indice Portant Immédiat.
A
NNEXESANNEXE 1 :TABLEAU MONTRANT LES RESULTATS DE L’ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR TAMISAGE SUR L’ARGILE
... 134
ANNEXE 2 :TABLEAU MONTRANT LES RESULTATS DE L’ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR SEDIMENTOMETRIE SUR L’ARGILE ... 135
ANNEXE 3 :TABLEAU MONTRANT LES RESULTATS DE L’ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR TAMISAGE SUR LA TERRE DE BARRE... 136
ANNEXE 4 :TABLEAU MONTRANT LES RESULTATS DE L’ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR SEDIMENTOMETRIE SUR LA TERRE DE BARRE ... 137
ANNEXE 5 :REFERENCES DE COMPACTAGE DU MELANGE A 20% DE CENDRES ... 138
ANNEXE 6 :CBR A 20% DE CENDRES ... 139
ANNEXE 7 :COMPOSITION DES MELANGES POUR CONFECTION DES EPROUVETTES TYPE F ... 140
ANNEXE 8 :COMPOSITION DES MELANGES POUR CONFECTION DES EPROUVETTES TYPE C ... 141
INTRODUCTION
GENERALE
19
CARACTERISATION DE LA TERRE DE BARRE STABILISEE AU CIMENT ET DE L’ARGILE CUITE AVEC
1. PROBLEMATIQUE
e niveau de développement d’un pays se mesure à travers l’importance des infrastructures qui y sont implantés. Le secteur de la construction constitue de ce fait, un puissant levier de développement des pays. Cependant, il impacte fortement l’environnement et représente une part importante de la consommation énergétique totale. Les économies d’énergie sont au cœur de l’actualité et des préoccupations, et des mesures fortes s’imposent pour réduire les émissions de gaz à effet de serre causées par les activités humaines.
Les bâtiments sont responsables de plus d'un tiers des émissions de dioxyde de carbone, ce qui fait du secteur du bâtiment le deuxième plus grand émetteur de dioxyde de carbone après l'industrie (Diana et al., 2007) (IPCC, 2000) (Price et al., 2006) [1]. Il faut noter que le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre responsables du réchauffement planétaire. Il est actuellement estimé que le CO2
contribue à hauteur de 50% environ à l'effet de serre (Dincer, 1999) [1]. C’est pourquoi le secteur du bâtiment est souvent considéré comme une “mine d’or” pour réduire ce phénomène. Le secteur du bâtiment constitue donc un enjeu crucial en matière d’adaptation au changement climatique car au cœur d’une double problématique énergétique et environnementale. Pour relever ce challenge, une condition incontournable de réussite, réside dans la conception du bâtiment et dans la qualité de son enveloppe. Des auteurs comme Constatinos et al., (2007) et Gonzalez & Navarro (2006) confirment que la sélection de matériaux de construction à faible impact environnemental devrait permettre de diminuer efficacement les émissions de dioxyde de carbone [1].
La part importante de l’énergie consommée pour les besoins de fonctionnement des bâtiments, couplée à l’augmentation sans cesse croissante du prix de l’énergie, (Senicat, 2008), a amené les chercheurs à s’intéresser aux problèmes de la thermique du bâtiment. A ce sujet et contrairement aux matériaux traditionnels à fort impact environnemental, la terre peut être utilisée comme matériau de construction sans
L
dépenser de l’énergie (Houben, 1997) [2]. Son emploi associé à une architecture climatique est une solution attractive pour la réalisation de maisons à fonctionnement passif. Le confort thermique dans l’habitat est non seulement lié à la température des parois mais aussi et surtout aux matériaux de construction. Les matériaux alternatifs de construction intéressent de plus en plus, et les matériaux d’origine naturelle (le bois, l’argile, la terre…), localement disponibles et réduisant les impacts environnementaux trouvent un regain d’intérêt. Leur connaissance pour une utilisation efficiente en construction s’impose.
Autrefois au Bénin et en particulier en milieu rural, les maisons étaient construites en latérite ou banco. Depuis quelques décennies, avec l’urbanisation, elles sont de plus en plus construites en matériaux majoritairement importés ce qui occasionne des coûts élevés de mise en œuvre et des dépenses importantes d’énergie pour le confort thermique. Mais dans le but de réduire la consommation énergétique de plus en plus grandissante et compte-tenu des ressources limitées des populations, il est important d’identifier localement d’autres matériaux de substitution plus isolants et moins énergivores. Face également à l’épuisement des gisements de graveleux latéritiques qui constituent de nobles matériaux routiers, la mise au point de nouveau matériaux, voire de nouveaux procédés constructifs s’avère indispensable tant en construction routière que dans les bâtiments. Du point de vue énergétique, la construction en terre crue n’utilise que 3% de l’énergie employée dans une construction en béton. En guise d’exemple, la fabrication d’un mètre cube de béton requiert 400 à 800 kWh, alors que la terre stabilisée ne requiert que 5 à 10 kWh par mètre cube [3]. Les travaux de recherche de plus en plus nombreux portant sur les matériaux composites sont donc justifiés.
Un composite est un matériau au sein duquel sont associés des matériaux élémentaires aux caractéristiques complémentaires, en vue de lui conférer, à l’échelle macroscopique et au moins dans certaines directions, un ensemble original de propriétés que les constituants pris isolement ne permettent pas d’atteindre. On peut ainsi associer légèreté et résistance mécanique ou fragilité et ténacité. Néanmoins tout matériau hétérogène n’est pas nécessairement un matériau composite.
Par ailleurs, le recyclage des déchets est un enjeu industriel majeur d’un point de vue écologique, économique et technique. Les cendres sont des matériaux volumineux,
peu coûteux, issus de la combustion de différentes matières premières et /ou secondaires, et souvent considérées comme des déchets donc non exploités. Quelle pourrait donc être l’influence des cendres de bois sur l’argile et la terre de barre?
2. OBJECTIFS
Objectif général
Voir le comportement de l’argile cuite et de la terre de barre stabilisée au ciment sous l’influence de cendres de bois.
Objectifs spécifiques
• Caractériser les matériaux de base : argile et terre de barre ;
• Evaluer les caractéristiques physiques, mécaniques et thermiques des matériaux sous l’influence des cendres ;
• Déduire l’influence des cendres sur les matériaux de base ;
• Déterminer la formulation convenable à l’élaboration du composite ;
• Trouver les applications possibles du composite élaboré.
1ère PARTIE : SYNTHESE
BIBLIOGRAPHIQUE
C
hapitre 1CONTEXTE DE L’ETUDE
Ce chapitre présente le contexte de l’étude. Il montre l’état des lieux par rapport aux impacts du secteur de la construction sur l’environnement et le confort thermique dans l’habitat.
1. ETAT DES LIEUX
Nous assistons depuis quelques dizaines d’années à une prise de conscience de la part des pouvoirs publics, des acteurs économiques et de la société civile, des conséquences défavorables des activités humaines sur l’environnement et de la nécessité de réduire, de manière urgente, ces impacts. C’est pourquoi, aujourd’hui, à l’échelle internationale, dans les domaines de l’industrie, de l’énergie, des transports, de la construction etc. les incitations et les contraintes sont de plus en plus fortes pour intégrer les projets à une démarche de développement durable.
La définition la plus répandue du développement durable est celle édictée en 1987 dans le rapport Brundtland selon laquelle « le développement durable est un mode de développement qui répond aux besoins des générations du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs ».
Or, aujourd’hui, la capacité des générations futures à subvenir à leurs besoins est menacée. Nous nous trouvons dans une situation critique à plusieurs titres, les plus parlants étant peut-être :
-
la menace d’un réchauffement climatique, identifié aujourd’hui, par la majorité des scientifiques, comme une conséquence du rejet en quantité importante de gaz à effet de serre (CO2, CH4 etc.) par les activités humaines ;-
la raréfaction des ressources naturelles, dont certaines apparaissent pourtant à l’heure actuelle indispensables au fonctionnement de nos sociétés (pétrole, gaz etc.).Cette prise de conscience au niveau international a conduit à l’organisation en juin 1992 de la Conférence des Nations Unies sur l’Environnement et le Développement
(CNUED) à Rio puis, à l’adoption, cinq (5) ans plus tard, du protocole de Kyoto par les représentants de 160 pays. Trente-huit (38) pays industrialisés se sont ainsi engagés à réduire globalement entre 2008 et 2012 leurs émissions de gaz à effet de serre (GES) de 5,2% par rapport au niveau de 1990 [4].
Dans ce contexte, le secteur de la construction en général et celui du bâtiment notamment, se trouve aujourd’hui face à une nécessité de rénover ses pratiques et méthodes de conception afin de prendre en compte les facteurs environnementaux devenus cruciaux. Cette nouvelle manière de concevoir et de dimensionner les bâtiments, encore aujourd’hui marginale, peut être désignée par le terme d’éco conception. Au sens le plus large, cette pratique se fonde sur :
-
des critères économiques : ils s’expriment par la prise en compte du coût global, c'est à-dire la somme des coûts d’investissement, de fonctionnement et de maintenance ainsi que de démantèlement. Il dépend, notamment, de la durabilité de l’ouvrage ;-
des critères environnementaux : ils concernent la consommation de matières premières renouvelables ou non, locales ou acheminées sur de plus ou moins longues distances, l’énergie grise des matériaux ou des techniques de mis en œuvre, l’émission de polluants et/ou de gaz à effet de serre, les nature et quantité des futurs déchets ;-
des critères liés aux conforts : thermique, hygroscopique, acoustique et visuel ;-
des critères sanitaires : durant les phases de construction et d’exploitation, la conception du bâtiment doit garantir un environnement sain et sans danger pour ses usagers [4].L’éco conception repose sur des choix pertinents en fonction des critères suscités concernant les matériaux de construction, les équipements (conditionnement d’air, ventilation, éclairage etc.), la structure du bâtiment mais aussi les moyens de gestion des ressources (énergie, eau etc.) et des déchets pendant la période d’exploitation.
L’éco matériau doit permettre de répondre aux critères de l’éco conception, c'est- à-dire:
-
limiter les impacts environnementaux durant tout son cycle de vie ;-
procurer des conditions de confort aux occupants du bâtiment pendant son exploitation ;-
ne pas présenter de danger pour la santé tant pendant la phase de mise en œuvre que d’utilisation du bâtiment.Il est entendu que le matériau parfait n’existe pas, et qu’il est impossible de répondre de manière optimale à tous ces critères. Cependant, on peut dire qu’à l’heure actuelle, bon nombre de matériaux conventionnellement utilisés en construction sacrifient l’impact environnemental ou sanitaire à des objectifs de coût et de facilité de mise en œuvre.
Les propriétés ne doivent pas non plus être isolées les unes des autres, comme c’est parfois le cas aujourd’hui dans le cadre de techniques marketings qui identifient un facteur favorable et le mettent en avant en le séparant des autres.
La forte volonté de certains consommateurs et acteurs de la construction de prendre en compte, malgré les difficultés (surcoût, pénurie d’artisans maitrisant ces techniques etc.), les critères d’écoconception dans le choix des matériaux de construction a conduit au développement de nouveaux matériaux, ou plutôt, dans la majorité des cas, au retour vers des pratiques traditionnelles et ancestrales.
On peut ainsi noter bon nombre de travaux de recherches sur les matériaux composite en général, et le développement de la construction bois et ses dérivés en particulier. Le bois doit évidemment sa caractéristique d’éco matériau à son caractère renouvelable mais il faut néanmoins s’assurer d’une gestion durable des forêts, de ne pas utiliser de bois provenant de destinations trop éloignées, de contrôler la toxicité des substances utilisées pour son traitement contre l’humidité ou les insectes.
Notre étude consiste donc en l’élaboration d’un nouveau matériau à partir des matériaux traditionnellement utilisés (argile, terre de barre) et de la partie minérale dérivée de la combustion de charbon de bois et bois de chauffage que constituent les cendres.
2. L’ISOLATION THERMIQUE DES BÂTIMENTS
Pour améliorer le confort thermique dans un bâtiment et économiser de l’énergie, il est nécessaire de mettre en œuvre des matériaux particulièrement performants, apportant une bonne isolation thermique. En effet, une bonne isolation thermique
entraine le choix d’équipements de climatisation moins puissants donc plus économiques.
Dans la plupart des cas, l’isolation est obtenue par l’emploi de matériaux spécifiques, qui, outre une bonne résistance à la transmission de la chaleur, doivent présenter d’autres qualités qui sont des impératifs de mise en œuvre comme :
-
La légèreté et la non hygroscopicité afin de conserver dans le temps ses qualités isolantes ;-
Une bonne résistance mécanique ;-
Une bonne tenue aux températures d’emploi ;-
Une absence d’effets nuisibles sur les matériaux en contact avec l’isolant [5].Les isolants naturels sont aujourd’hui assez largement diffusés (laine de lin et de chanvre, feutre de bois, liège etc.) et les produits recyclés sont également utilisés, le papier recyclé sert d’isolation sous forme de ouate de cellulose. La réalisation de murs à isolation répartie en bottes de paille représente également une alternative pour les éco constructeurs.
Il existe cependant peu d’études scientifiques réalisées sur ce type de matériau permettant de garantir leurs propriétés. Les initiatives d’écoconstruction restent trop souvent des démarches individuelles mises en pratiques par auto construction, en utilisant des techniques ne faisant l’objet d’aucune certification ou normalisation, ce qui pose notamment des problèmes du point de vue des assurances, et en particulier des garanties décennales des travaux.
Leur plus large diffusion passe nécessairement par des étapes de caractérisation en laboratoire et de normalisation. Elles permettront de définir le cadre d’utilisation de ces matériaux, les précautions de mise en œuvre et de maintenance à prendre et un dimensionnement plus précis des éléments. Certains éco matériaux, dont le béton de chanvre, ont déjà entamé ce processus.
Le secteur du bâtiment se trouve aujourd’hui dans l’obligation, en raison des impacts environnementaux qu’il génère, de proposer de nouvelles solutions de conception et de réhabilitation des bâtiments. Dans le domaine des matériaux, le choix doit se faire en fonction de l’usage visé, des sollicitations subies et des propriétés recherchées, tout en prenant en compte les contraintes d’impacts environnemental et sanitaire. Le béton, même s’il reste incontournable pour un certain nombre
d’application, la brique ou les isolants d’origine pétrolière pourraient être, dans les années à venir, concurrencés par des produits à faible coût environnemental, notamment dans le secteur de la maison individuelle.
Nos travaux visent à contribuer au développement d’un matériau de construction innovant en prenant en compte les exigences du contexte environnemental actuel. Nous nous proposons d’étudier les propriétés d’usage de cet éco matériau afin de vérifier la faisabilité technique de son développement. L’objectif est d’atteindre, pour le composite, des propriétés mécaniques, thermiques et de durabilité compatibles pour des applications dans le bâtiment. L’application du nouveau matériau en construction routière sera également analysée.
Le secteur de la construction impacte fortement l’environnement à travers les besoins énergétiques, l’utilisation des matériaux et les interactions des constructions avec l’environnement. L’une des solutions pour résoudre ce problème est la mise au point de nouveaux matériaux à moindre impact environnemental et à moindre coût énergétique.
De tels matériaux sont dits composites.
C
hapitre 2LES MATERIAUX COMPOSITES
L’impact des constructions sur l’environnement en général et les changements climatiques en particulier justifie l’intérêt qu’il faut porter aux matériaux alternatifs de construction (les matériaux composites) afin de garantir un mieux-être aux populations.
Un composite est un matériau au sein duquel sont associés des matériaux élémentaires aux caractéristiques complémentaires, en vue de lui conférer, à l’échelle macroscopique et au moins dans certaines directions, un ensemble original de propriétés que les constituants pris isolement ne permettent pas d’atteindre.
1. GENERALITES
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 [6].
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.
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.
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).
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.
2. LES RENFORTS
Les renforts contribuent à améliorer la résistance mécanique et la rigidité des matériaux composites et se présentent, sous forme filamentaire de la particule de forme
allongée à la fibre continue qui donne au matériau un effet directif. Ils sont caractérisés par :
- la nature de la fibre, minérale ou organique ;
- l’architecture du renfort, Unidirectionnel (UD) ou Tissu... [6]
Figure 1 : Différents types de renforts [6]
3. LES MATRICES
La matrice permet de lier les fibres de renforts, de répartir les contraintes, d'apporter la tenue chimique de la structure et de donner la forme désirée au produit final. Les différentes familles de matrice sont présentées par l'organigramme de la figure 2 :
Figure 2 : Différentes familles de matrices [6]
Actuellement, les résines les plus utilisées sont:
- Les résines thermodurcissables (TD) qui sont, en général, associées avec de longues fibres. Les polymères thermodurcissables ont la forme d’un réseau
tridimensionnel ; au cours de la polymérisation, ce réseau se ponte (double liaison de polymérisation) et durcit de façon définitive lors du chauffage selon la forme souhaitée. La transformation est irréversible.
- Les résines thermoplastiques (TP), renforcées avec des fibres courtes (et, parfois, avec des fibres longues) se développent fortement. Les polymères thermoplastiques ont une structure linéaire ; ils sont mis en forme par chauffage (les chaînes se plient), et durcissent au cours du refroidissement (les chaînes se bloquent). La transformation est réversible.
Tableau 1 : Matrices et différentes familles de résine [6]
MATRICES TD TP
Etat de base Liquide visqueux à polymériser Solide prêt à l’emploi
Stockage Réduit illimité
Mouillabilité des renforts Aisée Difficile
Mouillage Chauffage continu Chauffage +
refroidissement
Cycle Long (polymérisation) Court
Tenue au choc Limitée Assez bonne
Tenue thermique Meilleure Réduite (sauf nouveau TP)
Chutes et déchets Perdus ou utilisés en charges Recyclables Conditions de travail Emanations de solvants Propreté
4. LES TYPES DE MATERIAUX COMPOSITES
Les matériaux composites disposent d'atouts importants par rapport aux matériaux traditionnels. Ils apportent de nombreux avantages fonctionnels : légèreté, résistance mécanique et chimique, maintenance réduite, liberté de formes. Ils permettent d'augmenter la durée de vie de certains équipements grâce à leurs propriétés mécaniques et chimiques. Ils contribuent au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs et au feu. Ils offrent une meilleure isolation thermique ou phonique et, pour certains d'entre eux, une bonne isolation électrique. Ils enrichissent aussi les possibilités de conception en permettant d'alléger des structures et de réaliser des formes complexes, aptes à remplir plusieurs fonctions. Dans chacun des domaines d'application (automobile, bâtiment, électricité, équipements industriels,…), ces performances
remarquables sont à l'origine de solutions technologiques innovantes. On distingue deux types des matériaux composites :
- Les composites Grande Diffusion (GD) ; - Les composites Haute Performance (HP).
Les matériaux composites dits de “Grande Diffusion GD” dont les propriétés mécaniques sont plutôt faibles mais d'un coût compatible avec une production en grande série, représentent 95% des composites utilisés. Ce sont en général des plastiques armés ou des plastiques renforcés, le taux de renfort avoisinant 30%. Dans 90% des cas, l'anisotropie n'existe pas ou n'est pas maîtrisée car les renforts sont des fibres courtes.
Les principaux constituants de bases sont les résines polyesters (95% des résines thermodurcissables) avec des fibres de verre (plus de 99% des renforts utilisés). Renforts et matrices sont à des coûts voisins. Les matériaux composites dits “Haute Performance HP”, présentent des propriétés mécaniques spécifiques élevées et un coût unitaire important. Ce sont les plus employés en aéronautique et dans le spatial. Les renforts sont plutôt des fibres longues. Le taux de renfort est supérieur à 50%, et ce sont les renforts qui influent sur le coût. Les propriétés mécaniques (résistance mécanique et rigidité) sont largement supérieures à celles des métaux, contrairement aux GD. Des méthodes de calculs des structures et d'homogénéisation ont été développées pour les HP [6].
Au regard du contexte environnemental actuel, les recherches aujourd’hui sont plus portées sur l’élaboration de matériaux composites prenant en compte l’aspect développement durable. C’est ainsi que la valorisation des déchets et des matériaux locaux trouvent un regain d’intérêt désormais à travers la mise au point de nouveaux matériaux dits composites qui les intègrent.
C
hapitre 3PRESENTATION DES MATERIAUX LOCAUX
Dans un contexte économique inquiétant où les populations sont à revenus limités et où il faut garantir un mieux-être et un bien-être social, le secteur de la construction se doit d’être repensé. Le retour aux matériaux locaux disponibles, à faible coût et la valorisation de certains déchets en construction, pourraient constituer un soulagement pour les populations en quête d’habitats modernes. Nous nous proposons dans ce chapitre de présenter l’état de l’art sur les matériaux locaux, argile et terre de barre, disponibles au Bénin de même que les cendres de bois et ses applications en construction.
1. LA TERRE DE BARRE
Les sols se distinguent selon qu’ils résistent par le frottement entre les grains (sables) ou par leur cohésion (argile), ou par la combinaison des deux modes d’action (sols argileux ou limoneux). Dans le bassin sédimentaire sud, des sols rouges ferralitiques formés sur les plateaux du sud Bénin; ceux formés sur le "Continental Terminal"
appelés terre de barre (barral = argile en Portugais) occupent la quasi-totalité des terrains exondés bien drainés de cette partie du pays. Ils représentent 7% de la superficie totale du pays mais concentrent le tiers de la population totale.
1.1 Définition de la terre de barre
Les sols rouges ferralitiques issus d’une altération poussée du Continental Terminal présentent après la pluie et avant le ressuage un aspect boueux très glissant ; ce qui leur a valu l’appellation de la « terre de barre ». Humide, la terre de barre est légèrement collante. Perméable, elle est également caractérisée par la couleur rouge à brun marquée par la présence d’alumine libre et d’oxyde de fer.
Encore appelés sable argileux, ces sols sont formés sur sédiments meubles argilo- sableux. Le sable argileux contient une très grande proportion de sable et un peu d’argile.
Ils sont sablo-limoneux en surface et argilo-sableux en profondeur. Ils sont assez sableux en surface avec 5 à 15% d’argile. Ce taux passe rapidement à 35% entre 30 et 60 cm de profondeur puis à 45 voire 50% au-delà de cette profondeur. Ils présentent une structure particulière à grumeleuse en surface, une structure polyédrique moyenne peu apparente dans l’horizon d’accumulation. La réserve d’eau dans ces sols est sensiblement constante et varie entre 40 et 50 mm à 30 cm du sol puis entre 60 et 70 mm à 60 cm du sol. La terre de barre ne contient jamais de débris de roches ou de galets de diamètre supérieur à 1 cm ; lorsque la formation est faiblement endurée, elle présente des fentes de dessiccation.
1.2 Répartition géographique de la terre de barre
Développée sur les sept plateaux du Sud Bénin (plateaux de Kétou, Zangnanado, Abomey, Aplahoué, Porto-Novo, Allada et Bopa), la terre de barre se localise entre 60°20’ et 70°20’ de latitude Nord puis les méridiens 1°40’ de longitude Est et couvre une superficie d’environ 10500 km2 [7].
Figure 3 : Les grands types de sols dominants au Bénin
1.3 Composition de la terre de barre
La terre de barre du Sud Bénin décrite par WILLIAIME et VOLKOFF en 1966 présentait les caractéristiques physiques et chimiques suivantes :
-
15,3% d’Argile ;-
5,4% de limon ;-
77,3% de sable ;-
0,05% d’Azote total ;-
la teneur en matière organique était de 2,64% ;-
la somme totale des bases échangeables de 2,44 méq/l00 g et la capacité d'échange cationique de 4,4 [7].Cette même terre prélevée et analysée 10 ans après (1976) par TRAN VlNHAN a donné les résultats suivants:
- 19,2% d'Argile ; - 4,7% de limon ;
- 1,3% de matière organique et - 0,04% d'Azote ;
- le PH eau était de 5,40 ;
- la somme des bases échangeables était tombée à 1,5 méq/100 g et - la capacité d'échange a 4,01 [7].
Ces analyses reprises en 1989 à travers d'autres prélèvements d'échantillon ont donné les résultats ci-après:
- 21,3% d'Argile ; - 4,4% de limon ; - 75,3% de sable ;
- 0,83% de matière organique ; - 0,04 d'Azote;
- le PH était devenu 4,8 ;
- la somme des bases 1,3 méq/100 g et
- la capacité d'échange cationique 3,5 méq/l00 g. [7]
Cette évolution dans la dégradation de la terre de barre est confirmée par les résultats d'analyse et de description réalisées par MESSAN Rock en 1991. Ce dernier, à partir des observations, des descriptions de profils et des analyses de ces sols à Agonkanmey a abouti aux conclusions suivantes:
- Ce sont des sols très sableux (75 à 90% de sable dont les deux tiers sont du sable grossier).
- Leur capacité de rétention en eau est très faible et peu variable (environ 40 mm). Ce sont donc de véritables passoires pour l'eau.
- Leur structure est détruite (inexistence d'agrégats stables);
- Teneur en matière organique très faible (inférieure à 0,8%);
- Acidité élevée (pH eau < 4,3). [7]
1.4 Utilisation en construction
La terre est mise en œuvre de diverses manières dans la construction en dehors des anciennes techniques traditionnelles l’adobe, le pisé, le torchis ou la bauge, on distingue des briques de terre comprimée, cuite, stabilisée.
En République du Bénin, le plein essor du secteur de la construction et des infrastructures routières génère un grand besoin de matériaux de construction. Pour les régions du sud, les besoins sont longtemps satisfaits avec de la latérite. Mais ce noble matériaux se raréfie de nos jours et ce, à cause de l’épuisement des carrières d’extraction.
Cependant la terre de barre quant à elle existe en abondance et peut-être utilisée aussi bien en construction routière que dans les bâtiments si elle est améliorée. Dans les bâtiments, on parle souvent de Bloc de Terre Comprimée (BTC) et suivant l’usage que l’on va en faire, il peut être utile voire nécessaire de les stabiliser.
On désigne par BTC, des blocs obtenus par compactage statique d’une quantité de terre contenue dans un moule de dimensions données. La construction en BTC est une technologie dont le but est l’utilisation de matériaux locaux, c'est-à-dire disponibles dans les alentours immédiats du site de construction. Le contexte même de la naissance des BTC implique donc un spectre de terre à utiliser le plus large possible. Les exigences résident uniquement au niveau des caractéristiques mécaniques requises pour le bâtiment en fonction de l’utilisation qui en sera faite. Toutefois, il y a quelques orientations pour prédire la qualité des blocs résultant d’une terre donnée.
-
Le sol ne doit pas être très argileux au risque d’entrainer des fissurations de retrait fragilisant les blocs (%2µm<30%).-
Ce matériau doit présenter un minimum de plasticité assurant une cohésion entre les grains du matériau lors du compactage (%2 µm>5%).-
Les gros éléments du matériau ne doivent pas dépasser une taille limite dépendant de la taille des blocs, une moyenne de 5 mm est assez indiquée.Une brique de terre comprimée non stabilisée a de très bonnes propriétés thermiques et hygrométriques et une résistance suffisante à la compression pour pouvoir être utilisée telle quelle dans la construction. Dans les régions très pluvieuses, il est nécessaire de stabiliser les briques de terre comprimée (BTC) : l’humidité contenue dans les briques entraine leur émiettement. Des études ont montré que la terre non stabilisée a une résistance à sec non acceptable car inférieure au minimum exigée dans la construction. La stabilisation est un ensemble de procédés visant à améliorer les caractéristiques d’un sol, en particulier sa résistance portante, sa sensibilité à l’eau et sa durabilité. Elle doit permettre de réduire le volume des vides entre les particules solides, de colmater les vides que l’on peut supprimer, de créer des liens ou d’améliorer les résistances mécaniques. L’amélioration de ces caractéristiques doit garder un caractère irréversible [5].
Il existe dans la littérature plusieurs types de stabilisation des blocs de terre parmi lesquelles, on peut citer: la stabilisation mécanique (compactage), chimique (ciment, néré, chaux, bitume…), thermique (cuisson) et physique (correction de la courbe granulométrique). La stabilisation dépend de plusieurs paramètres dont les plus importants sont : la nature du stabilisant et sa quantité, la qualité de la terre, la qualité du compactage. Le taux et la nature du liant sont liés aux conditions économiques et à la nature d’argile présente dans la terre utilisée. Le choix de la terre est aussi déterminant dans la qualité des blocs résultants. Par ailleurs, un BTS avec 8 % de chaux permet un gain important par rapport à la terre simple en ayant à peu près la même efficacité que le ciment à 8 %. Les effets stabilisateurs du ciment et de la chaux, deux produits minéraux d’utilisation courante, sur un échantillon de sol donné ont été testés. L’ajout de 4 % de ciment améliore la résistance à sec tandis qu’avec 8 % de ciment, cette résistance est multipliée par trois. La résistance humide des échantillons stabilisés au ciment est supérieure au seuil exigé dans les constructions.
1.4.1. Stabilisation mécanique
La stabilisation mécanique améliore la brique de terre par la modification de sa densité naturelle. Il s’agit du compactage qui consiste essentiellement en une réduction de la porosité du matériau par resserrement des particules. Les effets d’un compactage effectué dans de bonnes conditions, se traduisent par une diminution de la perméabilité,
de la compressibilité, de l’absorption d’eau et du gonflement. Les résistances mécaniques initiales et à long terme augmentent. Le compactage à lui seul permet d’obtenir un matériau aux caractéristiques mécaniques élevées, cependant ces matériaux restent très sensibles à l’eau. Mise au contact de l’eau, la brique redevient plastique et ne résiste plus du tout à la compression. L’immersion d’une brique de terre comprimée dans un seau d’eau, donne le lendemain un tas de boue au fond du seau. Si les BTC sont protégées des intempéries (débords de toiture importants, protections contre le rejaillissement, soubassements suffisamment élevés, drainage en pied de mur), il n’est pas nécessaire de stabiliser. Ce qui n’est pas toujours le cas dans les zones concernées par cette étude [5].
1.4.2. Stabilisation chimique
La stabilisation chimique modifie les propriétés d’une brique de terre par l’intermédiaire de certains adjuvants. Afin de diminuer la sensibilité à l’eau, on a souvent recours à l’adjonction de produits (liants hydrauliques par exemple), rendant les sols traités moins hydrophiles. L’adjonction du ciment qui est un liant hydraulique permet de lier les grains de sable tout en stabilisant l’argile de terre [5]. On obtient ainsi une amélioration des caractéristiques mécaniques et de la sensibilité à l’eau. Dans ce cas particulier, il faut tenir compte du fait que le ciment a besoin d’eau pour faire sa prise.
Pour que le ciment assure son rôle de stabilisant, il faut un minimum de 3 à 4% en poids de la terre utilisée, sinon il n’y a pas assez de liant. Ce minimum vaut pour un ciment de bonne qualité : suivant les qualités du ciment utilisé, ce pourcentage peut monter à plus de 10%. Plus la terre est composée d’éléments fins, plus il faudra de ciment pour lier les éléments entre eux. Dans le cas où il est difficile de se procurer du ciment, il est moins coûteux d’avoir une terre contenant des éléments plus gros car nécessitant moins de ciment pour un même degré de stabilisation (tout en restant dans les proportions et dimensions des éléments d’une terre propre à fabriquer des BTC). Pour des constructions devant résister à l’eau de pluie, il faut monter le pourcentage de ciment à 10%. La stabilisation améliore la résistance à la compression et la tenue des angles des briques à la compression et aux chocs [5].
1.4.3. Stabilisation par cuisson
La terre cuite sert de matériau de construction et présente des qualités de rigidité et de tenue mécanique. C’est un matériau qui permet d'évacuer efficacement l’humidité vers l'extérieur. Cette maîtrise essentielle de l’hygrométrie et de la ventilation est un
avantage que possède la terre cuite. Ce matériau répond notamment aux exigences de la Haute Qualité Environnementale, garantit une grande résistance dans le temps, offre des performances thermiques importantes ainsi qu’une qualité d’air intérieur irréprochable. Une maison en brique de terre cuite est un habitat bioclimatique qui protège les occupants du bruit, des variations climatiques, de l'humidité et de l'incendie.
Elle nécessite par contre de l’énergie pour la cuisson et par conséquent coûte plus cher que la brique de terre stabilisée au ciment [5]. La terre cuite permet également une certaine souplesse dans la mesure où elle se décline suivant l’utilisation que vous souhaitez en faire pour la construction : briques, tuiles en terre cuite, mais aussi carrelages, appuis de fenêtre ou éléments de décoration.
1.4.4. Stabilisation physique
La stabilisation physique modifie les propriétés des sols par une amélioration des caractéristiques du matériau par correction de la granulométrie. Le mélange obtenu conduit selon le cas, soit à diminuer l’indice de plasticité de matériau de base, soit à lui conférer une certaine cohésion [5].
2. L’ARGILE
L’argile est un produit à base de terre utilisé anciennement dans les constructions surtout en milieu rural et est présente au Bénin sur l’ensemble du territoire national.
C’est un matériau qui a un fort caractère liant mais les phénomènes de retrait qu’il provoque rendent quelque peu difficile son utilisation par rapport à la latérite.
2.1. Définition
Les argiles ont une origine géologique secondaire. Elles ont été formées par la dégradation des roches volcaniques. Il s’agit de matériaux hétérogènes à différentes échelles. A l’échelle macroscopique, elles sont souvent associées à d’autres minéraux résidus de la transformation: quartz, micas, feldspaths, calcites et divers détritus, en plus des impuretés telles les oxydes et hydroxydes de fer. A l’échelle microscopique, elles présentent une structure en feuillet. Les matériaux argileux silico-alumineux constituent souvent des mélanges naturels complexes de minéraux dont la granulométrie et les propriétés physico-chimiques sont très variables. A l'état de fines particules, les
