APPLICATION DE LA METHODE DE TAGUCHI DANS L’OPTIMISATION DES PROPORTIONS DU MELANGE POUR LE BETON LEGER DE COQUE DE NOIX DE PALMISTE (BCNP)

REPUBLIQUE DU BENIN

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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

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UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

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DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL

OPTION : BATIMENTS ET TRAVAUX PUBLICS ************

MEMOIRE DE FIN DE FORMATION

POUR L’OBTENTION DU

DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION

THEME

Présenté par:

DOVONOU Maldrine Imelda T.

Soutenue publiquement le 23 février 2019 devant le jury composé de : Président : Pr ADJOVI C. Edmond, Enseignant à l’EPAC/UAC

Membres :

1) Dr GIBIGAYE Mohamed, Maître mémoire 2) Dr SAVY Mathias, Enseignant à l’EPAC/UAC

3) Mr AVOGBANNANON Rodolphe S., Collaborateur externe de l’EPAC

11

^ème

Promotion

Année Académique 2017-2018

APPLICATION DE LA METHODE DE TAGUCHI DANS L’OPTIMISATION DES PROPORTIONS DU MELANGE

POUR LE BETON LEGER DE COQUE DE NOIX DE

PALMISTE (BCNP)

DEDICACE

DEDICACE

A mon père Marcel C. DOVONOU et à ma mère Alexandrine B. DOVONOU née ATTIGNON pour leur attachement au sens de la responsabilité parentale. Veuillez accepter ce travail, comme ma profonde reconnaissance pour avoir été les principaux artisans de mon avenir. Puisse Dieu, Tout Puissant, vous combler de joie et de bonheur.

REMERCIEMENTS

Je ne saurais commencer ce mémoire sans remercier Dieu tout Puissant pour son assistance et sa protection de tous les jours : « Tout vient de toi Seigneur et nous venons t’offrir ce que ta main nous donne par amour et par bonté ». L’élaboration du présent mémoire a été possible grâce à la contribution, à l’expertise, au soutien et à la franche collaboration de plusieurs personnes à qui j’exprime ici ma gratitude. Je tiens donc à exprimer mes sincères remerciements :



A M. Guy ALITONOU, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, pour le cadre et les moyens mobilisés pour notre formation ;



A M. François Xavier FIFATIN, Directeur adjoint de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi.



A M. Gossou Jean HOUINOU, Enseignant à l’Université d’Abomey-Calavi, Chef du Département de Génie Civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi.



A M. Mohamed GIBIGAYE, mon maitre de mémoire pour m’avoir encadré durant ce travail. Merci pour vos apports, vos conseils, vos analyses pertinentes, votre implication personnelle malgré vos multiples charges ; Encore Merci! 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. KATTE Ahouéfa Reine mon encadreur pour son soutien indéfectible, ce mémoire n’est que la conséquence de ses conseils, de son suivi et de la valeur qu’elle a su accorder à ce travail



Au Docteur Gildas GODONOU, et Au Docteur YABI P. Crespin pour leurs conseils, assistances toutes mes reconnaissances pour vos apports.

Remerciements

REMERCIEMENTS



A toute l’équipe de recherche, je veux nommer le Docteur Clément LABINTAN, les Ingénieurs Doctorants Mariette ADAGBE, Joël KOTY, Christian ADADJA, Christian KOUKOUBOU, Raoul SEKLOKA pour avoir été le creuset d’échange et de solidarité pour une bonne évolution des travaux, le mérite nous revient à tous.

A tout le corps enseignant du département de Génie Civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey- Calavi pour leurs dévouements et la qualité de leurs enseignements. Je veux citer :

 M. Edmond ADJOVI, Professeur Titulaire en sciences et techniques ;

 M. Aïssè Gérard GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités ;

 M. Victor S. GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités ;

 M. François de Paule CODO, Maître de Conférences des Universités ;

 M. Martin AÏNA, Maître de Conférences des Universités ;

 M. Adolphe TCHEHOUALI, Maître de Conférences des Universités ;

 M. Crépin ZEVOUNOU, Maître Assistant des Universités ;

 M. Ezéchiel ALLOBA, Maître Assistant des Universités ;

 M. Léopold DEGBEGNON, Maître Assistant des Universités ;

 M. Taofic BACHAROU, Maître Assistant des Universités ;

 M. Valery DOKO, Maître Assistant des Universités ;

 M. Agapi HOUANOU, Enseignant à l’EPAC;

 M. Epiphane T. S. WANKPO, Enseignant à l’EPAC ;

 M. Architecte Noël DIOGO, Enseignant à l’EPAC ;

 M ^me Agathe HOUINOU, Enseignante à l’EPAC ;

 M. Codjo Luc ZINSOU, Enseignant à l’EPAC;

 M. Gédéon CHAFFA, Enseignant à l’EPAC

- Au laborantin M. Olivier TCHEDE du département de Génie Civil ; - À tout le personnel de l’entreprise « DIC-BTP » ;

- A tout le personnel du Laboratoire d’Essai et de Recherche en Génie Civil (LERGC.SA) spécialement M. Jean –Claude DOUBIYI et M. Pascal TOMINAN ;

- A mes collègues Princia ASSOGBA, Charlotte DJOTINHEKPON, Ismailou YESSOUFOU, Kassir BOUSSARI, Emmanuel BANKOLE, Zouroukanéri SERO Yacine ABIBOU et de Josky KOMAGBE DJIFFA dont les remarques, les suggestions et la solidarité ont amélioré le travail. A tous mes camarades de la 11^ème promotion avec qui nous avons passé cinq (5) mémorables années de notre vie et pour les nostalgiques moments d’entraide, de solidarité et de joie ;

REMERCIEMENTS Je voudrais aussi porter une mention toute spéciale sur toute ma famille. Ainsi je pense tout particulièrement :

 A toute la famille ATTIGNON et DOVONOU

 A mes sœurs Inès, Perette et à mon frère Prince, pour leur affection fraternelle, leur amour et surtout leurs édifiants conseils.

 A Christian OGOUGBE, Radji OURA,

J’adresse aussi mes sentiments de profonde reconnaissance à tous ceux qui, de près ou de loin m’ont aidé d’une manière ou d’une autre tout au long de ma formation et pendant la rédaction de ce document.

RESUME

Dans cette étude, les paramètres des proportions du mélange du béton léger de coque de noix de palmiste (BCNP), sont analysés en utilisant la méthodologie de conception expérimentale Taguchi. Une analyse des effets de ces facteurs sur les résistances mécaniques a été faite en utilisant le processus ANOVA pour obtenir les conceptions optimales. À cet effet, les mélanges ont été conçus dans un tableau orthogonal L16 avec quatre facteurs et une interaction, à savoir : le rapport E/C, le dosage en ciment, le rapport Q/S, la quantité d’air occlus et l’interaction entre le dosage en ciment et le rapport E/C. Les mélanges obtenus, à l’état frais et durcis tiennent compte de l'ensemble des exigences pratiques et techniques que doivent respecter le BCNP.

Notre étude comporte deux phases essentielles :

La première vise la détermination des principales caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux utilisés, le choix du tableau orthogonal et la réalisation des différentes gâchées dans le domaine de notre étude.

La deuxième se résume à l’étude des effets des facteurs sur les valeurs moyennes des réponses mesurées en tenant compte des interactions qui existent entre les différents constituants grâce au logiciel MINITAB (Ver. 17).

Les résultats obtenus ont montré que le rapport Q/S a un effet significatif sur la résistance en compression et que le dosage en ciment influence plus la résistance en traction.

Le BCNP obtenu est classé donc comme un béton de structure. Les meilleurs niveaux possibles pour les proportions du mélange ont été déterminés pour optimiser la résistance en compression et la résistance en traction des échantillons à 28 jours.

Mots Clés : Optimisation, béton de coque de noix de Palmiste (BCNP), formulation, Résistance en compression, Résistance en traction, méthode Taguchi, ratio signal/bruit.

Résumé

ABSTRACT

In this study, mix proportion parameters of lightweight oil palm shell concrete (BCNP) mix are analyzed by using the Taguchi’s experiment design methodology. An analysis of the effects of these factors on mechanical strengths was made by using the ANOVA process to obtain optimal designs. For that purpose, mixtures were designed in a L16 orthogonal array with four factors and one interaction, namely the E/C ratio, the cement dosage, the Q/S ratio, the amount of air entrapped and the interaction between the cement dosage and the E/C ratio. The mixtures are obtained, to the both in fresh and hardened states and meet the entire practical and technical requirements that the BCNP must meet.

Our study has two essential phases:

The first one aims to determine the main physical and mechanical characteristics of the materials used, the choice of the orthogonal table and the realization of the various wastes in the field of our study.

The second phase comes down to the study of the effects on the average values of the responses measured on the tenant account the interactions between the different constituents thanks to the software MINITAB (Ver.17).

The results obtained showed that the Q / S ratio has a significant effect on the compressive strength and that the cement dosage influences the tensile strength more. The BCNP obtained is therefore classified as a structural concrete. The best possible levels for the proportions of the mixture were determined to optimize the compressive strength and the tensile strength of the samples at 28 days.

Keywords: Optimization, Oil palm shell concrete (BCNP), formulation, compressive strength, tensile strength, Taguchi method, signal-to-noise ratio.

Abstract

SOMMAIRE

SOMMAIRE

Dédicace ...

Remerciements ... iii

Résumé ... vi

Abstract ... vii

Sommaire ... viii

Liste des sigles et abréviations ... xi

Liste des notations ... xii

Liste des annexes ... xiii

Liste des figures ... xv

Liste des photos ... xvii

Liste des tableaux ... xix

Introduction ... 1

Contexte, Justification et problématique ... 1

Objectifs ... 3

Plan d’étude ... 4

Chapitre 1: Généralités et synthèse bibliographique ... 5

1.1. Généralités sur les bétons de granulats légers ... 6

1.1.1. Définitions ... 6

1.1.2. Classification des bétons de granulats légers ... 7

1.2. Propriétés des granulats légers pour béton de structure ... 12

1.2.1. Classification des granulats légers ... 12

1.2.2. Propriétés physiques des granulats légers ... 13

1.2.3. Propriétés mécaniques des granulats légers ... 16

1.3. Les bétons de Coque de Noix de Palmiste: Matériaux des éléments de structure de bâtiment ... 18

1.3.1. Les granulats de coques de noix de palmiste (CNP) ... 18

1.3.2. Propriétés physiques du BCNP ... 20

1.4. Synthèse bibliographique ... 30

SOMMAIRE

Chapitre 2: Théorie de la méthode de Taguchi pour l’optimisation des procédés ... 34

2.1.Généralité sur la méthode de Taguchi ... 35

2.1.1. Historique de la méthode de Taguchis ... 35

2.1.2. Particularité de l'approche de Taguchi ... 36

2.2. Concepts et principe de base de la méthode de Taguchi ... 37

2.2.1. Concepts de la méthode de Taguchi ... 37

2.2.2. Théorie de base de la méthode de Taguchi ... 38

2.3. Démarche méthodologique de Taguchi pour l’optimisation des procédés ... 41

2.3.1. Les différentes étapes de la méthodologie de Taguchi ... 41

2.3.2. L’utilisation du logiciel MINITAB ... 50

2.4. Les avantages et les limites de la méthode Taguchi ... 54

2.4.1. Avantages ... 54

2.4.2. Limites ... 54

Chapitre 3: Matériaux,Matériel et Méthodes ... 56

3.1.Caractérisation des matériaux entrant dans la confection du BCNP ... 57

3.1.1. Le ciment ... 57

3.1.2. L’eau ... 58

3.1.3. Le Sable ... 58

3.1.4. Les coques de noix de Palmiste ... 62

3.2. Procédé d’optimisation du BCNP ... 66

3.2.1. Mise en application de la méthode de Taguchi ... 67

3.3. Mise au point du BCNP ... 72

3.3.1. Préparation des coques de noix de palmiste (CNP) ... 72

3.3.2. Mise en place du béton ... 73

3.3.3. Conservation des éprouvettes ... 74

3.4. Essais de caractérisation du béton léger de coques de noix de palmistes ... 77

3.4.1. Essais réalisés sur le béton frais ... 77

3.4.2. Essais réalisés sur le béton durci ... 78

Chapitre 4 : Résultats et Discussionss ... 82

4.1 Formulation des bétons ... 83

4.2 Optimisation des proportions des constituants/ Interpretation des résultats avec le processus ANOVA ... 84

4.2.1. Effets des facteurs sur les valeurs moyennes des réponses mesurées ... 84

SOMMAIRE

4.2.2. Analyse statistique des données ... 91

4.3 Caractéristiques physiques et mécaniques du béton de coque de noix de Palmiste BCNP ... 94

4.3.1. Evolution de la résistance en compression à 28 jours du BCNP en fonction du rapport Q/S ... 94

4.3.2. Evolution de la densité durci du BCNP en fonction de la résistance en compression à 28 jours ... 96

4.3.3. Evolution de l’Affaissement du BCNP en fonction de la résistance en compression à 28 jours ... 97

Conclusion ... 99

Références Bibliographiques ... 100

Annexes ... 107

Table des Matières ... 125

LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS

ACI : American Concrete Institute

AG : Analyse granulométrique

PSRAA : Plan Stratégique de Relance du secteur Agricole MAEP : Ministère de l’Agriculture de l’Elevage et de la Pêche

ODD : Objectifs de Développement Durable

Dr : Docteur

ACCP : Association Canadienne du Ciment Portland

AMDEC : Analyse des Modes de Défaillance et l’Etude des Criticités

ECL : Electrical Communication Laboratory

S/N : Signal/Bruit

EN : European Norms

BCNP : Béton de Coque de Noix de Palmiste

CNP : Coque de Noix de Palmiste

MPa : Méga Pascals

LERGC : Laboratoire d’Essais et de Recherches en Génie Civil

Pr : Professeur

Ir : Ingénieur

ANOVA : Analysis Of Variance

Liste des sigles et abréviations

LISTE DES NOTATIONS

Fcj : Résistance à la compression à j jours d’âge Ftj : Résistance à la traction à j jours d’âge

Ø : Diamètre

ρ : Masse volumique

Q/S : Rapport coque sur sable

E/C : Rapport Eau sur Ciment

CEM II : Ciment Portland avec Ajout

Liste des notations

LISTE DES ANNEXES

ANNEXE 1 : Quelques tables de Taguchi ... 108

ANNEXE 2 : Caractéristiques des granulats ... 109

2.1 Résultat de l’analyse granulométrique du sable ... 109

2.2 Classification des matériaux selon le coefficient d’uniformité HAZEN ... 109

2.3 Résultat de l’Equivalent de Sable ES ... 110

2.4 Valeur d’Equivalent de Sable et Interprétation ... 110

2.5 Résultat de la détermination de la masse volumique réelle pré séchée du sable : méthode du pycnomètre ... 111

2.6 Résultat de la détermination de la masse volumique en vrac du Sable ... 112

2.7 Résultat de l’AG des CNP ... 112

2.8 Résultat de la détermination de la masse volumique en vrac des CNP ... 113

2.9 Résultat de la détermination de la masse volumique réelle pré séchée des CNP : méthode du pycnomètre ... 114

ANNEXE 3 : Essai de Caractérisation des bétons de CNP ... 115

3.1 Résultat de l’affaissement au cône du BCNP ... 115

3.2 Masse volumique du béton frais ... 116

3.3 Masse volumique du béton durci ... 117

3.4 Résistance en compression du BCNP ... 118

3.5 Résistance en traction par fendage du BCNP à 28 jours ... 119

3.6 Récapitulatif des caractéristiques mécaniques du BCNP à 28 jours ... 120

ANNEXE 4 : Résultat d'essai des propriétés mécaniques du béton de CNP en utilisant la table ... 121

4.1 Tableau utilisé pour le calcul des effets de facteurs sur la résistance en compression à 28 jours ... 121

Liste des annexes

LISTE DES ANNEXES 4.2. Tableau utilisé pour le calcul des effets de facteurs sur le ratio S/N correspondant à la résistance en compression à 28 jours ... 122 4.3. Tableau utilisé pour le calcul des effets des facteurs sur la résistance en traction à 28 jours ... 123 4.4. Tableau utilisé pour le calcul des effets des facteurs sur le ratio S/N correspondant à la résistance en traction à 28 jours ... 124

LISTE DES FIGURES

Figure 1-1 : Vue agrandie des vides dans le béton cellulaire [21] ... 8

Figure 1-2 : Représentation schématique du béton caverneux[1] ... 9

Figure 1-3 : Représentation schématique du béton de granulat léger[1] ... 10

Figure 1-4 : Différents types de pores intra-granulaires ... 13

Figure 1-5 : Etats d’humidité d’un granulat [28] ... 15

Figure 1-6 : La zone palmier à huile au Bénin[8] ... 18

Figure 1-7 : Courbe d’absorption d’eau des CNP [6]. ... 21

Figure 1-8 : Détermination du dosage en ciment en fonction du rapport C/E et de l’affaissement[20] ... 25

Figure 1-9 : Détermination du rapport Q/S des volumes absolus de coques et de sable[20] ... 26

Figure 2-1 : Algorithme de la méthode de Taguchi [69] ... 42

Figure 3-1 : Courbe représentative des résultats d’analyse granulométrique sur le sable ... 59

Figure 3-2 : Courbe représentative des résultats d’analyse granulométrique sur les coques de noix de palmiste ... 65

Figure 4-1 : Mode de calcul des valeurs moyennes pour chaque niveau de chaque facteur ... 85

Figure 4-2 : Effets principaux des facteurs sur la résistance en compression à 28 jours ... 86

Figure 4-3 : Effets principaux des facteurs sur le ratio S/N de la résistance en compression à 28 jours ... 86

Figure 4-4 : Effets principaux des facteurs sur la résistance en traction à 28 jours ... 89

Figure 4-5 : Effets principaux des facteurs sur le ratio S/N de la résistance en traction à 28 jours ... 90

Figure 4-6 : Evolution des résistances en compression à 28 jours en fonction du rapport Q/S .... 94

Figure 4-7 : Evolution des masses volumiques en fonction de la résistance en compression à 28 jours ... 96

Liste des figures

LISTE DES FIGURES Figure 4-8 : Evolution de l’affaissement en fonction de la résistance en compression à 28 jours ... 97

LISTE DES PHOTOS

Photo 1.1 : Quelques granulats légers naturels ; de gauche à droite : Coques de noix de palmiste

[26], Pierre ponce et Laitier volcanique [27] ... 12

Photo 1.2 : Quelques granulats légers artificiels ; de gauche à droite : Argile expansée, Cendres volantes [27] ... 13

Photo1.4: Mode traditionnel de séparation ... 19

des coques et de l’amande de la noix de Palmiste [32] ... 19

Photo 1.3 : Machine écrasant les coques de noix de palmistes [32] ... 19

Photo1.5 : Déchets obtenus après tamisage [32] ... 19

Photo1.6 : Coques de noix de palmistes débarrassées de tous déchets [32] ... 19

Photo 3-1 : Le Ciment CEM II 42.5 ... 57

Photo 3-2 : Le Sable de la carrière de DEKOUNGBE ... 58

Photo 3-3 : Les coques de noix de palmiste provenant de MISSERETE ... 63

Photo 3.4 : Tamisage des coques ... 63

Photo 3.5 : Lavage des coques à l’eau simple ... 63

Photo 3.6 : Coques trempés dans la solution de potasse ... 64

Photo 3.7 : Coques après lavage ... 64

Photo 3.8 : Séchage de coques traitées à la potasse ... 64

Photo 3.9 : Eprouvette de 11 x 22cm ... 67

Photo 3.10 : Procédé d’égouttage des coques après imbibition ... 73

Photo 3.11 : Serrage du béton dans le moule de prélèvement ... 73

Photo 3.12 : Béton de CNP dans les éprouvettes ... 73

Photo 3.13: Conservation des bétons confectionnés ... 74

Photo 3.14: Pied à coulisse utilisé pour la mesure des hauteurs et diamètres ... 78

Liste des photos

LISTE DES PHOTOS Photo 3.15 : Balance de portée 65kg et de précision 5 g pour la mesure de la masse du béton

durci ... 78

Photo 3.16: Machine contenant le BCNP comprimé soumis à la charge ... 80

Photo 3.17: Machine pour l’essai de compression et de traction ... 80

Photo 3.18 : Machine contenant le BCNP tracté soumis à la charge ... 81

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : Classification du béton léger selon la masse volumique d’après la norme SN EN 206-

1 [19] ... 7

Tableau 1.2: Valeurs du coefficient granulaire G pour les bétons de plasticité courante[20] ... 25

Tableau 1.3: Valeurs de la compacité [20] ... 26

Tableau 3.1 : Composition chimique du ciment (Source : Laboratoire NOCIBE) ... 57

Tableau 3.2 : Composition physique du ciment (Source : Laboratoire NOCIBE) ... 58

Tableau 3.3 : Composition mécanique du ciment (Source : Laboratoire NOCIBE) ... 58

Tableau 3.4 : Niveaux des facteurs ... 68

Tableau 3.5 : Calcul des ddl ... 70

Tableau 3.6 : Niveaux et facteurs ... 70

Tableau 3.7 : Tableau orthogonal L16 choisie ... 71

Tableau 3.8 : Proportion de chaque élément constituant le mélange pour 1m³ de béton de CNP 72 Tableau 3.9 : Récapitulatif du nombre d’éprouvette écrasés aux j jours d’âge du béton de CNP pour obtenir la résistance en compression ... 79

Tableau 4.1 : Proportions des éléments constituant le mélange pour 37,965 L de béton ... 83

Tableau 4.2 : Récapitulatif des valeurs moyennes de la résistance en compression à 28 jours .... 84

Tableau 4.3 : Récapitulatif des valeurs moyennes des ratios S/N de la résistance en compression à 28 jours ... 85

Tableau 4.4 : Récapitulatif des valeurs moyennes de la résistance en traction à 28 jours ... 88

Tableau 4.5 : Récapitulatif des valeurs moyennes des ratios S/N de la résistance en traction à 28 jours ... 89

Tableau 4.6 : Analyse de la variance pour la moyenne de la résistance en compression à 28 jours du BCNP ... 91

Liste des tableaux

LISTE DES TABLEAUX Tableau 4.7 : Analyse de la variance pour la moyenne de la résistance en traction à 28 jours du BCNP ... 92 Tableau 4.8 : Proportions optimales du mélange pour les résistances mécaniques du BCNP selon la méthode de Taguchi ... 98

INTRODUCTION

Introduction

Contexte et Justification

La forte demande du béton à partir de granulat de poids normal comme : le gravier et les roches concassés dans la construction réduit considérablement les gisements de pierres naturels ce qui endommage l’environnement provoquant ainsi un déséquilibre écologique [1]. Cette situation préoccupe l’ensemble de la planète. C’est ce qui justifie la mise en place des objectifs de développement durable (ODD) notamment les objectifs 9 et 11.

Il est alors nécessaire de faire recours à de nouveaux matériaux, disponibles localement et pouvant répondre efficacement aux besoins de la population. A ce titre, de nombreux chercheurs ont envisagé depuis plusieurs années la production du béton composite à partir de résidus agricoles et de déchets industriels[2],[3],[4],[5],[6],[7]. Parmi ces résidus, figurent les coques de noix de palmiste qui sont issues de l’exploitation du palmier à huile.

Au Bénin, plus de 300 000 tonnes de coque de noix de palmiste (CNP) sont produites chaque année [8].Dans les zones de production du palmier à huile, ces coques sont souvent utilisées comme agrégats grossiers en remplacement partiel ou total du gravier pour la confection du béton dans les éléments structurels des maisons (avec ou sans étages multiples) [9].

Il faut reconnaitre que les propriétés physiques et mécaniques ont été suffisamment étudiées par des auteurs antérieurs tels que : ACCALOGOUN [3], MANNAN [9],ALENGARAM [10]

GODONOU [6], de SOH FOTSING [11],et de KATTE [12]. Cependant, il est important de remarquer que les méthodes de formulation de ce composite présentent des limites surtout lorsque l’on s’inscrit dans une démarche d’optimisation des constituants. C’est dans ce contexte que s’inscrit le présent travail.

Problématique

Le Béton de CNP a fait l’objet de plusieurs études au cours de ces dix dernières années. Ces différentes études ont permis d’aboutir à des propriétés physiques et mécaniques intéressantes pour une utilisation de ces matériaux dans les éléments de structure. L’atteinte de bonnes performances mécaniques du béton de CNP est conditionnée par les caractéristiques intrinsèques des différents constituants ainsi que de leurs proportions. S’agissant des proportions, il existe dans le cadre des bétons classiques des méthodes de formulations éprouvées qui permettent de connaitre les proportions des constituants à partir des caractéristiques recherchées pour le béton. Cependant, il n’existe pas de telles méthodes pour le béton utilisant des granulats organiques grossiers tels que les CNP [13] . Plusieurs études se sont intéressées ces dernières années à la composition du béton

INTRODUCTION léger de structure utilisant les CNP comme agrégats ceci dans une démarche d’optimisation. A ce titre MANNAN [14] a montré que les méthodes usuelles de formulation des bétons légers ne sont pas adaptées pour le béton de CNP. Cette même remarque a été faite par GODONOU en 2012 [6].

MANNAN a alors conclu que seule la méthode essai-erreur permet d’aboutir à des performances intéressantes pour le béton de CNP. A la suite de ces travaux, une démarche structurée de formulation aboutissant à la méthode des volumes absolus a été élaborée par GIBIGAYE et al.

[12]. À travers cette démarche, les principaux paramètres de formulation ont été fixés de manière à atteindre les propriétés spécifiques recherchées pour les bétons de CNP après de nombreux essais. Parmi ces paramètres, nous pouvons citer le dosage en ciment, le rapport E/C, et le rapport Q/S. Ainsi, la plupart de ces méthodes de formulation du Béton de Coque de Noix de Palmiste BCNP satisfont aux spécifications techniques et reposent sur des essais et des erreurs ou des méthodes empiriques entrainant la réalisation de nombreux essais et la perte de temps. Il va falloir envisager l’utilisation d’une autre méthode permettant d’optimiser les proportions des constituants de ce béton tout en répondant à la volonté de réduire les coûts de mise en œuvre du béton, de gagner du temps ,de réduire le nombre d’essais, de viser la qualité, et d’obtenir la performance mécanique requise. Le choix s’est donc porté sur la méthode de Taguchi.

Aucun des travaux n’a été effectué dans le cadre de l’utilisation du modèle statistique de Taguchi pour estimer la résistance de ce type de béton. Par contre, cette méthode a été utilisée pour d’autres composites et a donné de meilleurs résultats. En 2005 NURUDDIN et al., [15] ont utilisé cette méthode comme processus d’optimisation pour déterminer une composition optimale du béton cellulaire de cendre de riz. Ils ont étudié l’influence des paramètres les plus importants sur l’augmentation de la résistance en compression et en traction d’une part, puis sur la diminution de la densité sèche, de la porosité, et de l’absorption en eau d’autre part. Ces expériences leur ont permis de conclure que les meilleurs niveaux de mélanges de proportions possibles sont déterminés pour la maximisation par la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage et la vitesse d’impulsion ultrasonore. La densité sèche, la porosité et l'absorption d'eau ont pu être vraiment minimisées par les proportions de mélange optimales proposées. De même, en 2009 ERDOGAN OZBAY et al., [16] ont utilisé cette même méthode pour optimiser les proportions des constituants du béton auto-compactant à haute résistance . Les meilleurs niveaux possibles pour les proportions de mélange sont déterminés pour maximiser la vitesse d'impulsion ultrasonore, la résistance en compression, la résistance à la rupture, la résistance à la traction, la réduction de la teneur en air, la perméabilité à l'eau, et les valeurs d'absorption d'eau. En 2017 en Algérie, DALI YOUCEF SOUHILA [17] a utilisé cette méthode pour déterminer un ensemble de

INTRODUCTION modèles prédictifs en fonction de la proportion des constituants des bétons formulés à base de matériaux de qualité et qui donnent des bétons de qualité. Les résultats obtenus ont montré que le rapport E/C est le principal facteur qui gouverne le comportement rhéologique et mécanique des bétons.

La méthode Taguchi utilisée dans le cadre de l’optimisation des constituants du BCNP se base sur la démarche qualité et est intéressante dans le sens où elle permettra de faire réduire le nombre de mélanges testés tout en faisant varier plusieurs paramètres (facteurs) à la fois. Cette démarche permet à la fois d’évaluer les effets des constituants du BCNP et leurs interactions et de développer des modèles prédictifs qui peuvent être facilement exploités dans le cadre de l’élaboration d’une méthode de formulation et de l’analyse du comportement du béton de CNP.

Objectifs

L’objectif principal visé est :



D’optimiser les proportions des constituants du mélange pour le béton léger de coque de noix de palmiste (BCNP) par la méthode de Taguchi

L’atteinte de cet objectif est régie par la satisfaction des objectifs spécifiques qui sont définis comme suit :



Déterminer les propriétés physiques et mécaniques des constituants du BCNP ;



Identifier à partir de la revue bibliographique les paramètres clés de formulations et les interactions qui concourent à l’optimisation des proportions des constituants ;



Identifier le tableau orthogonal approprié pour obtenir les différentes proportions à mélanger dans le cadre de l’expérimentation au laboratoire;



Déterminer les proportions qui permettent d’atteindre une résistance mécanique maximale ;

INTRODUCTION

Plan d’étude

Le présent travail se déroulera essentiellement en quatre chapitres. Le premier chapitre va se consacrer aux généralités et à la synthèse bibliographique. Il offre une présentation générale des granulats légers, des bétons légers ainsi qu’un récapitulatif des travaux antérieurs effectués sur les méthodes de formulation du béton de coques de noix de palmistes. Le deuxième s’intéressera à la théorie de la méthode de Taguchi. Dans le troisième chapitre, il s’agira de présenter les matériaux, matériel et méthodes de réalisation des manipulations. Le quatrième chapitre s’articulera autour des résultats et leurs analyses.

Chapitre 1 : GENERALITES ET SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

Chapitre 1 ^: Généralités et synthèse

bibliographique

Chapitre 1 : GENERALITES ET SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

Dans ce chapitre, nous présenterons d’abord les généralités sur les bétons de granulats légers, ensuite des propriétés physiques, et mécaniques des granulats légers, enfin la généralité sur les bétons de coque de noix de palmiste (CNP) ainsi que des méthodes de formulation du BCNP.

1.1. Généralités sur les bétons de granulats légers 1.1.1. Définitions

Le béton est un mélange de plusieurs composants très différents dont les uns sont actifs et les autres inertes [18]. Ce matériau présente des caractéristiques qui sont fonction de celles de ces composants. Le béton ordinaire est un terme générique qui désigne un matériau de construction composite constitué d’un mélange de granulats (sable, gravillons) agglomérés par un liant. Le liant peut être «hydraulique», car il fait prise par hydratation. On obtient dans ce cas un béton tout court.

Le liant peut être aussi un hydrocarboné appelé aussi bitume, ce qui conduit à la fabrication du béton bitumineux. Ainsi, le béton est donc un matériau de construction composite moderne, simple d’emploi et extrêmement répandu. On classe le béton en trois grandes catégories en fonction de sa masse volumique après séchage à l’étuve. Ainsi nous avons le béton lourd, le béton normal et le béton léger.

Le béton lourd

Avec une masse volumique supérieure à 2600 kg/m³ [19]. Il est réalisé à base de granulats spéciaux de densité élevée (barytine, magnétite, hématite, plomb…). Il est souvent utilisé pour la réalisation des ouvrages de protection contre les radiations (rayons X, gamma et autres rayons radioactifs) et autres rayonnements produits. La protection étant d’autant plus efficace que l’épaisseur est plus grande et la densité du béton plus élevée [20].

Le béton normal

Encore appelé béton ordinaire, il a une masse volumique comprise entre 2000 et 2600 kg/m³ [19]. C’est le béton fait à partir des granulats dits courants. Ces granulats 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 dragués en rivières ou en mer, et les granulats concassés obtenus à partir de roches exploitées en carrière[20].

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Le béton léger

La première utilisation du béton léger est connue avant J.C. dans les constructions de l’Empire Romain en méditerranée. Mais ce n’est qu’en 1928 que le béton léger fut commercialisé. Le béton léger est obtenu par réduction de la masse volumique par rapport à celle du béton courant. La densité de ces bétons est relativement faible par rapport à la densité 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 le tableau ci-dessous le définit :

Tableau 1.1 : Classification du béton léger selon la masse volumique d’après la norme SN EN 206-1 [19]

1.1.2. Classification des bétons de granulats légers

La classification peut se faire de deux manières : du point de vue de la constitution et de la destination.

1.1.2.1. Béton léger du point de vue de la constitution Béton cellulaire

Le béton cellulaire s’identifie à un mortier contenant une multitude de poches d’air. Ainsi, la présence de nombreuses cellules minuscules détermine la structure du béton cellulaire. Il est fabriqué en différentes masses volumiques pouvant varier entre 350 et 650 kg/𝑚³ (béton ordinaire : 2400 kg/𝑚³). Les cellules occupent 80 % du volume total ce qui justifie sa légèreté (fig 1.1). On

Classe de masse volumique

D1,0 D1,2 D1,4 D1,6 D1,8 D2,0

Plage de masse volumique [kg/m3]



800 et



1000



1000 et



1200



1200 et



1400



1400 et



1600



1600 et



1800



1800 et



2000

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d’hydrogène et les microcellules, de dimension capillaire, formées lors de l’expansion de la masse et réparties dans la partie consistante de cette masse [21]. Les matières premières nécessaires à la fabrication du béton cellulaire sont :

 du sable blanc très pur (95 % de silice)

 de la chaux

 du ciment

 de la poudre d’aluminium

 de l’eau [21]

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 soient petits, 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[7] .

Figure 1-1 : Vue agrandie des vides dans le béton cellulaire [21]

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Béton caverneux ou béton sans fins

Le béton caverneux est un béton dont la formulation va dans le sens d’une suppression totale des éléments fins (le sable): il ne compte que du ciment, de l’eau de gros granulats et dans une certaine mesure une très faible proportion de sable [22].

Neville (1996) a montré que la suppression des éléments fins crée à l’intérieur du béton, de larges cavités, ce qui provoque une diminution de la masse volumique et une chute de résistance à la compression. Dans la réalité, pour un béton ne contenant pas de sable il se produit une agglomération de gros granulats dont les particules sont recouvertes par un film de pâte de ciment d’une épaisseur allant de 1 à 3mm [23].

Le béton devient dès lors poreux (fig 1.2). Dans ces conditions, on peut enregistrer des masses volumiques de l’ordre de 1600 à 1800 kg/𝑚³ pour des résistances à la compression allant de 3 à 7 MPa à 28 jours, et ce, même en utilisant des granulats conventionnels [20].

Les bétons caverneux sont fabriqués avec un minimum d’eau pour éviter le lavage de la pâte de ciment sur les granulats. Ils présentent une forte absorption d’eau et sont utilisés comme matériaux drainants en raison de leur porosité. Ils trouvent principalement leur application dans la construction de murs porteurs de bâtiments domestiques. On utilise le béton caverneux pour exécuter des parties de bâtiments ou d’ouvrages où la résistance n’est pas spécialement recherchée : murs en béton banché, béton de remplissage. Ce béton présente l’avantage d’être économique tant sur le plan matériaux (faible dosage en ciment), sur la mise en œuvre (pas de vibration, simple piquage par couches successives) que sur les coffrages, car ces bétons poussent peu. Leur texture très ouverte en fait un matériau de bonne isolation thermique et surtout s’oppose parfaitement aux remontées d’humidité par capillarité [21] . Ils ont comme inconvénients leur très faible résistance et leur aspect « caverneux » qui nécessite parfois un enduit rapporté qui s’accroche évidemment très bien, et ils manquent totalement d’étanchéité.

Figure 1-2 : Représentation schématique du béton caverneux[1]

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Béton de granulats légers

Le béton de granulats légers est un béton dans lequel les granulats eux-mêmes possèdent des pores. C’est un béton obtenu par diminution de la masse volumique en remplaçant une certaine quantité du matériau solide par de l’air (incorporation de l’air dans la matrice des gros granulats).

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 remontée jusqu’à 3000 ans avant le Christ. Les granulats légers qui entrent 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 40 MPa avec le béton d’argile ou de schiste expansé de densité 1,7 à 1,9 [6].

Figure 1-3 : Représentation schématique du béton de granulat léger[1]

1.1.2.2. Béton léger du point de vue de la destination

Concernant ce critère de classification, les bétons légers sont séparés en (04) quatre grands groupes en fonction de la destination.

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 qui a une résistance à la compression comprise entre 0,7 et 7 MPa et une masse volumique comprise entre 240 et 1440 kg /m³ [23]. 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.

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 Béton léger de faible densité

Ce sont des bétons qui ont une résistance à la compression à 28 jours inférieure à 7 MPa avec une masse volumique variant entre 300 et 800kg/m³ [6]. 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 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.

 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. Les bétons légers de structure, utilisés pour la fabrication d’éléments porteurs, sont souvent 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 [24] recommande une résistance en compression à 28 jours d’au moins 15 MPa et l’ACI Committee [25] quant à elle 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 [26] pour une masse volumique comprise entre 1350 et 1900 kg/m³. 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 qui présentent 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 [23] .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.

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 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 17 MPa 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 qui avoisine des valeurs de l’ordre de 15 MPa, ils peuvent être employés pour la réalisation d’éléments structuraux faiblement chargés [6].

1.2. Propriétés des granulats légers pour béton de structure

1.2.1. Classification des granulats légers

Il existe deux types de granulats légers : les granulats légers naturels et les granulats légers artificiels

 Granulats légers naturels

On retrouve dans la littérature différentes variétés de granulats obtenus de façon naturelle.

Certaines roches, ont à l’état naturel des densités faibles (inférieures à 2)[27],[28]. 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. Parmi les granulats d’origine minérale, les plus fréquemment rencontrés sont les ponces ou les roches sédimentaires comme les calcaires. Les granulats légers naturels prêts à l’emploi sont obtenus souvent après traitement mécanique c’est-à-dire le concassage et le tamisage. 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 [27], Pierre ponce et Laitier volcanique [28]

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 Granulats légers 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 partir 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 [28]

1.2.2. Propriétés physiques des granulats légers 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 [28]. 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) [26] .La forme des pores est plutôt irrégulière. On distingue deux types de pores: les pores ouverts et les pores fermés. Les pores ouverts forment un système poreux continu dans le matériau. Les pores fermés sont isolés et ne sont pas reliés. Seul le système de pore ouvert peut contribuer au transport de la matière dans le matériau. Plus les pores sont interconnectés, plus l’absorption d’eau est élevée. Le pourcentage des pores ouverts dans l’ensemble des pores est très variable selon les natures de granulats légers.

Figure 1-4 : Différents types de pores intra-granulaires

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La densité relative et la densité en vrac

A cause de leur structure cellulaire, la densité relative des particules de granulats légers est plus faible que celle des granulats normaux. Cette densité varie 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 est 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 [25].

La densité en vrac est 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 ronds ou anguleux d’une même particule peuvent montrer une différence d’à peu près 80 kg/m³ [25] .Ce paramètre est à considérer surtout quand il s’agit de faire un mélange de granulats d’origine différente.

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 agrégats légers ont une forte absorption en eau comparés aux agrégats de poids normal qui absorbent 1 ou 2% d’eau rapportés au poids sec des agrégats. Les agrégats ordinaires contiennent une humidité suffisante au moment du dosage, de sorte que, s’ils absorbent de l’eau supplémentaire pendant le mélange, ce n’est qu'en très faible quantité. Ce qui fait qu'avec le béton de densité normale la quantité d'eau de gâchage requise peut facilement être réglé de façon à compenser l'absorption. 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% [25] de leur masse sèche. Les données de la littérature montrent que l’absorption d’eau des granulats légers manufacturés secs varie entre 10 et 20% après 24 heures d’immersion. Cependant le taux d’absorption est très élevé : plus de 50% de l’absorption est souvent complétée dès les toutes premières minutes [29].

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Figure 1-5 : Etats d’humidité d’un granulat [25]

L’absorption d’eau des granulats légers est décrite comme une succession de deux phases :

 Une phase d’absorption rapide (de quelques secondes jusqu’à quelques heures) qui intervient dès que les granulats secs sont immergés ;

 Une période d’absorption plus lente jusqu’à l’atteinte d’une valeur stable (cette phase peut durer jusqu’à deux ans).

D’un point de vue microscopique, ces deux phases s’expliquent par les caractéristiques des pores, c’est-à-dire la structure et la distribution porosimétrique.

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 l’amélioration de la microstructure de la matrice cimentaire aux interfaces pâte-granulats par un effet de filtration [29]. 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 [26].

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1.2.3. Propriétés mécaniques des granulats légers La résistance des granulats légers

Pour les granulats légers, la résistance est de l’ordre de 2 à 5 MPa. Plusieurs essais permettent de caractériser la résistance des granulats légers. Il s’agit de : l’essai d’écrasement au pot, l’essai de compression hydrostatique et de l’essai au fil.

 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 [30] .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.

 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.

 Essai au fil :

Mis au point au Laboratoire de l’Ecole des Mines de Paris (ARMINES), cet essai 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. [31] 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 légers mesurée au cours d’un cycle de charge/décharge en compression.

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Une formule empirique proposée par la littérature [30] permet de mettre en corrélation la résistance du béton et la résistance des granulats obtenue à partir de l’essai au fil :

28

18 6

c g

f   f

Où fc28 est la résistance moyenne du béton en compression à 28 jours exprimée en MPa et fg la résistance des grains, déterminée par l’essai au fil. Quand les granulats ont été prémouillés c’est- à-dire imbibés pour un temps d’immersion de 2 heures, la relation proposée par le même auteur est :

2

28

18 4 1

c g

20

f   f     w   

Où W2 est le pourcentage d’eau absorbée par les granulats légers au bout de 2 heures d’immersion.

L’essai d’écrasement au pot du LCPC reste le seul utilisé de façon courante. Il est malgré tout assez contestable du fait de sa sensibilité à la structure des grains et à la manière dont les gains se mettent en place lors du compactage. L’essai de compression hydrostatique des grains ou l’essai de rupture par étreinte à l’aide d’une boucle de fil d’acier donnent des résultats corrélables entre eux et un classement des granulats nettement plus satisfaisant. Malheureusement, ces essais ne peuvent être exécutés que dans des laboratoires très spécialisés. L’essai de charge/décharge montre une corrélation entre la dissipation d’énergie spécifique (ΔW/W) et les propriétés mécaniques des granulats légers, mais ne permet pas de quantifier la résistance du granulat. Par ailleurs, cette méthode ne tient pas compte des différentes qualités d’interfaces pâte/granulats qui influencent aussi la dissipation d’énergie [28].

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1.3. Les bétons de Coque de Noix de Palmiste: Matériaux des éléments de structure de bâtiment

1.3.1. Les granulats de coques de noix de palmiste (CNP)

 Procédé d’obtention des coques de noix de palmiste

Les coques sont des résidus d’exploitation des noix de palme qui sont issues du palmier à huile.

Sachant que la zone de production par excellence de palmier à huile au Bénin est le sud- Bénin, la carte ci-après indique que les zones de production du palmier à huile sont concentrées plus dans les départements de l’Ouémé, du Mono et au sud du Zou.

Figure 1-6 : La zone palmier à huile au Bénin[8]

Pour l’obtention des coques de noix de palmiste, la démarche adoptée est la suivante. Après la récolte des régimes de palme, 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 de ce processus deux produits : les fibres, qui sont des résidus de la pulpe et la noix de palmiste. Cette

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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 [6]

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 qui restent.

L’ensemble des coques constitue le résidu que nous entrevoyons de valoriser à travers la présente étude.

Photo 1.3 : Machine écrasant les

coques de noix de palmistes [32] Photo1.4: Mode traditionnel de séparation des coques et de

l’amande de la noix de Palmiste[32]

Photo1.6: Coques de noix de palmistes débarrassées de tous

déchets [32]

Photo1.5: Déchets obtenus après tamisage[32]

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 Traitement des coques de noix de Palmiste

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 pour objectifs de les rendre plus propres car leurs surfaces sont recouvertes de déchets et de nappe d’huile [33] de réduire leur taux d’absorption ou d’améliorer leur adhérence à la matrice cimentaire[34].

Plusieurs types de traitement sont proposés dans la littérature. En 2006, MANNAN et al. ont montré que l’utilisation d’une solution à 20% de polyvinyle d’alcool permettait de réduire le taux d’absorption de 23,3% à 4,2% d’une part et d’autre part d’augmenter la résistance en compression à 28 jours de 39,2% [9]. Le traitement à la chaux proposé par TRAORE 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% [34]. 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 [6] et confirmés par KOUMEBLEY [35]. 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. En 2012, GODONOU [6] a montré que les coques lavées simplement à l’eau avaient une compatibilité moyenne de 68% d’où la nécessité de faire un traitement préalable des coques afin d’améliorer la compatibilité entre la matrice cimentaire et les coques.

1.3.2. Propriétés physiques du BCNP



Ouvrabilité et mûrissement des bétons de CNP

L’ouvrabilité et le mûrissement du béton sont très influencés par le taux d’absorption élevé des granulats légers de coque de noix de palmiste (CNP). Le pourcentage d’absorption des coques, caractéristique importante de n’importe quel type de granulat léger, a été étudié et a montré que les coques ont un pouvoir d’absorption de l’ordre de 21 à 23 %[14] .Ce fort taux d’absorption est dû notamment à leur porosité qui est de 37 % [14]. En effet, les CNP ont un taux d’absorption à l’eau non négligeable. Cette absorption n’est pas spontanée car la courbe révèle que plus de 80%

de la valeur maximale d’eau absorbée est atteinte en huit (8) heures d’immersion [6].De plus, la cinétique d’absorption montre que la vitesse d’absorption est quasi nulle au-delà de huit heures.

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Figure 1-7 : Courbe d’absorption d’eau des CNP [6].

Il préférable d’utiliser dans le béton les CNP saturés sec en surface au lieu des CNP secs (211, 1990 (revue 2004)) parce qu’elles offrent à celui-ci une meilleure ouvrabilité. En effet, il n’est plus préférable de prendre en compte l’eau absorbée dans le rapport eau sur ciment. De plus, cette eau saturée dans les pores des granulats peut servir à réguler l’hydratation du ciment quand l’humidité chute. Par contre les granulats sec absorbent l’eau nécessaire à l’hydratation du ciment ce qui réduit l’ouvrabilité et crée des zones de faiblesse dans le béton.

 Masse volumique des bétons légers

Pour l’utilisation du béton de CNP comme béton de structure, la densité est souvent plus importante que la résistance [36]. La masse volumique est un paramètre important qui permet la classification des bétons. Elle est la justification première du recours au béton. La masse volumique du béton frais 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 de CNP. Elle est souvent de l’ordre de 1700kg/m³ à 2000kg/m³ [12],[37].La densité des coque de noix de palmistes varie entre 1,17 et 1,37, tandis que l’épaisseur maximale de la coque s’est avérée être d’environ 4 mm [38]. Lorsque le rapport de volumes absolus du granulat et du sable augmente, la masse volumique diminue en même temps que la résistance en compression [36].

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 Quantité de vides

De façon générale, il est recommandé que les bétons légers contiennent une certaine quantité de vides obtenus à partir des entraineurs d’air afin qu’ils puissent résister au cycle gel-dégel. Les bétons de CNP ont une quantité de vides naturels plus élevée que celle des bétons courants qui est de l’ordre de 4,8 à 5,5 % du volume de la gâchée [33],[9],[14].Mais lorsque cette quantité est très élevée, elle affecte la résistance du béton.

 Porosité

La plage est de 13 à 28% [39].Les valeurs élevées de la porosité des bétons légers en général et de ceux de CNP en particulier pourraient être dues à un rapport E/C élevé et à la compacité du béton ce qui crée des pores dans la pâte de ciment. L’influence de la porosité des granulats de même que celle de l’interface pâte-granulats n’est pas à négliger telle que remarqué par BAROGHEL-BOUNY [40] .Ces valeurs sont celles couramment obtenues pour les bétons de granulats légers.

1.3.3 Propriétés mécaniques des bétons de CNP

 La résistance

Les études ont montré que la résistance en compression du BCNP peut aller jusqu’à 18,63 MPa sans ajout et sans superplastifiant [12] pour une masse volumique de 1800 à 1900 kg/m³.Cette résistance est inférieure à celle des bétons courants de 50% [12]. 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.

Cette résistance peut être perfectionnée en utilisant des CNP de granulométrie continue soit les CNP de taille 2-10 mm [41] dans le mélange. La taille des grains est donc un facteur à prendre en compte du fait que la rupture en compression se fait dans des plans qui coupent le plus grand nombre possible de granulats. La limite imposée par la résistance des gros granulats peut donc être contrecarrée par l’utilisation de granulats de plus petite taille.

Comme les bétons courants, il est possible d’améliorer la résistance 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. En effet, les granulats de CNP sont poreux donc moins résistant qu’un granulat usuel. Dans le but d’améliorer la résistance des bétons de CNP, il a été étudié l’impact de certains ajouts sur le développement de la résistance. Ainsi, l’utilisation de 10%

de cendre volante et un accélérateur de prise comme le chloride de calcium permet d'améliorer les