NOM : NGUYEN PRENOM : Thanh Van Date du Jury : 25 Juin 2012 FORMATION : Master recherche STS Mention Mécanique et Sciences pour l’ingénieur TITRE DU MEMOIRE : Formulation et caractéris
INTRODUCTION
La lutte contre le réchauffement climatique et la raréfaction des sources d’énergie d’origine fossile font de l’efficacité énergétique des bâtiments un sujet prioritaire Cette priorité implique une nouvelle approche dans la conception des constructions, mais aussi des rénovations du bâti existant
Dans ce cadre, le choix de nouveaux matériaux de construction à faibles impacts environnementaux (éco-matériaux) en remplacement de matériaux classiques (polystyrène, laine de verre,…) devient une nécessité Les labels de construction haute qualité environnementale s’imposent, tant pour des constructions publiques que privées
Les matériaux à base de fibres végétales sont une réponse parfaite au problème de l’impact environnemental des matériaux et la réduction des consommations énergétiques du bâtiment La fabrication et l’utilisation de matériaux de génie civil à faible impact environnementaux tel que le béton chanvre, le béton à base de copeaux de bois, la bauge… est déjà mise en place D’autres matériaux tels que la paille, le lin,… sont en attente de valorisation
Le région centre est l’un des plus grands producteurs de paille en France et en Europe Les principaux avantages de la paille sont: la grande disponibilité en France, un matériau renouvelable, des propriétés thermique, hydrique et acoustique exceptionnelles et un très faible impact environnemental lors du processus de production
Cette étude a pour objectif d’étudier la faisabilité d’un béton à base de paille destiné à l’isolation thermique des bâtiments Ce travail est réparti en trois parties : la caractérisation de la paille seule, l’optimisation de la formulation afin de répondre au cahier des charges et la caractérisation du produit final (béton de paille) Plusieurs essais de caractérisation ont été réalisés dans le but de comprendre le comportement de la paille seule Ces essais sont principalement : la granulométrie, l’étude de la microstructure par des observations MEB, l’évolution du pH et de la conductivité d’une solution contenant la paille, l’absorption d’eau, la rétention d’eau et le comportement à haute température (Analyse Thermo-Gravimétrique) Une fois la paille est caractérisée, une étude de formulation a été faite dans le but de concevoir un béton isolant à base de paille Le liant retenu est celui souvent utilisé dans le béton de chanvre appelé Tradical PF 70 Ce liant est à base de chaux aérienne, chaux hydraulique et des pouzzolanes Plusieurs paramètres ont été étudiés tels que le rapport Eau/Liant (E/L) et le rapport Granulat (paille)/Liant (G/L) dans le but de concevoir un béton à la fois maniable et de faible masse volumique La masse volumique est utilisée comme indicateur de la conductivité thermique en l’absence d’un dispositif de conductivité thermique pendant la période de stage
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 7 Enfin des essais mécaniques ont été réalisés sur le béton de paille Le reste des essais de caractérisation du matériau final ne font pas partie de ce travail par manque de temps.
GÉNÉRALITÉS SUR LA CONSTRUCTION DURABLE
Enjeux environnementaux dans le secteur du bâtiment
Le secteur de la construction est de grande importance et représente un puissant levier pour les politiques de développement Toutes les activités associées au secteur de la construction (design, construction, utilisation, démolition,…etc.) affectent en effet directement ou indirectement, de faỗon visible ou invisible, l’environnement dans lequel elles s’effectuent.
En premier lieu, selon l’étude réalisée par Constatinos et al (2007), par OECD (2003) et par Zimmermann et al (2005), l’énergie dépensée liée à l’utilisation des bâtiments représente de 25 à
40 % de la consommation totale d’énergie dans les pays de l’Organisation de Coopération et de Développement Economiques (Figure 1-1) Plus particulièrement, ce chiffre atteint 40 % pour les pays de l’Union européenne
Figure II-1 : Consommation énergétique des pays de l’OCDE (OCDE, 2003)
La consommation énergétique présentée dans ce graphique est uniquement liée à l’utilisation courante des bâtiments (chauffage, éclairage,…) et ne tient pas compte des activités de construction, de manufacture ou de transport des matériaux Ces études montrent aussi que cette dépense énergétique est dominée prioritairement par le chauffage Il est donc clair qu’un accroissement de la performance énergétique du bâtiment peut constituer un instrument important dans les efforts visant à économiser l’énergie.
Matériaux à faibles impacts environnemntaux – Les fibres végétales
En deuxième lieu, 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., 06) Il est actuellement estimé que le CO2 contribue pour environ 50% à l'effet de serre (Dincer, 1999) C’est pourquoi le secteur du bâtiment est souvent considéré comme une “mine d’or” pour réduire ce phénomène
En ce terme, on confirme que la sélection de matériaux de construction à faible impact environnemental devrait permettre de diminuer efficacement les émissions de dioxyde de carbone
En troisième lieu, le bâtiment génère une quantité non négligeable de déchets en tout genre au cours de sa construction mais aussi de sa démolition Il est important de réduire les tonnages de matériau utilisés et les déchets de la construction en favorisant l’emploi de matériaux recyclés L’absence d’informations scientifiques sur ces matériaux constitue néanmoins un frein au développement de leur utilisation (OECD, 2003)
Afin de limiter les impacts de la construction ou de la réhabilitation sur l’environnement tout en assurant à l’intérieur du bâtiment des conditions de vie saines et confortables on est de plus en plus contraint de favoriser les matériaux à faible impact environnemental en utilisant des matériaux d’origine naturelle, renouvelables, consommant très peu d'énergie et qui produisent un minimum de pollution
2.2 Matériaux à faibles impacts environnementaux – les fibres végétales :
Les fibres végétales sont des fibres à base de cellulose Elles diffèrent du côté morphologique et du côté composition chimique car les matières qui accompagnent la cellulose, comme la lignine et l’hémicellulose varient d’une espèce à une autre On trouve les fibres végétales dans divers domaines comme l’isolation thermique, l’amortissement des vibrations, l’isolation phonique En aéronautique et en aérospatiale, plusieurs compagnies montrent un grand intérêt aux produits na- turels et écologiques
Les fibres végétales peuvent être classées en trois classes : les fibres libériennes, les fibres dures et les fibres courtes
Les fibres libériennes sont extraites de l’écorce ou de tiges de certaines plantes de type dicotylédones Ces fibres ne peuvent pas être concurrentielles à d’autres fibres comme le coton car leurs performances de point de vue résistance mécanique présentent beaucoup de faiblesse Parmi les fibres libériennes, on trouve : le lin, le chanvre et la ramie
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 9 Les fibres dures ont cette appellation car les fibres extraites des feuilles sont plus raides, moins flexibles et plus rudes en structure que les fibres extraites des tiges Dans les feuilles, les fibres sont plongées dans les tissus cellulaires et ont pour fonction de leur donner de la résistance et la rigidité d’une part, et de servir de canaux de transport de l’eau, d’autre part Mais leur position à l’intérieur de la feuille n’est pas uniforme En effet, pour la plupart des plantes, les fibres se trouvent à grande quantité plutôt en bas de la surface de la feuille tandis que vers le haut et vers les côtés les fibres sont moindres et le tissu cellulaire est dominant Parmi les fibres dures, on trouve : la paille
Les fibres courtes d’origine végétale sont des fibres prélevées généralement soit des fruits, des fleurs ou des graines de certaines plantes Ces fibres sont courtes et fines La fibre la plus importante de cette classe est la fibre de coton
2.2.2 Composition chimique des fibres végétales
Les fibres végétales sont composées principalement (Figure II-2) de la cellulose, la lignine et l’hémicellulose, mais ce qui défère d’une fibre à une autre est le pourcentage de chaque composant
La cellulose est une macromolộcule à trốs longue chaợne, formộe de maillons de glucose Le nombre de ces maillons ou degré de polymérisation varie suivant l’origine de la cellulose Dans son état naturel, la cellulose est fibrillaire et partiellement cristalline Ce polymère est renouvelable et, de ce fait, présente un grand intérêt du point du vue industriel En effet, un grand nombre de textiles sont composés de ces fibres, Le papier est également constitué essentiellement de cellulose
La lignine désigne un ensemble de substances voisines à état de copolymère de haut poids moléculaire La lignine est un polymère tridimensionnel Leurs structures tridimensionnelles sont très variées et sont largement fonction de l’espèce végétale La lignine est difficilement attaquée par les prédateurs Les lignines sont des structures complexes responsables de certaines propriétés des parois
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Figure II-3 : Représentation des trois unités formant la lignine
Les hémicellulose sont des polysaccharides complexes de faible poids moléculaire solubles en milieu alcalin L’hémicellulose a une composition chimique très voisine de la cellulose, elle est combinée à la cellulose et partiellement à la lignine L’hémicellulose permet d’unir les filaments de cellulose pour former les fibrilles L’hémicellulose est aisément dissoute dans de nombreux réactifs, notamment la soude Leur degré de polymérisation est de l’ordre de quelques centaines
2.2.3 Caractéristique mécanique des fibres naturelles
D’une faỗon gộnộrale, les fibres naturelles conviennent pour le renfort des matộriaux composite à cause de leurs bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques
Cependant, les fibres naturelles sont très différentes de point de vue structure et composition chimique, ce qui prouve la grande dispersion au niveau de leurs caractéristiques mécaniques La structure et la composition chimique des fibres naturelles dépendent étroitement de la zone et du climat de culture ainsi que l’âge de la plante.
Particules végétales et bétons légèrs
Le béton léger est un matériau composite dont la masse volumique est plus faible que celle du béton classique Sa résistance est très inférieure à celle du béton traditionnel d’ó il ne peut pas être un béton de structure mais plutôt un béton de remplissage
Les granulats légers sont réputés par leur faible masse volumique par rapport aux autres granulats classiques Ceci est expliquộ essentiellement par la forte porositộ entraợnộe par les proportions volumiques importantes de vide au sein des granulats En effet, plusieurs granulats légers existent à l’état naturel alors que d’autre sont obtenus artificiellement par divers procédés chimiques
Parmi les granulats légers d’origine naturelle les plus utilisés sont les poncés et les roches sédimentaires comme les calcaires Les autres sont d’origine végétale qui conviennent des déchets organiques afin d’être valorisé dans le domaine de la construction Le bois, le chanvre, le lin, le bambou, sont quelques exemples des granulats végétaux employés dans le béton léger
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Du fait de la propriété hydrophile de la paille, la question du liant à mélanger avec elle s’avère d’une grande importance mais aussi d’une grande complexité Le choix du liant doit répondre à trois exigences : d’une part, permettre un malaxage aisé notamment par un enrobage parfait des différents constituants, d’autre part, assurer un comportement à l’état frais permettant une mise en œuvre correcte , et enfin, après la prise, assurer les caractéristiques mécaniques et thermiques essentielles du matériau
Dans certaine travaux de recherche effectués précédemment sur les bétons de chanvre montrent que, en association le chanvre avec le ciment, seule une couche de fine épaisseur se solidifie en surface, l’intérieur de l’éprouvette restant à l’état de poudre (Cérézo, 2005) (Bevan & Woolley, 2008)
Afin de remédier à ce problème, la chaux aérienne, qui durcit par carbonatation et dont la réaction consomme peu d’eau, semble être un liant “ idéal ” pour mise en application du béton de chanvre Cependant, l’usage de la chaux aérienne seul ne se prête pas bien à la préfabrication des éléments du béton de chanvre, car ce liant se solidifie très lentement (Bütschi, 2004) De plus, l’étude de Lawrence et al (2006) a montré que la carbonatation se produit très difficilement au cœur du matériau lorsqu’on utilise ce produit L’ajout des liants hydrauliques (ciments, chaux hydraulique, plâtre) et notamment des pouzzolanes permet d’activer la carbonatation et de favoriser un durcissement à coeur plus rapide et ainsi d’apporter des résultats plus satisfaisants (Bouloc et al., 2006) (Evrard, 2002) Au fait, l’addition de pouzzolane peut augmenter significativement la résistance mécanique de la chaux (Cerny et al., 2006) Les pouzzolanes sont constituées essentiellement de silice non hydraulique, mais contiennent aussi des constituants qui, à température ordinaire et en présence d’eau, peuvent se combiner avec la chaux pour donner des composés peu solubles (Frachebourg, 1965) Actuellement, les liants utilisés pour confectionner du béton de chanvre contiennent essentiellement de la chaux aérienne et un liant hydraulique qui est souvent la chaux hydraulique et la pouzzolane Il s’agit de liants recommandés explicitement par les fabricants (FFB, 2007) La proportion des composants du mélange est variable en fonction du fabricant.
EXPÉRIMENTALES – MATÉRIAUX ET MÉTHODE DE MESURE
Matériaux
Le blé et l’orge, des plantes annuelles, sont cultivés dans des régions à climat tempéré comme la France, le Canada,… La paille est un coproduit végétal peu valorisé Elle trouve de très nom- breuses applications dans les domaines des biomatériaux et de la bioénergie De même, la paille peut être valorisée dans le domaine de la construction comme granulats légers d’origine végétale Elle a une composition chimique et des caractéristiques mécaniques variables en fonction du mi- lieu de prélèvement et la maturité de la plante
Dans le cadre de cette étude, deux types de pailles de la région centre ont été utilisés : la paille d’orge et la paille de blé Concernant la paille de blé on distingue trois échantillons provenant de trois fournisseurs différents Les pailles de blé sont notées Paille 1, Paille 2, Paille 4 et celle d’orge est Paille 3
Du lin a été également utilisé comme fibre témoin afin comparer ses caractéristiques avec celle des différents types de paille
Figure III-1 : Les fibres broyées employées
Dans un premier temps, on effectue une caractérisation des fibres employées, selon leurs propriétés physiques comme la morphologie, la microstructure, la masse volumiques, la porosité, la capacité d’absorption d’eau et la granulométrie
Les propriétés physiques de la paille doivent être prises en compte lors de la formulation et la fabrication des éprouvettes De plus, elles permettront d’expliquer les propriétés mécaniques et thermiques de ce matériau
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Dans ce cadre de cette étude, deux liants ont été testés : le Tradical PF70 et un mélange de chaux
Le premier liant, le Trandical PF70, est un mélange manufacturé par Balthazard Cotte Bâtiment (BCB) Il se compose de 75% de chaux aérienne, 15% de chaux hydraulique et 10% de pouzzo- lanes L’ajout de pouzzolanes a pour but d’activer la carbonatation de la chaux et aussi de favori- ser un durcissement au cœur du matériau
Le deuxième liant est un mélange de chaux : il est composé de 75% de chaux aérienne, 15% de chaux hydraulique et 10% ciment.
Méthode de mesure
L’étude de morphologie permet décrire la structure des agrégats d’origines végétales Elle est réalisée en faisant des observations au microscope électronique à balayage (MEB) de marque Philips Cette étude morphologique permet de déterminer la nature et la forme de la surface ainsi que la structure interne d’une particule végétale donnée Cette étude est cruciale pour expliquer le pouvoir absorbant des agrégats végétaux et leur compressibilité
La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse du matériau étudié par unité de volume En ce qui concerne les agrégats végétaux on distingue souvent trois types de masses volumiques : la masse volumique apparente (ρv) calculée à partir des granulats végétaux à l’état sec en vrac et sans compactage La masse volumique de matière végétale (ρs) constituant la chènevotte est déterminée au pycnomètre
L’étude de la porosité des granulats végétaux est importante lors de l’interprétation des différentes valeurs de la masse volumique et les propriétés thermiques des granulats végétaux en vrac Les formules suivantes sont utilisées pour le calcul des différentes porosités
La porosité totale est calculée selon la relation suivant :
La capacité d’absorption d’eau des granulats végétaux est un paramètre primordial dans la formulation du béton à base de paille Cette caractéristique est importante pour deux raison Premièrement, l’étude de la cinétique d’absorption d’eau permet de déterminer le pouvoir absorbant des pailles étudiées et les classifier par rapport à d’autres types de fibres végétales
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 14 employées dans ce domaine Deuxièmement, la capacité d’absorption en eau joue un rôle très important dans la formulation et la mise en œuvre du béton En effet, lorsque l’on fabrique un béton avec ces granulats, une quantité importante d’eau de gâchage sera absorbée par les granulats Ce pouvoir hydrophile des granulats devrait conditionner l’utilisation de liants hydrauliques
Le taux d’absorption est défini par
t : instant ó s’effectue la pesée (minutes ou heures)
M(0) : masse initiale de l’échantillon sec
Cette formule permet de déterminer la capacité d’absorption pour les fibres naturelles A l’instant de pesée, les granulats végétaux ont été superficiellement séchés en utilisant du papier absorbant afin d’éliminer l’eau inter fibres ainsi que l’eau absorbée à leur surface
Pour déterminer la capacité d’absorption d’eau des granulats de chanvre ainsi que la cinétique d’absorption, des mesures ont été réalisées sur des échantillons de 50 g de granulat entièrement sec Les échantillons sont séchés au préalable à 60°C pendant deux jours avant d’être immergés dans l’eau pendant différentes durées : 1, 2, 5, 10, 30 et 60 minutes
3.2.4 Isothermes de sorption/désorption de vapeur
La détermination des isothermes de sorption-désorption est très utile pour estimer qualitativement la capacité des matériaux étudiés à fixer et restituer de la vapeur d’eau lors de variations d’humidité relative de l’air ambiant dans le bâtiment L’interprétation de ces courbes expérimentales est bénéfique dans le cadre de l’étude des propriétés thermiques des matériaux étudiés En effet, la conductivité thermique d’un matériau sec diffère de celle à l’état humide à cause de la présence de l’eau qui est un excellent conducteur de chaleur
La courbe représentant, pour une température donnée, la teneur en eau du matériau étudié en fonction de l’humidité relative du milieu extérieur est appelée soit isotherme de sorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d’un matériau sec, soit isotherme de désorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d’un matériau saturé en eau Les deux courbes sont en général différentes car le phénomène n’est pas réversible Il y aura des modifications de structure et de porosité lors du séchage (désorption) ou de l’humidification (adsorption)
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 15 Figure III-2 : Exemples des isothermes de sorption –désorption de matériaux poreux Selon les mécanismes de fixation de l’eau dans les pores du matériau, on distingue généralement trois zones dans les courbes des isothermes de sorption-désorption (figure III-6) :
Zone 1 : dans cette zone l’adsorption des molécules d’eau se fait progressivement jusqu'à constituer une monocouche recouvrant toute la surface externe des pores du matériau étudié L’eau est dans un état rigide en raison de l’importance des forces de liaisons de Van der Waals entre les molécules d’eau et la surface Le passage à la zone suivante s’effectue quand toute la surface est saturée
Zone 2 : cette zone linéaire correspond à l’absorption poly-moléculaire En effet, les molécules s’adsorbent sur la monocouche initiale
Zone 3 : c’est le domaine de la condensation capillaire En effet lorsque les couches poly- moléculaires se rejoignent un changement de phase se produit et par conséquent l’eau se condense en formant des ponts liquides ou ménisques capillaires Lorsque l’humidité relative augmente encore, les pores se remplissent des plus fins au plus gros
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Figure III-3 Forme les courbes des isothermes de sorption-désorption Les isothermes de sorption – désorption sont déterminées expérimentalement en utilisant soit la méthode statique soit la méthode dynamique
La méthode statique a été utilisée dans cette étude Cette méthode consiste à sécher l’échantillon à 105 o C jusqu’à stabilisation de la masse, avant de le placer dans un dessiccateur à 20 o C L’humidité relative dans les dessiccateurs varie de 11% jusqu’au 98% Pour chaque valeur d’humidité, des pesées journalières sont effectuées pour suivre la variation de la masse de l’échantillon et calculer par la suite la quantité d’eau absorbée par le matériau La coubre de dộsorption est rộalisộe de la mờme faỗon mais avec l’ộchantillon saturộ et en effectuant le chemin inverse
Les mesures de conductimétrie permettent de déterminer la concentration des ions contenus dans la solution En solution diluée, la conductivité est la somme des conductivités individuelles de chaque ion multipliées par leur concentration ( Loi de Kohlrausch) λ: Conductivité mesurée (S.cm -1 ), λ1 0
: conductivité ionique équivalente (S.cm 2 /équivalente) et
Ci : concentration de l’ion i (équivalent/L),
Une électrode est reliée à un conductimètre Consort C3010 (figure III-4) L’électrode est étalonnée à l’aide d’une solution de KCl à 0.1mol/L ( λ,88mS/cm) Ce système permet de
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 17 suivre et d’enregistrer l’évolution de la conductivité de la suspension de paille en fonction du temps
En même temps, on détermine le pH par un pH-mètre Consort C831 ( la figure III-5) Le pH- mètre est étalonné à l’aide des solutions de pH à 0, 7 et 14
Figure III-5 : pH mètre utilisé
Le protocole consiste à préparer 5g de paille broyée finement et à l’introduire dans un récipient de 200ml On rajoute ensuite 100ml d’eau distillộe de faỗon à respecter un rapport massique liquide sur paille égal à 20 La paille est complètement immergée dans l’eau Après avoir agité, on laisse la la paille immergée dans l’eau pendant 15min environ avant la mesure Toutes les 5 minutes une mesure est prise jusqu’à la stabilisation de la valeur
Formulation des bétons à base de pailles
3.3 Formulation de béton à base de paille
Dans cette étude, nous visons à réaliser différents mélanges en faisant varier la quantité de liant, de l’eau et des granulats La comparaison des résultats des essais nous permettra de mette en lumière l’influence de chacun des paramètres sur les caractéristiques du béton de paille Nous allons étudier les paramètres suivants :
Le type du liant : deux liants utilisés : Tradical PF70 et un mélange de chaux nommé ô MC ằ
Le type de paille : les paille de blé sont Paille 1, Paille 2 et Paille 4; Paille 3 est celle de l’orge
Le rapport massique Granulat/Liant (G/L)
Le rapport massique Eau/Liant (E/L), avec E est la quantité d’eau totale dans le mélange
Tableau III-1 : Différentes formulations étudiées
Après le dosage des constituants (Tableau III-1), le béton de paille est préparé à l’aide d’un malaxeur à axe vertical d’une capacité de 80 litres La procédure de malaxage est décrite dans le tableau III-2 Ces étapes de malaxage ont pour but d’éviter une forte absorption de l’eau de gâchage nécessaire à l’hydratation du liant par la paille ainsi que d’obtenir une bonne homogénéité du mélange
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2 Introduction de l’eau de pré- mouillage
( 20% l’eau totale) A Malaxage pendant 2 minutes
3 Malaxage liant avec l’eau de gâchage (80% l’eau totale)
4 Introduction du liant B Malaxage pendant 5 minutes
Tableau III-2 : Description des différentes étapes du malaxage du béton de paille
Pour certaines compositions ou la quantité d’eau totale est très faible, on ne distingue pas l’eau de pré-mouillage et celle de malaxage Le protocole de malaxage est alors un peu modifié, la totalité de l’eau n’est introduite qu’en une seule fois suivi d’un malaxage pendant 2 minutes Enfin, le liant est versé et mélangé pendant 5 minutes
Après malaxage, le mélange est coulé dans deux moules cylindriques 11x22 cm 3 et un moule prismatique 30x30x10 cm 3 pour chaque formulation Les échantillons sont ensuite stockés dans les moules jusqu’à 28 jours dans une atmosphère contrôlée à 20±2°C et à 75±5% d’humidité rela- tive
Les échantillons ont été nommés en fonction de leurs compositions Par exemple, on notera GL01EL05 pour l’échantillon fabriqué avec le rapport Granulat/Liant (G/L) =0.1 et le rapport Eau/Liant (E/L) = 0.5
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RÉSULTATS ET DISCUSSION
Formulation et caractérisation des bétons à base de pailles
Après de malaxage, la valeur de l’affaissement du béton de paille a été déterminée par le cône d’Abrams Les résultats mesurés sont rassemblés dans le tableau IV-2 :
Trop sec Am Tableau IV-2 : Les valeurs de l’affaissement du béton de paille au Cône d’abrams
D’après la compagne des essais d’affaissement avec le cône d’Abrams, il s’avère difficile de corréler le comportement rhéologique (maniabilité) avec les valeurs obtenues par le cône d’Abrams En effet ce test n’est pas adapté aux bétons a base de paille Pour remédier à ce problème on a eu recours à des appréciations visuelles pour évaluer la maniabilité du béton de paille D’après l’appréciation visuelle du béton à l’état frais, on peut déduire cinq classifications :
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 39 Parallèlement à ces essais et dans le but d’optimiser la conductivité thermique, les essais de maniabilité sont complétés par des essais de masse volumique apparente En effet, d’après la littérature il existe une relation quasi-linéaire entre la conductivité et la masse volumique apparente D’ó l’objectif de la formulation est de concevoir un matériau le plus léger possible mais en même temps maniable pour faciliter sa mise en place Dans le tableau suivant, on présente les résultats des masses volumiques apparentes
D’après le tableau IV-3, et on utilisant les critères cités auparavant, on pourra retenir trois formules :
Tableau IV-3 : Masse volumique du béton de paille après 24 heures de décoffrage
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Dans le cas d’un béton hydraulique traditionnel, le comportement mécanique en compression est généralement fragile En ce qui concerne le béton de paille, son comportement est différent et plus complexe Ce matộriau est globalement trốs ductile et il n’apparaợt pas de rupture brutale sur la courbe contrainte- déformation On marque que la ductilité est liée au dosage en liant Plus ce dosage est important, plus le matériau est fragile Les courbes contrainte-déformation présente le profil décrit dans la figure IV- 20
Figure IV – 20 Schéma de la courbe contrainte – déformation du béton de paille
Le comportement mécanique en compression d’un béton de paille peut être décrit par quatre zones [Tai Thu-2010] (figure IV- 20) :
+ Zone I : Elle se caractérise par une relation assez linéaire entre la contrainte et la défor- mation Elle correspond au domaine élastique du comportement du matériau
+ Zone II : La phase élasto-plastique correspond à l’endommagement de la matrice liante mais aussi des interfaces entre le liant et les granulats À la fin de cette phase, la matrice du liant ne joue plus le rôle de porteur des sollicitations
+ Zone III : C’est la phase plastique Dans cette phase, les granulats encaissent la plus grande partie des contraintes L’augmentation de la contrainte n’entraợne pas la rupture totale du matériau, mais bien la compaction de ces particules
+ Zone IV : C’est la deuxième rupture du matériau, elle correspond au maximum de con- trainte et à la descendante de la courbe contrainte-déformation Cette phase est rarement atteinte
Afin de mieux comprendre le comportement mécanique en compression du béton de paille, des essais uniaxiaux ont ộtộ rộalisộs sur des ộprouvettes cylindriques ỉ11xh22cm ainsi que sur des blocs 30x30x10cm à 28 jours
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 41 Pour pouvoir comparer les matériaux élaborés, deux déformations axiales (réduction relative de hauteur) de référence sont considérées : 1,5 % et 7,5 % C’est la méthode qui a été utilisée dan le cas du béton de chanvre [3] Conventionnellement, la première caractérise le début de la phase II et la deuxième caractérise le début de la phase III Les contraintes mesurées pour ces déformations sont alors notées respectivement σ0,015 et σ0,075 Lorsqu’un maximum de contrainte est observé avant l’une de ces deux déformations de référence, c’est cette valeur maximale qui est considérée Cela a parfois été le cas pour σ0,075
4.2.2.1 Influence de la masse volumique du matériau
La figure IV- 21 montre le comportement mécanique en compression à 28 jours du béton de paille pour différentes masses volumiques initiale Les essais ont été réalisés sur des éprouvettes de dimensions 30x30x10 cm 3 On constate que la performance mécanique du béton de paille augmente avec sa masse volumique apparente
Figure IV – 21 Influence de la masse volumique sur le comportement en compression du béton de paille à 28 jours Les mêmes effets de la masse volumique apparente sur le module d’Young du béton de paille sont observés à 28jours de maturation (figure IV- 22) L’augmentation de la masse volumique apparente du béton de paille conduit à une amélioration de la rigidité
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Figure IV - 22 Influence de la masse volumique sur la module d’Young du béton de paille à 28 jours
Figure IV–23 Influence de la masse volumique sur la résistance en compression σ 0,015 (a) et module d’Young (b) à 28 jours du béton de paille 3
Figure IV – 24 Influence de la masse volumique sur la résistance en compression σ 0,075 (a) et module d’Young (b) à 28 jours du béton de paille 3
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Les résultats expérimentaux montrent que les caractéristiques mécaniques en compression du béton de paille augmentent avec le rapport G/L Les figure IV- 24 et figure IV- 25 présentent les courbes contrainte-déformation du béton de paille à 28 jours à différents rapports G/L mais pour le même rapport E /L=1,6 On constate généralement que plus le rapport G/L diminue (augmentation de la quantité de liant), plus la résistance en compression augmente Ce constat est valable pour la plupart des formulations du béton de paille à l’exception de la formulation dite ô fluide ằ (d’aprốs la classification visuelle citộe dans le paragraphe formulation)
Dans le cas de la formulation fluide, le volume du béton diminue de 30x30x10cm 3 à 30x30x8.5cm 3 après un jour de maturation Ceci est dû à l’eau de ressuage et aux problèmes de fuite du liant à l’état frais Cela semble être la raison pour déduire la résistance en compression du béton fabriqué avec la formulation fluide Il est alors indispensable de créer une bonne matrice liante dans le béton de paille afin d’avoir de meilleurs performances mécaniques
Figure IV- 24 Les courbes contrainte-déformation du béton de paille à 28 jours avec le rapport
E /L = 1.6 (A : courbe entière, B : zoom sur la partie 0-10 mm)
Figure IV-25 Les courbes contrainte-déformation du béton de paille à 28 jours avec le rapport E /L = 1.1 (A : courbe entière, B : zoom sur la partie 0-10 mm)
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 44 Concernant le module d’Young ô E ằ (figure IV- 25), les mờmes constats peuvent ờtre dộduits En effet, l’augmentation du dosage en liant entraợne une augmentation du module d’Young dans la zone élastique
De plus on observe que l’augmentation du rapport G/L entraợne la rộduction de la zone ộlastique C’est à dire plus le dosage en granulat augmente, plus le comportement du béton de paille devient plastique
Figure IV-26 Influence du rapport G/L sur le module d’Young
Les figure IV- 27 et figure IV- 28 présentent les courbes contrainte-déformation du béton de paille à 28 jours à différents rapports E/L mais pour le même rapport G/L On constate généra- lement que la diminution du rapport E/L (diminution de la quantité de l’eau) ne conduisant pas à une nette amélioration de la résistance en compression comme dans le cas du béton hydraulique Cette tendance n’est que valable pour des formulations du béton avec le rapport G /L = 0.1 Une tendance inverse se trouve pour les restes formulations
Figure IV-27 Les courbes contrainte-déformation du béton de paille à 28 jours pour le rapport
G/L = 0.1 (A : courbe entière, B : zoom sur la partie 0-10 mm)
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Figure IV-28 Les courbes contrainte-déformation du béton de paille à 28 jours avec le rapport G/L = 0.2
Le but principal de l’analyse thermogravimétrique réalisée sur le liant présent dans la matrice est de savoir s’il y a assez d’eau pour l’hydratation complète de la chaux L’échantillon étudié est alors soigneusement prélevé du cœur de l’éprouvette de telle sorte qu’on évite de prélever la paille avec Lors d’un essai d’ATG, la décomposition des produits de l’hydratation du liant se manifeste par des paliers décroissants sur la courbe de perte de masse La représentation de la perte de masse sous la forme de sa dérivée par rapport au temps (DTG), montre la correspon- dance entre les pics de DTG et la perte de masse
Conclusion
Dans ces travaux de recherche qui ont pour objectifs la formulation d’un béton à base de paille destiné à l’isolation thermique des bâtiments, trois axes ont été étudiés :
La caractérisation de la paille :
Dans cette étude on a caractérisé quatre types de pailles (3 pailles de blé et une paille d’orge) un seul type de lin Le lin a été utilisé comme matériau de référence D’après cette étude on retient les points suivants :
- Les trois pailles de blé (pailles 1, 2 et 4) n’ont pas montré de différence de comportement En effet le comportement hydrique : isothermes de sorption désorption et le coefficient d’absorption d’eau (dont la moyenne de l’ordre de 300%) sont pratiquement les mêmes Ce constat est confirmé par les essais granulométriques et l’étude de la morphologie qui a montré une microstructure assez semblable
- La paille d’orge (paille 3) a montré un comportement assez différent de la paille de blé Le coefficient d’absorption d’eau est plus important que la paille de blé, il est de 400% à 20°C Les observations au MEB montrent une microstructure différente de celle de la paille de blé En effet on remarque la présence d’une porosité plus grossière que celle de la paille de blé
La formulation d’un béton de paille :
Une étude paramétrique a été faite dans le but de formuler un béton à base de paille qui répond à notre cahier des charges (le plus performant thermiquement) Pour cela on a étudié l’effet de plusieurs rapports Liant/Granulat (L/G) et Eau/Granulat (E/G) sur la maniabilité et la masse volumique apparente après 28 jours de maturation En effet, en l’absence d’un dispositif de mesure de la conductivité thermique (en cours d’acquisition), on a essayé d’optimiser la formulation pour avoir une masse volumique apparente (indicateur de la conductivité thermique) la plus faible possible et en même temps maniable (pour faciliter la mise en place) Les formules retenues sont alors :
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La caractérisation du béton de paille :
En l’absence d’un dispositif thermique, on s’est limité dans la caractérisation du béton de paille au comportement mécanique et à quelques analyses thermogravimétrique :
- En ce qui concerne le comportement mécanique, le béton à base de paille possède un comportement mécanique très ductile en compression Plus le dosage en granulat est important, plus le comportement élastique du matériau est restreint La résistance en compression σ0,075 à 28 jours obtenue dans les trois formulations retenues varie de 30kPa à 120kPa Le module d’Young est très modeste, il est de l’ordre de 1,5 MPa)
- Concernant l’analyse thermogravimétique, l’objectif était de savoir si la quantité d’eau était assez pour l’hydratation du liant (Tradical PF 70) présent dans la matrice Les résultats obtenus après 28 jours de maturation, montrent bien la présence de l’eau libre dans la matrice.