Formulation et caracterisation d’un beton a base de paille

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 caracté

SCIENCES, TECHNOLOGIES, SANTE Mention Mécanique et Sciences pour l’Ingénieur Spécialité : MGC – Mécanique et Génie Civil

STS

MEMOIRE DE STAGE

2011 – 2012

FORMULATION ET CARACTERISATION D’UN BETON A BASE DE PAILLE

Présenté par : NGUYEN Thanh Van Lieu du stage : Ecole Polytechnique d’Orléans Tuteurs du Stage : M BOUASKER, Mme BELAYACHI

Soutenu le 25 Juin, 2012

Membres du jury : K BECK, S KAMALIBERNARD, R JAUBERTHIE

Tous mes remerciements également à Monsieur Muzahim AL MUKHTAR et Madame Naima BELAYACHI pour le suivi de ce travail

Je remercie ensuite Monsieur Duc Phi DO, enseignant et chercher, et Monsieur Alain BRET , technicien du laboratoire pour m’avoir aidé et formé aux différents dispositifs d’essai

Je remercie enfin tous ceux qui m’ont soutenu au cours de mon travail à Orléans

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 caractérisation d’un béton à base de paille

RESUME :

Ce rapport présent les fruits de mon travail dans le cadre d’un stage de recherche effectué au Centre

de Recherche sur la Matière Divisée CRMD FRE 3520 du CNRS et de l’Université d’Orléans Ce travail de recherche s’intègre dans le cadre d’un projet régional financé par la région centre intitulé

« PROMOTHE » L’objectif principal de ces travaux de recherches consiste à proposer une tion et à étudier la faisabilité d’un béton à base de paille destiné à l’isolation thermique des bâtiments Pour ce but, différentes formulations du béton paille ont été proposées puis caractérisées Ces essais ont réalisé à différentes échelles depuis les fibres de paille seules jusqu’au produit final (béton paille) Cette étude a permis de caractériser des différents types de paille puis de proposer des formules opti-males de bétons à base de paille et de chaux dans l’objectif de les utiliser dans l’isolation thermique des bâtiments

I INTRODUCTION 6

II GÉNÉRALITÉS SUR LA CONSTRUCTION DURABLE : 7

2.1 Enjeux environnementaux dans le secteur du bâtiment 7

2.2 Matériaux à faibles impacts environnemntaux – Les fibres végétales : 8

2.2.1 Classification des fibres végétales 8

2.2.2 Composition chimique des fibres végétales 9

2.2.3 Caractéristiques des fibres végétales 10

2.3 Particules végétales et bétons légèrs 10

2.4 Liants 11

III EXPÉRIMENTALES – MATÉRIAUX ET MÉTHODE DE MESURE : 12

3.1 Matériaux 12

3.2 Méthode de mesure 13

3.2.1 Microstructure 13

3.2.2 Masse volumique et porosité 13

3.2.3 Coefficient d’absorption d’eau 13

3.2.4 Isothermes de sorption/désorption 14

3.2.5 Conductivité éléctrique et pH 16

3.2.6 Granulométrie 18

3.2.7 Analyse thermograviétrique 18

3.2.8 Conductivité thermique 19

3.3 Formulation des bétons à base de pailles 19

3.3.1 Matériaux retenus 19

3.3.2 Malaxage 19

IV RÉSULTATS ET DISCUSSION : 21

4.1 Caractérisation des pailles 21

4.2 Formulation et caractérisation des bétons à base de pailles 38

4.2.1 Formulation 38

4.2.2 Caractéristique mécanique 40

4.2.3 Caractéristique minéralogique 45

4.3 Conclusion 49

Références bibliographiques: 51

I 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

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

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

II GÉNÉRALITÉS SUR LA CONSTRUCTION DURABLE

2.1 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 façon 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

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

2.2.1 Classification des fibres végétales

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

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

Figure II-2

La cellulose est une macromolécule à très longue chaîne, formée 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

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 façon générale, les fibres naturelles conviennent pour le renfort des matériaux 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

2.3 Particules végétales et béton légers

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 plutơt un béton de remplissage

Les granulats légers sont réputés par leur faible masse volumique par rapport aux autres granulats classiques Ceci est expliqué essentiellement par la forte porosité entraỵnée 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

2.4 Le liant

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

III PROGRAMME EXPERIMENTAL

3.1 Matériaux

3.1.1 La paille

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

3.1.2 Le liant

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

3.2 Méthode de mesure

3.2.1 Microstructure

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

3.2.2 Masse volumique et porosité

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 :

3.2.3 Coefficient d’absorption d’eau

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

employées dans ce domaine Deuxièmement, la capacité d’absorption en eau joue un rơle 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

Où :

 t : instant ó s’effectue la pesée (minutes ou heures)

 M(t) : masse de l’échantillon à l’instant t

 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)

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 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

poly-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 105oC jusqu’à stabilisation de la masse, avant de le placer dans un dessiccateur à 20o

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 désorption est réalisée de la même façon mais avec l’échantillon saturé et en effectuant le chemin inverse

3.2.5 Conductivité électrique et pH

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.cm2/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=12,88mS/cm) Ce système permet de

suivre et d’enregistrer l’évolution de la conductivité de la suspension de paille en fonction du temps

Figure III-4: Conductimètre utilisé

En même temps, on détermine le pH par un mètre Consort C831 ( la figure III-5) Le mètre est étalonné à l’aide des solutions de pH à 0, 7 et 14

pH-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 distillée de façon 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

3.2.6 Granulométrie

La granulométrie des agrégats végétaux peut être étudiée soit par un tamisage mécanique soit par une analyse des images La première méthode est peu adaptée à la géométrie allongée et la faible masse volumique de tels granulats La seconde méthode a l’avantage de donner directement les dimensions en 2D des particules

0 7 14

deu-Figure III-6 : Arrangement granulaire des particules de chènevotte (A) et de moelle de tournesol

(B) dans la boite en PVC pour la mesure de conductivité thermique

3.3 Formulation de béton à base de paille

3.3.1 Matériaux

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

« MC »

 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

1 Introduction du granulat

2 Introduction de l’eau de pré- mouillage

3 Malaxage liant avec l’eau de gâchage (80% l’eau totale)

5 Vidange du malaxeur

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 cm3 et un moule prismatique 30x30x10 cm3 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

IV RÉSULTATS ET DISCUSSION:

4.1 Caractérisation de pailles

4.1.1 Morphologie

La paille est constituée de tiges, de feuilles et de nœuds (figure IV-1) La section entre-nœuds est

un tube creux ayant une épaisseur annulaire de 0.1 à 0,5 mm environ ce qui dépend aussi des conditions de croissance, des variétés, du stade de maturité de la plante et de l'organe ó a été prélevé l'échantillon La longueur de la tige varie d'une espèce à l'autre Par rapport aux feuilles,

la tige est l'organe le plus intéressant pour la production de «fibres»

Figure IV-1: Schéma d’une plante de blé

4.1.2 Microstructure

Une étude de microstructure des fibres utilisées a été menée avec des observations au microscope électronique à balayage (MEB) à l’UFR Sciences d’Orléans Des coupes transversales de pailles obtenues par MEB sont présentées sur les figure IV-2 et IV-3 de (a) à (d) Ces images montrent une structure complexe de texture assez semblable De l'extérieur vers l'intérieur, elle comprend

le sclérenchyme, les cernes de parenchyme et les faisceaux de tissus vasculaires inclus dans du parenchyme

Le parenchyme forme le tissu central, en général non lignifié, donc peu résistant mécaniquement dans lequel sont dispersés de façon plus ou moins régulière les faisceaux vasculaires incorporés dans ce matériel cellulaire composé principalement de cellulose Leur paroi cellulaire est plus mince Ces faisceaux sont impliqués dans le transport de l'eau et des nutriments le long de la tige

A l’état sec, ils sont vides et constituent la plus grande partie de la porosité des particules tales Le sclérenchyme, tissu ligneux, forme une couche cylindrique de faible épaisseur autour du parenchyme Son état de forte lignification contribue à rigidifier la structure de la tige L'épi-derme, riche en cellulose, forme une couche relativement résistante, imperméable à l'eau et rigide qui protège les cellules en croissance (White et Ansell, 1983)

végé-L’épaisseur du parenchyme dépend du type de paille, des conditions de croissance, des variétés,

du stade de maturité de la plante et de l'organe ó a été prélevé l'échantillon

La figure IV-2 représente une coupe transversale de la paille 2 (paille de blé) D’après cette figure, l’épaisseur des couche extérieure et intérieure sont estimées respectivement à 70µm et 180µm Le diamètre moyen des pores est de 15µm La majorité des pores ont une forme hexagonale à l’exception de quelque uns dont la forme est plutơt pentagonale En comparant l’image MEB de l’orge (paille 3) avec celles du blé (pailles 1, 2 et 4), on remarque la présence d’amas de capillarités fines dans le cas de la paille de blé Ces fines capillaires ont un diamètre moyen de 2 µm

Figure IV-2 Micrographie MEB de la coupe transversale d'un brin de paille de blé

Dans le but de comparer la microstructure de la paille par rapport à d’autres types de fibres végétales, une observation au MEB a été également réalisée sur des fibres lin (figures IV-4) D’après cette figure, on observe une différence de structure remarquable entre la paille et le lin

En effet, le lin présente une structure plus compacte que celle de la paille avec un réseau capillaire beaucoup plus fin

D’après les résultats des observations MEB, on déduit que la paille possède une forte porosité interne, ce qui explique sa faible masse volumique apparente qui pourra être un indicateur d’une faible valeur de la conductivité thermique

(a) Paille 1

(b) Paille 2

(c) Paille 3

(d) Paille 4

Figures IV-3: Coupe transversale (a) Paille 1 (b) Paille 2 (c) Paille 3; (d) Paille 4

Figures IV-4: Coupe transversale du lin

La figure II-5 (a) présente deux coupes longitudinales de la paille 1 (blé).D’après cette figure, on voit clairement la forme des faisceaux vasculaires le long de la tige Ces capillaires de section hexagonale (des fois pentagonales) sont séparés par une fine paroi orientée longitudinalement

En ce qui concerne le lin (figures IV-5b), la fibre est constituée de filaments fins formés d’un ensemble de feuillets orientés dans le sens de la longueur Les feuillets désordonnés permettent

la flexibilité du filament

(a)

(b)

Figures II-5: Coupe longitudinale par MEB (a) Paille et (b) Lin

Les figures II-6 et II-7 montrent les surfaces extérieure et intérieure des différents types de pailles Ces figures montrent un aspect lisse de la surface extérieure par rapport à la surface intérieure L’épiderme extérieur lisse est imperméable à l'eau afin d’éviter toute fuite lors du transport de l'eau et des nutriments le long de la tige Cette surface lisse pourra avoir un effet sur l’adhérence fibre-matrice