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CIFEM2012 – ART- 14-101

CARACTERISATION THERMOMECANIQUE DES BLOCS DE TERRE COMPRIMEE AVEC AJOUT DE SCIURE DE BOIS a*

a

a

a

Clément AHOUANNOU 1 , Chakirou A. TOUKOUROU 2 , Séfiou J. AVAMASSE 3 , Emile A. SANYA 4 , b Yves JANNOT 5 . a

: Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Appliquées (LEMA) - Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) - Université d’Abomey-Calavi (UAC), 01BP : 2009 Cotonou. b

: Laboratoire d’Energétique et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA) Nancy- France

RÉSUMÉ L’étude des résistances mécaniques jumelées

aux dispositions normatives permettent de retenir une

composition de BTC dosée à 10% de ciment et 2% de sciure de l’essence Tectona grandis. Ce matériau composite offre une plus grande résistante comparé à celui obtenu avec la sciure d’afzélia. La méthode du plan chaud asymétrique a été utilisée pour déterminer la conductivité thermique du matériau et déduire les paramètres thermiques tels que la diffusivité, l’effusivité et la capacité calorifique. Cette méthode procède par une modélisation quadripolaire 1D et permet de représenter avec une bonne précision la température au centre d’une sonde liée aux échantillons étudiés. Les résultats obtenus ont montré que l’ajout de la sciure aux blocs de terre comprimée ordinaires a nettement amélioré les performances isolantes du matériau composite final. Mots clés : bloc de terre comprimée, sciure, résistances mécaniques, paramètres thermiques.

NOMENCLATURE Symboles : Lettres latines : 2 -1 a Diffusivité thermique, m .S -3 -1 Cp Capacité calorifique, J.m .K E Ecartement entre tubes, cm F Charge maximale supportée par les deux demi-blocs, kN F’ Résistance à la compression des éprouvettes, MN/m² H Hauteur des éprouvettes, cm L largeur des éprouvettes BTC, cm M Masse de la matière, kg P Charge à la rupture, kN S Surface moyenne des faces d’essai en cm². 3 V Volume, m -1 X Teneur en eau, kgeau.kgms

1. INTRODUCTION Les récentes recherches sur les matériaux locaux ont montré que la terre offre une grande potentialité aux différents besoins des Hommes. Houben H. et Guillaud H.(1995) ont précisé dans leur livre , «traité de

Lettres grecques : -1 -1 Conductivité thermique, W.m .K -3 Masse volumique, kg.m Indice : a apparent b éprouvette e eau éc échantillon h humide i initiale op optimale s sèche Sigles : BTC Bloc de terre comprimée GTR Guide des Terrassements Routiers

construction en terre» que ce type de matériau ne possède véritablement pas, à l’état naturel, les performances thermiques dont-on a bien voulu la doter. [1]. Néanmoins, lorsque la terre est mélangée avec d’autres matériaux, ces ajouts extérieurs, tels que les matériaux fibreux et les liants, participent bien à l’amélioration de ses performances aussi bien mécaniques que thermiques. Ainsi, les sciures de bois

*

auteur correspondant Adresse électronique : ahouannou_clem@yahoo.fr ou clement.ahouannou@epac.uac.bj

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-1-


2.5. LA PRESSE HYDRAULIQUE

en général se relèvent être appropriées pour servir d’adjuvant dans les matériaux composites en terre. Dans la pratique, les sociétés transformatrices de bois dans les pays en voie de développement génèrent plus de 30 à 50% de déchets sur le volume de bois traité, selon le cas [2]. Ces déchets sont souvent utilisés comme combustible solide, ce qui favorise par voie de conséquence la production substantielle de dioxyde de carbone (C0) : un gaz à effet de serre, qui participe à la destruction de la couche d’ozone. Pour participer à la lutte contre la dégradation de notre environnement, bon nombre de chercheurs s’intéressent de nos jours à la valorisation des déchets, par le recyclage. C’est dans ce contexte que cette étude a permis d’explorer les possibilités d’utilisation des blocs de terre comprimée avec ajout de sciure de bois.

C’est une presse mécanique de type SATEC MKIII60TVl, équipée d’une console de commande à affichage numérique Elle a servi pour les essais de résistance en flexion trois points et en compression. 3. METHODES 3.1. CARACTERISATION PHYSIQUE DE LA LATERITE Dans cette partie de l’étude, nous nous sommes intéressés à caractériser la latérite des carrières de Woba Karou. Cette caractérisation a consisté à la détermination des propriétés physiques telles que ; la teneur en eau, la granulométrie, les limites d’Atterberg, la masse volumique en vrac, la compressibilité, l’équivalent de sable et la masse volumique réelle du produit pré-séchée (poids spécifique),

2. MATERIELS

3.2. LE CIMENT

Le matériau échantillon qui a servi d’élément de base pour notre étude est un composite de latérite + ciment + sciure de bois + eau, dans des proportions bien étudiées..

Le ciment portland CPJ35 utilisé a été conservé dans de meilleures conditions de température et d’humidité pendant 7 jours, afin qu’il puisse atteindre sa résistance maximale et que la prise soit relativement rapide.

2.1. LA TERRE

3.3. LA SCIURE DE BOIS

La latérite utilisée est issue des carrières de Woba Karou dans la commune de N’dali (région située au Nord BENIN dans le département du Borgou). 2.2. LE CIMENT Le ciment portland CPJ35 a été utilisé pour cette étude à cause de sa prise relativement rapide. 2.3. LES SCIURES DE BOIS Les sciures de deux espèces de bois tropicaux (feuillus) ont été exploitées. Il s’agit des bois afzélia et teck, reconnus pour leur disponibilité au Bénin. 2.4. L’ETUVE ET LES BALANCES Une étuve ventilée de marque MEMMERT D06060, fonctionnant dans la plage de températures (T), telle que : , avec un registre de ventilation, réglable de 0 à 6, a permis de sécher l’échantillon de sciure de bois et de déterminer les extraits secs des BTC. Deux balances, de type SARTORIUS (de précision 0,01g) et ROBERVAL, avec une étendue de la pesée respective de 3100 g et 20 000 g, sont utilisées pour les pesées des différents intrants formant le mélange. Un bécher de capacité 500 ml a permis de déterminer le volume de l’eau entrant dans la composition des échantillons de bloc. L’eau utilisée est celle courante fournie par la société nationale des eaux du Bénin.

Le traitement des échantillons de sciures de bois à consister au trempage en eau chaude préalablement portée à 105°C, pendant 48 h. Le mélange ainsi obtenu est porté à décantation et à refroidissement. L’eau de trempage refroidie est enlevée et remplacée par de l’eau courante. Les sciures y sont nouveau soigneusement nettoyées. L’eau de lavage est filtrée et remplacée par de l’eau courante dans laquelle on procède cette fois-ci au rinçage de la sciure de bois. Cette approche permet d’une part de dissoudre dans l’eau les substances extractibles inhibitrices contenues dans les sciures et d’autre part d’éliminer les microorganismes éventuellement présents dans les sciures. Les sciures soigneusement nettoyées sont récupérées et mises à l’étuve à 105°C pendant 72 h. A la sortie de l’étuve, elles sont étalées sur un plateau et conservées en conditions ambiantes pendant 24 h pour mise en équilibre avec l’ambiance naturelle. Les sciures de chacune des essences sont criblées et les fractions de sciures de classe granulaire 0.16 - 5 mm sont mises en sachets et conservées à l’abri de l’humidité et de la chaleur en emballage fermé jusqu’à la confection des BTC. 3. 4. CONFECTION DES EPROUVETTES (BTC).

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3.4.1.

Cycle

comprimée

-2-

de

production

de

terre


Un prétraitement par tamisage, au tamis de maille 10 mm, de la latérite destinée à la confection des BTC a été nécessaire à cause de la présence de grosses particules dans les échantillons de terre, qui sont étalés en couches minces à l’air libre pendant sept (7) jours, afin d’en assurer un séchage naturel. On détermine alors la teneur en eau moyenne de latérite afin de déduire le volume d’eau nécessaire au mélange composite. De même, les masses des différents composants entrant dans la préparation du mélange sec ont été obtenues. Un mélange adéquat de Latérite + Ciment + Sciure de bois + Eau a été réalisé, et introduit dans une presse pour la confection du BTC. 3.4.2.

Volume d’eau de production

conservation de prolongé la cure à découvert dans le local sans qu’il n’y ait des dommages sur les blocs. 3.5. CARACTERISATION MECANIQUE DES BTC Dans le cadre de cette étude nous nous sommes intéressés aux caractéristiques classiques que sont : la résistance en flexion trois points, en compression. Pour l’essai de résistance en flexion en trois points, la face d’appui du bloc est posée sur deux tubes espacés de 20 cm et perpendiculaire à la longueur du bloc, au milieu de la face supérieure, un troisième tube parallèle aux premiers est installé. Nous soumettons l’éprouvette BTC à une charge constante et relevons la charge à la rupture. La résistance à la flexion des blocs a été déterminée par la formule :

On apporte progressivement l’eau de gâchage, jusqu’à amener le mortier à la teneur en eau optimum (Xop) de la terre déterminée à l’essai Proctor. Ainsi le volume d’eau en litres à ajouter est donné par la formule suivante :

(2)

(1) La production des éprouvettes de BTC s’est faite suivant les grandes étapes ci-après : extraction, préparation, mélange, pressage, cure et stockage Tableau 1 : Composition massique des mélanges

Latérite Sciure (Kg) (Kg) BTC10 dosé à 4% de sciure de bois BTC10 dosé à 6% de sciure de bois BTC10 dosé à 8% de sciure de bois

Ciment (Kg)

Eau (L)

7,74

0,36

0,9

0,5

7,56

0,54

0,9

0,5

7,38

0,72

0,9

0,5

BTC6

8,46

*

0,54

0,5

BTC8

8,28

*

0,72

0,5

BTC10 BTC10 dosé à 2% de sciure de bois

8,1

*

0,9

0,5

7,92

0,18

0,9

0,5

Figure 1: Essai de résistance en flexion (trois points) sur BTC De même, la procédure adoptée pour l’essai de résistance en compression a permis de prendre les deux moities l’éprouvette BTC issus de l’essai de flexion en trois points. Les deux demi-blocs ne sont pas toujours identique et de forme régulière. Ainsi, la section retenue pour les calculs est la moyenne des surfaces inférieure et supérieure des demi-blocs. La résistance à la compression est obtenue par la formule : (3) 3.6. CARACTERISATION THERMIQUE DES BTC

3.4.3.

Composition massique des éprouvettes BTC

Le tableau 1 renseigne sur la composition massique des différents mélanges (Latérite + Ciment + Sciure de bois + Eau) réalisés pour l’échantillonnage. 3.4.4.

Les propriétés thermiques évaluées dans le cadre de ce travail sont : la conductivité thermique, la diffusivité thermique, l’effusivité, la capacité calorifique. La méthode choisie ici est la méthode «plan chaud asymétrique» présentée par la photo ci-dessous : Nous avons utilisé un programme de simulation sur support «Matlab» pour l’estimation des paramètres thermiques [3].

Cure et conservation des blocs

Le local dans lequel sont fabriqués les blocs est bien isolé du rayonnement solaire et la cure a été faite sous une couverture transparente de polyester. ième Cette précaution a permis après la 7 journée de

4.

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RESULTATS ET DISCUSSIONS

-3-


4.1. Caractéristiques mécaniques des BTC (a) : Influence sur la résistance en compression

4,7

Résistance en compression Mpa

La teneur en eau de la latérite prélevée à Woba Karou est estimée à 1,3 %. Sa granularité est inférieure à 35% et le pourcentage de fines est de 17,23 %.

BTC 10

3,7 2,7 1,7 0,7 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Dosage en sciure %

Figure 3. a : influence du dosage de la sciure de bois afzélia sur la résistance en compression,

Le diamètre maximal des grains est de 10 mm (inférieur à 50 mm). En nous référant à la norme de classification NF P 11-300 et le GTR 92, nous pouvons déduire que la latérite utilisée pour notre étude est de classe B (elle est donc prélevée dans un sol sableux et graveleux avec des fines), cette affirmation est renforcée par la théorie sur les limites d’Atterberg où l’indice de plasticité trouvé est de 15,66% (supérieur à 12%) ; ce qui permet de conclure avec précision que la latérite échantillon est de la sous classe B6 (sable et grave argileux à très argileux). De plus, ce type de latérite répond au critère de granulométrie de Ramillon et Cratère, qui recommandent que le pourcentage de fines soit compris entre 15 et 30%, afin qu’elle puisse être utilisée dans la fabrication des BTC. Selon la norme ARS 681:1996 - Blocs de terre comprimée code de bonne pratique pour la préparation des mortiers de terre, les terres de sous classe B6 sont acceptables pour la confection des BTC [4], par conséquence, la latérite Woba Karou peut être utilisée pour la réalisation des BTC. Les essais Proctor permettent de retenir les caractéristiques suivantes pour la latérite étudiée : Une teneur en eau optimale (Xop) de et une densité -3 sèche maximale ( de 2,27 T.m . Au-delà de ces caractéristiques, nous pouvons remarquer que l’indice de consistance Ainsi, selon la norme NFP 11300 et le guide de terrassement routier GTR, la latérite utilisée est à l’état très sec ; son équivalent en sable est , ce qui confère à ce matériau une stabilité parfaite et une texture sablonneuse. Son utilisation dans les BTC est donc possible et peut donner de bons résultats. Le ciment CPJ 35 de la société SCB LAFARGE a été utilisé pour la composition du mélange échantillonné. Il est produit conformément à la norme NF P15-301 et dispose d’une prise relativement rapide.

Les figures 3 (a) et (b) présentent l’influence du dosage de la sciure de bois afzélia sur la résistance en compression et en flexion en trois points. Entre 0 à 3 % environ, on observe une décroissance rapide de la résistance du BTC qui se stabilise à une valeur moyenne de 1,0 Mpa pour la résistance en compression et à 0,23 Mpa pour la résistance en flexion trois points.

Résistance en flexion 3 point Mpa

Figure 2: Dispositif expérimental de caractérisation thermique des éprouvettes BTC

(b) : Influence sur la résistance en flexion 3 points 0,35 BTC… 0,3 0,25 0,2 0

1

2

3 4 5 6 7 Dosage en sciure %

8

9

Figure 3.b : influence du dosage de la sciure de bois afzélia sur la résistance en flexion trois points. Les performances mécaniques du BTC avec ajout de sciure de bois sont inversement proportionnelles à la quantité de sciure dans le matériau composite. Les travaux de Solomon-Ayeh [5], renforcés par les normes ARS 674 :1996 [6] et ARS 675 :1996 [7] indiquent qu’un matériau BTC peut être utilisé en construction lorsque sa résistance en compression est supérieure à 2MPa. Nous retiendrons également que la teneur en ciment a une influence sur les résistances mécaniques du BTC étudié. Cette influence a une allure croissante et linéaire pour le cas de la résistance en flexion, avec un minima au point de coordonnée (6 ; 0,27). Quant à la résistance en compression, elle est proportionnelle à la teneur en eau, avec une valeur minimale autour de 2,25 Mpa.

Le troisième constituant du mélange est la sciure de bois issue des essences végétales : Afzélia Africana et Tectona grandis.

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Résistance en compression Mpa

déduisons théoriquement que la teneur en eau optimale du BTC avec ajout de sciure de bois afzélia a permis d’atteindre un volume en eau de gâchage de

(c) : Influence sur la résistance en compression

4,5

BTC

4

l’ordre de . La courbe expérimentale de la figure 5 présente une valeur ., qui correspond à la résistance maximale en flexion trois points. On note ainsi un écart relatif très faible de (2,12 %) par rapport aux valeurs Ve obtenues. ce qui permet de conclure que la corrélation (3) est bien applicable pour le BTC étudié avec ajout de sciure.

3,5 3 2,5 2 4

6

8

10

12

Résistance en flexion 3 points Mpa

Teneur en ciment %

4.2. Caractéristiques mécaniques des BTC avec ajout de sciure

(d) : Influence de la teneur en ciment sur la résistance en flexion 3 points 0,35

Les graphes des figures 6. e, f donnent un aperçu des résistances mécaniques des BTC avec ajout de sciure des essences Tectona grandis et Afzélia africana.

0,33 0,31 0,29

(e) Resistance en flexion trois points

BTC

0,27

BTC 10 T-2%

0,28

0,25 4

6 8 10 Teneur en ciment %

12

0,27 0,26

Figure 4. c et d : Influence de la teneur en ciment sur les résistances ; (c) en compression, (d) en flexion trois points.

BTC 10 A-2%

0,25 0,24

Résistance en flexion 3 points Mpa

Les courbes des figures 4 (c) et (d) montrent que jusqu’à 10% d’ajout de ciment, les résistances mécaniques des BTC croissent proportionnellement avec le dosage en ciment. Par conséquent, le mélange échantillon de BTC étudié a été dosé à 10% en ciment. La corrélation de Peltier [8] présentée par la relation (3), donne la teneur en eau optimale offrant une résistance maximale pour l’essai de flexion en trois points.

(f) Resistance en compression

2,12

BTC 10T-2%

2,1 2,08

Influence de l'eau de gâchage sur la résistance en flexion 3 points

BTC 10A- 2%

2,06

0,3

2,04

0,25 Figure 6 e et f : Résistance en flexion trois points

0,2

et en compression des BTC avec ajouts de sciures

0,15

d’Afzélia africana et de Tectona grandis

300 350 400 450 500 550 600 650 700 Quantité d'eau en cl

Les composites à base de sciure de Tectona grandis Figure 5. : Influence de l'eau de gâchage sur la

résistance en flexion 3 points Cette expression est reprise par Olodo [9], et Rigassi [10],qui confirment qu’elle est applicable pour le cas où le BTC est sans ajout. Pour cette étude, les éprouvettes-échantillons en BTC 10 sont réalisés en bloc de terre comprimée avec ajout de sciure de bois. En assimilant la sciure de bois à un matériau granulaire et en faisant l’analogie entre les deux types de BTC avec et sans ajout de sciure, nous

offrent une résistance sensiblement supérieure à ceux élaborés à base de sciure d’Afzélia africana. Les valeurs de résistance obtenues pour les deux essais réalisés, respectent les exigences des normes ARS 674 :1996 et ARS 675 :1996.

4.3. Caractéristiques thermiques des BTC avec ou sans ajout de sciure de bois

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Nous présentons à la figure 7, les résultats obtenus pour le BTC 10 au terme des essais thermiques.

n° 11. CDI et CRATerre-EAG, ARS 681 :1996, pp8798,Belgique, mars 1998, Les valeurs des paramètres thermiques recherchés pour les BTC10-T-2% et BTC10, à savoir : la capacité calorifique, la diffusivité thermique, l’effusivité thermique et la conductivité thermique sont résumées dans le tableau 2. Les blocs sans ajout de sciure présentent des valeurs d’effusivité et de conductivité thermique supérieures à celles des BTC avec ajout. Ceci traduit que la conduction de chaleur par un matériau est intimement liée à la conductivité thermique et à l’effusivité. Il en ressort que les BTC incorporant la sciure de Tectona grandis, conduisent moins la chaleur. Il en est de même pour les BTC avec ajout de sciure qui diffusent moins la chaleur que les BTC classiques.

Figure 7: Courbe modèle et expérimentale et de résidus de l’essai sur l’échantillon BTC 10. Les courbes théoriques et expérimentales se superposent parfaitement et les résidus sont également bien plats. Ce qui confirme la justesse des opérations.

Par ailleurs, comme le tableau 2 le présente, à 2% d’ajout de sciure de bois, les BTC ont une meilleure capacité calorifique. Il s’ensuit que notre matériau en plus de limiter la conduction de la chaleur, a une forte capacité d’emmagasinage.

Tableau 2 : Valeurs des caractéristiques thermiques évaluées pour les BTC10 et BTC10-T-2%. Valeurs Moyennes

Paramètres

Effusivité thermique

Incertitude sur l'effusivité thermique %

Conductivité thermique W.m-1.K-1

Incertitude sur la conductivité thermique %

Diffusivité thermique m2.S-1.10-7

Capacité calorifique J.m-3.K-1

Temps estimés

BTC 10

1811,00

0,45

1,70

1,10

8,91

1925759,79

350

Ecart type BTC 10-T2%

54,37

0,26

29329,49

4,16

2042773,42

0,09

22968,73

Ecart-type

1317,89 1,83

0,08 0,02

0,85

0,08

0,01

650

5. CONCLUSION Ces constats ci-dessus énumérés, montrent que les BTC incorporant de la sciure de Tectona grandis constituent un isolant qui jouerait un rôle très intéressant dans le domaine de l’efficacité énergétique du bâtiment.

REFERENCES [1] Houben, H., Guillaud H., (1995).“ Traité de construction en terre“.2ed. Parenthèses, Marseille [2] Revue Tropix (2005), CIRAD. [3] Jannot Y, Felix V, Degiovanni A. Bal H. A centered hot plate method for measurement of thermal properties of thin insulating materials. Measurement Science and technology; 21 (3), 2010. [4] Organisation Régionale Africaine de Normalisation, Ed.. blocs de terre comprimée : normes. Technologie

[5] PELTIER M., 1950.- Contribution à l’étude de la géotechnique routière en France et dans nos territoires d’Outre-mer, PARIS, 450 p. [6] OLODO (D.), 1999.- Murs en terre stabilisée et structures en béton de terre, CBRST, CNERTP, 30 p. [7] RIGASSI (V.), 1994.- Blocs de terre comprimés, vol Manuel de production, CRATerre, 63 p. [8] SOLOMON-AYEH K.A. (1994). Studies of strengths of stabilized laterite blocks and rendering mortars. Building Research and Information Volume 22 Number 3. [9] Organisation Régionale Africaine de Normalisation, Ed. blocs de terre comprimée : normes. Technologie n° 11. CDI et CRATerre-EAG, ARS 674 :1996, pp4750,Belgique, mars 1998, [10] Organisation Régionale Africaine de Normalisation, Ed. blocs de terre comprimée : normes. Technologie n° 11. CDI et CRATerre-EAG, ARS 674 :1996, pp51-55, Belgique, mars 1998.

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CARACTERISATION THERMOMECANIQUE DES BTC AVEC AJOUT DE SCIURE DE BOIS