Imprimabilité du béton de brique de recyclage

Séminaire de rechercheMatérialité et tectonique

Imprimabilité du béton de brique de recyclage -

Remplacer le sable du béton par de la brique concassée

Remerciements

Je tiens à remercier en premier lieu l’équipe ayant encadrée ce mémoire pendant toute sa durée : Antonella Mastrorilli, responsable de ce mémoire, Sabrina Chenafi et Téva Colonneau, enseignantschercheurs et encadrants de ce travail. Je les remercie pour l’intérêt qu’ils ont trouvé en mon sujet de recherche et cela dès son initiation, le temps qu’ils allouent sans hésiter à aider les étudiants de leur séminaire de recherche, leur capacité à nous motiver et à nous soutenir durant tous les aléas qui croisent notre chemin, ainsi que la pertinence de leurs remarques et conseils.

Je remercie également Lisa Pfundt Jacquot, l’étudiante qui a été ma binôme pendant toute le durée de ce mémoire, avec qui nos échanges et collaborations ont mainte fois servi à étayer nos propos et nos démarches de recherche.

Je remercie également Sébastien Frémont, responsable de l’atelier échelle 1 de l’ENSAPLpour son aide tant bien matérielle qu’intellectuelle à travers tous les conseils qu’il m’a prodigué pendant tous les travaux que j’ai mené.

Je tiens également à remercier Thomas Van de Rostyne, étudiant à l’ENSAPL et ami, pour son aide lors de mes ultimes expérimentations et nos discussions fructueuses tout au long de ce travail. Je remercie de la même manière Delphine Daumerie, amie et étudiante en design aux Beaux-Arts de Bordeaux pour son regard et ses conseils toujours très bienvenus à propos de mon travail. Mais également pour toute la richesse que peuvent apporter les discussions avec une étudiante d’un domaine certes autre, mais intimement lié à celui de l’architecture.

Je remercie également sincèrement et sans attendre ma famille, qui fait passer à mon égard avant toute chose mon bien-être et mon épanouissement dans mon travail. Je dédie tout aussi sincèrement ce mémoire à mon père, source éternelle d’ambition à mes yeux.

Je remercie pour finir tous les lecteurs de ce travail qui le font ainsi vivre par son rôle de transmission de connaissances, à qui il fera peut-être germer des idées d’innovation pour certains, comme d’autres mémoires ont su m’en être la source.

Résumé

Ce travail de recherche tente de réduire la consommation de sable du secteur de la construction en le remplaçant par de la matière recyclée à travers de nouvelles méthodes de mise en œuvre du béton. L’hypothèse vérifiée est que le sable naturel peut être remplacé au sein du béton par de la brique concassée, et que ce béton peut ensuite être imprimé en 3D. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons édifié un protocole scientifique après avoir fait l’état de l’art du sujet et avoir emmagasiné assez de connaissances pour nous lancer.

Un première phase de recherches à propos du sable de brique lui même a été engagée. Il en a découlé la conception de méthodes de concassage de briques. Il a été choisi de travailler à partir de sable à la granulométrie allant de 0,5 à 2 mm. La quantité trop fine de matière a représenté 41,4 %. Nous avons effectué des observations microscopiques et constaté l’état de surface particulièrement granuleuse des grains de sable de brique. La masse volumique apparente mesurée de ce sable est de 0,91 kg/L, sa masse volumique absolue de 2,174 kg/L, et son taux d’absorption d’eau de 46,45 %. La couleur moyenne de ce sable est #b56549 mais présente des variations de celle-ci.

Dans une deuxième phase, nous avons testé différents mélanges de béton où le sable naturel est remplacé à hauteur de 40 ou 100 % par du sable de brique. Avant cela nous avons effectué des tests sur le sable à substituer. Nous avons mesuré que sa masse volumique apparente est de 1,64 kg/L, celle de sable de brique est 44,51 % inférieure. Sa masse volumique absolue est de 2,5 kg/L, celle du sable de brique est donc 13,04 % inférieure. Son taux d’absorption d’eau est de 17,97 %. Nous avons calculé la masse volumique absolue des sables saturés d’eau et avons obtenu 2,95 kg/L pour le sable naturel et 3,184 kg/L pour le sable de brique. Le béton substitué à 40 % n’est que 1,23 % plus léger que le béton témoin à l’état frais. Suite aux tests d’extrudabilité et d’imprimabilité, le béton substitué à 100 % s’est révélé inimprimable mais 12,1 % plus léger durci. Après analyse du sable naturel, il s’est avéré constitué de 89,03 % de particules inférieures à 0,5 mm, nous avons choisi de reproduire cette granulométrie à l’aide du sable de brique. Les nouveaux mélanges se sont révélés imprimables mais nécessitent près du double d’eau pour une substitution totale du sable naturel. La couleur des bétons de brique évoluent fortement pendant le durcissement, et présente une couleur moyenne équivalente à #f5c5b7 pour une substitution de 100 %. Nous n’avons pas pu tester ces bétons à l’aide d’une imprimante et projetons d’imprimer des briques non-standards constituée d’un grand nombre de couches de béton, ainsi que des cônes de pente variable.

Abstract

This research work attempts to reduce sand consumption in the construction sector by replacing it with recycled material through new methods of using concrete. The tested hypothesis is that natural sand can be replaced within concrete by crushed brick, and that this concrete can then be 3D printed. To test this hypothesis, we built a scientific protocol after reviewing the subject matter and accumulating enough knowledge to get started.

A first phase of research on the brick sand itself has been initiated. This resulted in the design of brick crushing methods. It was chosen to work from sand with a particle size of 0.5 to 2 mm. The too fine amount of material represented 41.4%. We carried out microscopic observations and observed the particularly grainy surface condition of the grains of brick sand. The measured bulk density of this sand is 0.91 kg / L, its absolute density is 2.174 kg / L, and its water absorption rate is 46.45%. The average color of this sand is # b56549 but has variations of it.

In a second phase, we tested different concrete mixes where the natural sand is replaced up to 40 or 100% by brick sand. Before that we carried out tests on the sand to be substituted. We have measured that its bulk density is 1.64 kg / L, that of brick sand is 44.51% lower. Its absolute density is 2.5 kg / L, so that of brick sand is 13.04% lower. Its water absorption rate is 17.97%. We calculated the absolute density of water saturated sands and obtained 2.95 kg / L for natural sand and 3.184 kg / Lfor brick sand. The 40% substituted concrete is only 1.23% lighter when fresh.

Following extrudability and printability tests, the 100% substituted concrete was found to be unprintable. After analyzing the natural sand, it was found to consist of 89.03% of particles smaller than 0.5 mm and we chose to reproduce this particle size using brick sand. The new mixes were found to be printable but consuming almost double the water for a total substitution of natural sand. The color of brick concretes changes strongly during curing, and exhibits an average color equivalent to # f5c5b7 at 100% substitution.

We were unable to test these concretes using a printer and plan to print non-standard bricks consisting of a large number of layers, as well as cones of varying slope.

Sommaire

Introduction ____________________________________________________________________7

Protocole expérimental _____________________________________________________11

I Les briques à recycler : tests de transformation de la matière ____________________________13

A) Présentation des briques ________________________________________________13

B) Tests de pré-concassage et tamisage ________________________________________14

C) Tests de concassage et tamisage ___________________________________________18

D) Observations microscopiques _____________________________________________21

E) Mesures de masse volumique apparente et absolue _____________________________23

F) Tests d’absorption d’eau de la brique concassée _______________________________28

G)Analyse de la colorimétrie de la brique concassée _____________________________30

II Tests sur le béton de brique recyclée ______________________________________________33

A) Élaboration des différents mélanges ________________________________________33

1) Mélange témoin __________________________________________________33

2) Différents mélanges de béton de brique ________________________________34

B) Tests à l’état frais _______________________________________________________35

1) Masse volumique _________________________________________________35

a. Masse volumique apparente du sable naturel ______________________35 b. Masse volumique absolue du sable naturel ________________________35 c. Porosité inter-granulaire du sable naturel _________________________36 d. Taux d’absorption d’eau du sable naturel _________________________36 e. Masse volumique absolue des sables saturés d’eau _________________38 f. Masse volumique des bétons frais _______________________________38

2)Affaissement au cône d’Abrams ______________________________________39

3) Tests d’extrudabilité _______________________________________________40

4) Tests d’imprimabilité à petite échelle __________________________________42

a. Mélange témoin BST _________________________________________43 b. Mélange BSB 40 ____________________________________________44 c. Mélange BSB 100 ___________________________________________45

Introduction

Le sable est une ressource qui devient rare, nos 15 milliards de tonnes annuelles utilisées dans le monde y sont pour beaucoup. Le béton armé constitué aux deux tiers de sable s’est hissé numéro un des matériaux au sein des constructions sur notre planète. Ce marché engendrant des sommes colossales favorise sont exploitation illicite, où le sable est volé sur de nombreuses plages. Le sable de mer est gratuit, et est donc puisé à outrance au large des côtes du monde entier. Le vide laissé par son puisement se remplit par gravité, aspirant le sable des côtes, des îles. En effet, 25 îles ont disparu d’Indonésie pour permettre à Singapour de s’agrandir de 20 % en 40 ans, et plusieurs centaines d’îles ont été évacuées aux Maldives. Aggravant la montée des eaux, déplaçant des populations et ravageant les écosystèmes marins, la course à cette ressource doit laisser place à une alternative avant qu’il ne soit trop tard. 1

1Données issues du reportage « Le sable : enquête sur une disparition » Réalisé par Denis Delestrac et produit par ARTE France, Rappi Productions, La Compagnie des Taxi-Brousse et Informaction – 2011

Figure 0 : Quantité annuelle de sable utilisée dans le monde – Paris

La France génère chaque année des dizaines de milliers de tonnes de briques non revalorisées, ce mémoire tente de mettre au point une solution pour diminuer cette quantité.

A sa démolition, un bâtiment devient une masse de déchets, le sort de ces déchets permet ou non d’augmenter la rentabilité de l’énergie initiée pour fabriquer ces matériaux, on parle de valorisation. Ces déchets se déclinent en plusieurs types : les déchets dangereux (amiante, plomb), les déchets non dangereux non inertes (plâtre, bois), et les déchets inertes (béton, brique). Ces derniers représentent 73 % des déchets issus du bâtiment, et pour la France, environ 3 250 kt par an de briques. En France, ce gisement est valorisé à hauteur de 95 %, ce qui génère annuellement 162 000 t de briques non-valorisées2. Une partie de ces déchets de terre cuite est directement issue de l’usine d’où elle provient. En effet, lors de la production, certaines briques comportent des défauts et sont donc jugées invendables par leur fabricant.

Aujourd’hui, les techniques de recyclage de la brique se concentrent sur son concassage, puis l’utilisent comme matériau de remblais3. Cette technique consiste à n’utiliser la matière que pour sa capacité à occuper l’espace sans s’affaisser, et ne tire pas profit des réelles capacités techniques du matériau, qui par le recyclage peuvent mieux valoriser l’énergie engagée pour sa production. La terre cuite de briques et de tuiles est utilisées après concassage comme matériau pour les terrains de tennis en terre battue4. Ces techniques sont majeures pour le recyclage de la terre cuite et ne concernent que très peu le secteur de la construction, responsable de ces déchets.

Parmi les nombreuses études qui ont déjà été menées pour revaloriser la brique, une partie d’entre elles se concentre sur le concassage de celle-ci pour leur incorporation dans du béton. On peut citer par exemple le travail de B. Boucif et B. O. Soufyane (1) qui traite du remplacement du gravier dans le béton par des granulats de brique ou encore la thèse deA. Gueraichi (4) qui traite des bétons de sable chargés de granulats de brique. Ces méthodes permettent à la fois de revaloriser des déchets et d’éviter la consommation d’une partie des constituants du béton. Ces recherches ont donné des résultats plus qu’encourageants d’un point de vue du recyclage de ressources matérielles et de possibilités architecturales, c’est pourquoi ce mémoire se concentrera sur ce sujet. Ces travaux

2Source :https://www.actu-environnement.com/media/pdf/news-33661-etude-professionnels-batiment-reprisedechets.pdf consulté le 11/11/2020

3Source : https://www.ademe.fr/expertises/dechets/quoi-parle-t/types-dechets/dechets-inertes consulté le 13/0,3/2021

4Source : https://www.ladepeche.fr/article/2012/05/23/1359489-tennis-comment-fabrique-t-on-les-courts-en-terrebattue.html consulté le 21/03/2021

de recherches ont souvent été menés par des chercheurs du monde de l’ingénierie, et rarement par des étudiants en architecture ; c’est pourquoi ce travail tentera -en plus d’élaborer une méthode de recyclage de briques- d’apporter des critiques constructives pour le monde de l’architecture à travers les résultats du travail de recherche. Un des objectifs de ce mémoire est de réussir à mobiliser le travail déjà effectuer par des chercheurs en ingénierie au service de la recherche en architecture.

Au delà de tester la capacité du béton de brique à être employé dans la construction, nous allons tenter de le mettre en œuvre de sorte à pousser plus loin sa capacité à réaliser des économies. En effet, l’emploi de sable de brique dans le béton n’a pas été exploré à travers le prisme de l’impression additive en 3 dimensions. C’est à travers cet angle que ce mémoire traversera ce sujet. L’opportunité d’explorer ces méthodes de mise en œuvre pourrait offrir des méthodes supplémentaires de recyclage de la brique. L’impression en 3 dimensions du béton permet de faire l’économie de toute forme de coffrage, ainsi que de matériaux en imprimant des structures en partie évidées. En plus de réaliser ces économies par rapport à un béton coulé, la substitution des composant du béton par des matériaux recyclés permettent d’économiser encore plus de ressources. Les architectes ayant entre autres pour mission d’être soucieux de l’impact environnemental des constructions qu’ils conçoivent, améliorer des méthodes de mise en œuvres de matériaux contribue à cette mission. Le secteur de l’impression en 3D de béton étant encore un plein développement, injecter à cet effort de recherche un volet plus écologique est primordial, afin que la suite de son développement le soit également un peu plus.

C’est à travers ces doubles impacts positifs d’économie de matériaux et de valorisation de ressources par leur recyclage que des essais de recyclage de la brique comme composant du béton portent sur la substitution des éléments constitutifs de celui-ci. Dans un premier temps, le ciment peut en partie être remplacé par de la poudre de brique. Cette substitution du ciment ne peut pas être totale. En effet, ce remplacement affectant grandement les capacités du matériau durci, le ciment est un élément crucial pour conserver une solidité suffisante5. Le béton imprimé nécessite une proportion de ciment plus importante qu’un béton coulé classique, dans ce type de mélange sa présence est encore plus nécessaire et sa substitution ne sera donc pas étudiée en priorité dans ce mémoire.

5 « le ciment a été remplacé par du GCB par 0,0, 50, 100 et 150 kg / m 3 . La résistance à la compression du béton diminuait avec la teneur en GCB » (3)

Le gravier du béton peut également être remplacé par de la brique concassée en granulats de taille similaire à celle de granulats naturels. Quand ce béton est coulé, en plus d’être plus léger6 qu’un béton classique, il possède une résistance accrue à la traction7. Le béton imprimé par contre, ne possède lui que très rarement des constituants de la taille du gravier. En effet, la buse permettant d’imprimer le béton a une taille limitée, les granulats ne peuvent donc que très rarement dépasser une taille de 2mm8, soit bien moins que les granulats d’un béton classique.

Le dernier élément pouvant être remplacé dans le béton est le sable. Cet élément est présent dans le béton coulé comme imprimé. Sa substitution altère peu les performances du béton9, en fonction de son taux dans le mélange. D’après les recherches effectuées, jamais ce mélange n’a été imprimé en 3D dans un cadre de recherches scientifiques, ce qui nous amène à la problématique suivante : Pouvons nous remplacer le béton classique par un béton dont une partie du sable est substituée par de la brique recyclée ?

Nous dressons l’hypothèse suivante : il est possible de remplacer une partie des constituants du béton par de la brique recyclée, et d’en ajuster la composition pour qu’il soit imprimable en 3D et dont les caractéristiques constituent des ressources exploitables pour le monde de l’architecture. L’étude des caractéristiques encore inconnues d’un tel béton imprimé pourront être enrichissantes en terme de performances techniques : de solidité, thermiques, d’absorption d’eau, mais également en grande partie en terme de colorimétrie et d’ambiances générées par la mise en œuvre du matériau. En effet, l’analyse de la couleur et de la texture de ce nouveau matériau différencie ce travail de recherche d’un travail d’ingénieur. L’étude de la matérialité du béton de brique nous aidera à qualifier sa manière de s’exprimer dans son utilisation brute. C’est par le protocole expérimental qui s’en suit que nous allons produire des données et vérifier ou non notre hypothèse.

6« Les masses volumiques apparentes des granulats recyclés sont de l’ordre de 20 à 25% inférieures à celles des granulats naturels, ce qui représente un petit avantage économique en poids du béton. » (1)

7« Pour la même résistance à la compression, la résistance à la traction est de 11% supérieure à ceux du béton normal. » (1)

8« , les granulats utilisés ont une dimension maximale de 2 mm (Dmax=2 mm) et l’imprimante 3D a une buse de 2 cm de diamètre » (2)

9« une diminution de la résistance à la traction par flexion des bétons de sable avec les sables recyclés à l’état naturel sec, cette diminution est de l’ordre de 8% pour le sable de brique » (4)

Protocole expérimental

Afin de vérifier notre hypothèse, nous allons mettre en place un protocole expérimental par lequel nous allons effectuer des tests. Le but de ces tests sera d’observer et de tirer des informations de ces expériences qui vont nous permettre -en les analysant- de valider ou non nos hypothèses, et ainsi de répondre à la problématique. Certaines étapes du protocole peuvent être menées en même temps, indépendamment les unes des autres, mais d’autres nécessitent l’observation et l’analyse de résultats des étapes précédentes. Le protocole est édifié à partir des informations nécessaires à recueillir, et donc naturellement des méthodes pour les observer, ordonnées de façon à recueillir d’abord les informations nécessaires à la mise en pratique des étapes suivantes.

Les premières étapes vont être composées d’analyses sur la matière à recycler pour que les conditions des expérimentations menées soit décrites le plus précisément possible, afin de limiter les facteurs inconnus. C’est un processus nécessaire pour permettre ultérieurement l’utilisation des résultats par des tiers. Pour que d’autres puissent exploiter les données fournies ici, il est nécessaire qu’ils connaissent à partir de quel matériau et dans quel cadre les expérimentations ont été menées. Ces premières étapes seront constituées de tests de méthode de concassage de brique, de leur composition granulométrique (taille des granulats), et de leur propriétés physiques comme leur densité, leur taux d’absorption d’eau, ou leur couleur.

Les étapes suivantes permettront de concevoir le mélange de béton de référence imprimable et le béton de brique duquel on souhaite tester l’imprimabilité. Il s’agira de voir -en fonction du pourcentage de sable naturel remplacé par du sable de brique- les modifications de comportement du béton frais, et d’évaluer si ces modifications de comportement révoquent sont imprimabilité. Nous aborderons le test de l’affaissement au cône d’Abrams ( test de maniabilité du béton), leur densité et leur imprimabilité (test à petite échelle à la poche à douille).

Le béton frais une fois testé est coulé en éprouvette pour qu’une fois durci il puisse subir d’autres tests. Les tests sur le béton durci serviront à observer les altérations sur les performances de celui-ci en fonction du taux de substitution du sable. Les altérations observées seront en terme de résistance physique du matériau (à la compression et à la traction par flexion). Le but est d’observer si la substitution du sable dans le béton altère trop grandement ou non ses performances, et donc si les bétons sont des mélanges viables ou non. Il s’agira également d’en étudier la colorimétrie, son état de surface et les ambiances que peuvent générer la mise en œuvre de tels matériaux.

Ces deux premières phases de tests permettront de sélectionner les mélanges les plus proches des performances nécessaires à l’imprimabilité, avec le plus fort taux de substitution.

Bien que les tests à petite échelle sont déjà presque en capacité de prouver l’imprimabilité d’un béton ou non par sa capacité à être extrudé et à durcir correctement, dans une dernière phase nous testerons en pratique l’imprimabilité d’un ou des meilleurs mélanges retenus. Il s’agira d’imprimer en 3D une brique non-standard avec les différents mélanges, et d’observer les différents soucis qui pourraient subvenir. L’imprimabilité du béton n’est pas une propriété binaire : le béton peut être plus ou moins imprimable. Les mélanges pourront chacun réagir différemment à l’impression, et résister à un nombre de couches différents, s’effondrer ou non à partir d’une hauteur différente. Il s’agira d’observer le ou les différents mélanges et de leur attribuer des performances d’imprimabilité en fonction du taux de substitution du sable naturel par du sable de brique.

Sauf indication, toutes les photos, tableaux, et graphiques suivants ont été produits exclusivement pour ce travail de recherche, et sont protégés au même titre que celui-ci.

I Les briques à recycler : tests de transformation de la matière

A) Présentation des briques

Les briques qui seront utilisées sont des maxi-briques jugées invendables par leur fabricant : La Briqueterie du Nord. L’ENSAPL dispose de telles briques, utilisables pour ce travail de recherche. Ces maxi-briques de terre cuite en partie creuses pèsent en moyenne 3,62 kg et mesurent 6,5x22x22 cm.

1 : maxi-brique – type de brique concassée dans le cadre de ce mémoire

B) Tests de pré-concassage et tamisage

Afin de les recycler, il est nécessaire de concasser les briques pour en obtenir des granulats assez fins pour être inclus dans du béton. La brique est issue d’argile compactée puis cuite à haute température11, elle est par conséquent un matériau très compact et résistant à la compression. Étant un matériau dure, il est donc cassant, voir friable sous d’importantes forces. Les méthodes les plus courantes pour concasser la brique agissent par écrasement (application d’une force jusqu’à rupture du matériau), par chocs (application de force subite en un point du matériau), ou les deux.

Fig. 2 : Concasseur à gravats à mâchoires12

Les concasseurs à mâchoires sont utilisés pour concasser grossièrement tout type de gravats, notamment sur les petits chantiers de démolition.

Fig. 3 et 4 : intérieur et fonctionnement en coupe d’un concasseur à boulets – issu de (9) 11De 900 °C à 12100

Les concasseurs à boulets sont généralement utilisés pour concasser très finement tous types de matériaux dures. N’ayant pas à disposition ce matériel pour les premières expérimentations de concassage, la brique sera concassée par écrasement. Cet écrasement s’effectue entre une surface métallique plane fixe et une surface légèrement concave métallique mobile (enclume et massette). Tout au long de ce travail de recherche il a fallut s’adapter au manque de moyens à dispositions, du fait du travail à domicile, sans les ressources de l’école d’architecture. Une partie du travail alloué à cette recherche a consisté à réfléchir aux besoins matériels des expériences, et à trouver les outils comblant ces besoins. Les ressources matérielles employées étant pour la plupart des objets du quotidien (ou presque), cellesci apportent un côté « low-tech » ou « home-made » à ces expérimentations. Ceci démontre l’appropriation possible de la part d’architectes de questions scientifiques poussées, et cela sans grands moyens technologiques de laboratoire, grâce à leur capacité à trouver des solutions, et s’adapter.

Fig. 5 : matériel utilisé pour les premiers concassages : marteau et enclume

Cette méthode de concassage « maison » est moins efficace que les exemples de méthode de concassage mécanisée que nous venons de voir, elle convient cependant à ces premières expérimentations. Bien que moins efficace, ce matériel permet tout de même concasser finement 500 g de brique en 4 heures, soit 8 heures par kilogramme.

Fig. 6 : 500 grammes de brique concassés grossièrement Après avoir été concassée, la matière est réduite en agrégats de toutes tailles mélangés ensemble. Le tamisage a pour effet de séparer les agrégats en fonction de différentes fourchettes de taille.

Le tamisage consiste à faire passer la matière à travers différentes grilles, dont l’ouverture des mailles est de taille connue ; la matière est passée dans toutes les grilles, des mailles les plus grandes aux plus petites. La matière retenue par un tamis est donc composée d’agrégats dont la taille est comprise entre l’espacement des mailles du tamis précédent, et celui du tamis qui les a retenu.

Fig. 7 et 8 : tamis utilisés appartenant à l’ENSAPL - Brique concassée grossièrement, puis tamisée.

Le tamisage doit être effectué avec soin, afin de ne pas perdre trop des particules les plus fines par dispersion dans l’air sous forme de poussière. Une fois la matière déposée sur le tamis, c’est en le

faisant vibrer que l’on fait tomber à travers lui les agrégats de taille inférieure à ses mailles. Pour passer les 500 grammes de brique à travers 5 tamis cela prend 2 heures, soit 4 heures par kilogramme.

Une fois que la matière est triée par taille, il est possible de représenter par une courbe la répartition de la matière en fonction des différentes tailles de granulats : c’est la courbe granulométrique.

Fig. 9 : Courbe granulométrique de 500 grammes de brique concassée grossièrement

Les valeurs que représentent cette courbe peuvent également être lues sous forme de tableau. Cela permet de lire plus facilement la quantité de matière retenue par un tamis en particulier.

Ouverture du tamis (mm) Quantité retenue (g)Pourcentage de quantité retenue Cumul (g) 5,523246,4232 3,512224,4354 2397,8393 1,5214,2414 0,5234,6437 fond6312,6500

Tableau 2 : Répartition granulométrique de 500 grammes de brique concassés grossièrement

Les granulats du fond -inférieurs à 0,5 mm-, appelés « fines » sont très fins et risquent d’avoir un comportement imprévisible dans le mélange de béton, ils sont mis de côté13 .

Les granulats d’une taille supérieure à 2 mm sont de trop grande taille par rapport au diamètre des buses utilisées pour imprimer du béton, et risquent de les obstruer. Ces granulats seront concassés à nouveau.

Après ce premier concassage, 12,6 % de la matière est « perdue » en particule trop fine, 78,6 % sont en granulats de trop grande taille et seulement 8,8 % sont utilisables en tant que sable dans des mélanges tests de béton.

C) Tests de concassage et tamisage

Le re-concassage des 393 grammes de granulats de taille supérieure à 2 mm modifie le profil de la courbe granulométrique, et l’on obtient ainsi son profil final, une fois que tous les granulats ont une taille inférieure au seuil décidé (ici 2 mm).

Fig. 10 : représentation en noir de la courbe granulométrique de 500 grammes de brique concassée grossièrement, et en rouge de 500 grammes de brique concassée finement.

13« La propreté des sables caractérise la teneur en fines argileuses dans le pourcentage global en fines, car les fines argileuses peuvent rendre la mise en place du béton plus difficile et peuvent altérer l'adhérence des grains à la pâte de ciment. » (5)

Ouverture du tamis (mm)

Quantité retenue (g)Pourcentage quantité retenue

Cumul (g) 210,21 1,512725,4128 0,516533293 Fond20741,4500

Tableau 3 : Répartition granulométrique de 500 grammes de brique concassés finement

Après concassage complet des 500 grammes de brique, on constate qu’il reste 1 g de granulats (0,2%) supérieur à 2 mm : il s’agit de cailloux présents dans la brique de taille supérieure à 2 mm qui ne peuvent pas être concassés, ils sont mit de côté.

On constate que 41,4 % de la matière est « perdue » car est réduite en particules plus fine que le seuil que l’on s’est fixé (0,5 mm).

Après ce concassage manuel réalisé pour ce travail de recherche, sur les 500 g de brique il y a donc 58,4 % soit 292 g de sable de brique utilisables comme constituant de béton hypothétiquement imprimable (0,5-2 mm).

Fig. 12 et 13 : Sable de brique 0,5 – 1,5 mm et 1,5 – 2 mm

On s’aperçoit que le concassage manuel est constitué d’une série de phases de tamisage, puis de concassage des granulats supérieurs à la granulométrie souhaitée. A notre échelle, dans ce cadre de recherches expérimentales, le concassage manuel s’est révélé extrêmement chronophage et peut s’avérer être un obstacle à l’utilisation de ce type de matériau. En effet, tout recyclage nécessite une transformation de la matière, coûtant de l’énergie. L’énergie utilisée ici est essentiellement la force humaine qui même optimisée au mieux dans la limite des moyens disponibles dans ce travail, reste moins efficace que celle de concasseurs mécaniques.

Pour l’utilisation à plus grande échelle de béton de sable de brique, nous pouvons nous permettre de conseiller l’utilisation de méthodes de concassage automatisées, mécaniques, et plus efficaces. Le sable de brique 0,5-2 mm ne faisant que peux l’objet de recherches, et n’étant pas utilisé dans le secteur de la construction, il n’est bien entendu pas commercialisé. Si ce travail de recherche met en exergue les avantages de l’utilisation de ce type de matériaux recyclés, nous pouvons imaginer qu’il le soit un jour ce qui éviterai à ceux souhaitant en utiliser à avoir à le produire eux-même.

D) Observations microscopiques

Afin d’apporter des précisions sur la nature de la matière recyclée utilisée et celle qu’elle remplace, nous avons développé des outils, méthodes, d’observation microscopique à l’aide d’un microscope domestique de lumière transmise se trouvant à disposition ainsi que des échantillons de sables naturels et de brique.

Ces observations confirment la grande différence de taille entre les particules ultra-fine et le sable, de brique. En effet, les fines de brique étant passées à travers un tamis d’ouverture 0,5 mm leur granulométrie s’étend de cette dimension jusqu’aux plus petites particules, extrêmement volatiles.

Ces observations montrent par contre la proximité de taille entre les grains de sable naturel (0-2 mm) et de sable de brique.

Fig. 14 et 15 : Fines de brique ( > 0,5 mm) et sable de brique ( 0,5 < x < 1,5 mm) grossis x300 au microscope de lumière transmise par Christophe Roger - 01/03/2021

Fig. 16 et 17 : sable de brique ( 0,5 < x < 1,5 mm) et sable naturel fin grossis x100 au microscope de lumière transmise par Christophe Roger - 01/03/2021

On peut également s’apercevoir que la surface de tous les grains de sable de brique est grandement irrégulière et comporte de nombreuse aspérités. Ces aspérités jouent un grand rôle dans les performances de résistance du béton de brique, permettant à la masse cimentaire de mieux y adhérer14. Nous pouvons prendre pour contre-exemple des tests de béton où le sable a été remplacé par du verre concassé. Ces granulats étant très lisses, la résistance du béton s’en est trouvée grandement altérée15. On peut s’apercevoir également que le sable naturel (fig.19) comporte à la fois des grains lisses et rugueux contrairement au sable de brique (fig.20) qui n’en comporte que des rugueux, ceci explique en partie la plus grande résistance en flexion de certain béton de brique (4).

14« Par contre l’utilisation des granulats de brique pour charger les bétons de sable donne des bonnes résistances, cette amélioration de a résistance en traction par flexion .Cela s’explique par l’état morphologique très poreux et l’état de surface rugueuse des graviers de brique qui donne une bonne adhérence entre les grains de ce sable et la matrice cimentaire. » (4)

15« Aussi, l’augmentation de la proportion de verre dans le béton se fait avec la chute de résistance en compression. Ce qui serait lié au défaut d’adhérence entre la matrice du béton et les granulats de verre. » (5)

Fig. 18 et 19 : Sable naturel fin et sable de brique (0,5 < x < 1,5 mm) grossis x600 au microscope de lumière transmise par Christophe Roger - 01/03/2021

E) Mesures de masse volumique apparente et absolue

La masse volumique apparente représente la masse d’un volume donné (L ou m³) de matière en comprenant les vides et interstices entre les granulats de celle-ci. A l’inverse, la masse volumique absolue représente la masse d’un volume connu de matière uniquement, sans prendre en compte les vides et interstices entre les granulats la constituant.

C’est à cette étape que les 165 g de sable de brique de granulométrie 0,5 – 1,5 mm et les 127 g de sable de brique de granulométrie 1,5 – 2 mm ont été mélangés pour obtenir la composition finale du matériau de substitution. Compte tenu de la faible quantité de sable, il a été convenu de peser 0,1 L de sable de brique afin d’en calculer sa masse volumique apparente. Une boite en bois de cette contenance a donc été fabriquée, remplie de sable, puis pesée. Le bois est un matériau dont l’utilisation pour fabriquer des formes basiques est très abordable, c’est ce pourquoi il a été choisi pour fabriquer cet outil de mesure.

Ces 0,1 litre de brique concassé pèsent 91 grammes. Cette masse correspond à une masse volumique apparente de 0,91 kg/L, soit 910 kg/m³, les grains ne sont pas tassés et comprenent des vides remplis d’air entre eux.

Afin de calculer la masse volumique absolue, donc celle des grains de brique uniquement, il faut effectuer une mesure en se débarrassant de l’air entre les granulats. Cette mesure est effectuée en plongeant une masse connue de brique dans un volume d’eau. En mesurant la différence de volume qu’occupe l’eau avant et après y avoir plongé les grains, on connaît donc le volume qu’occupe le sable de brique. C’est en comparant la masse connue de brique que l’on a plongé et la différence de volume mesurée que l’on peut en déduire la masse volumique absolue.

Fig. 21 : 250 g de sable de brique 0,5 – 2 mm utilisés pour le calcul de densité absolue

Il a été pesé 250 grammes de sable de brique 0,5 – 2 mm, pour être plongés dans de l’eau. Cela représente la quasi-totalité de la quantité concassée disponible pour ces premiers tests.

Fig. 22 et 23 : Méthode de mesure d’un liquide – mesure de 300 mL d’eau

Un liquide adhère plus ou moins à la paroi de son contenant, ce qui génère une courbe à sa surface, nommée un ménisque. Pour lire un volume de liquide dans un contenant gradué il faut donc se référer au bas du ménisque (fig. 22). Ici, 300 mL d’eau on été mesurés pour y plonger le sable de brique.

Fig. 24 : Mesure du volume après immersion de 250 g sable de brique

Après immersion des 250 grammes de sable de brique, le volume est mesuré à nouveau. Passé de 300 mLà 415 mL, on peut calculer la différence de volume :

Veau+sable – Veau = Vsable 415 mL – 300 mL = 115 mL V en mL

Nous savons à présent que 250 g de sable de brique 0,5 – 2 mm représente un volume absolu de 115 mL. Nous pouvons donc en calculer la masse volumique absolue : 115 mL<=> 250 g 1000 mL<=> (1000*250)/115 = 2 173,9 g ± 0,1 g

La masse volumique absolue du sable de brique 0,5 – 2 mm est donc de 2,174 kg/L soit 2 174 kg/m³.

On observe une grande différence entre ces deux densités, de l’ordre de plus de 136 % supplémentaires, ce qui démontre l’intérêt de clairement les identifier séparément lors de ces analyses.

Soit :

Fig. 25 : Calcul de la porosité inter-granulaire d’après (4) – page 34

P= (1-(910/2173,9)) * 100 = 58,14 % ± 0,01 %

Les vides représentent donc 58,14 % du volume de celui du sable de brique 0,5 – 2 mm.

A titre de comparaison, d’après (4), le sable de carrière 0 – 5 mm a des masses volumiques apparente et absolue de 1,64 Kg/L et 2,63 Kg/L. Il est donc en apparence 44,5 % plus léger, et vides non compris 17,3 % plus léger.

Ces données pourront permettre d’expliquer d’éventuelles différences de densité entre le béton témoin et les béton de sable de brique.

F) Tests d’absorption d’eau de la brique concassée

La brique étant un matériau poreux, il est capable d’absorber l’eau, le concassage accentue cet effet16 .

Afin de calculer la capacité maximum des grains de sable de brique à absorber de l’eau, nous les avons plongé dans de l’eau à température ambiante pendant 36 heures afin qu’ils se gorgent d’eau. Ils ont ensuite été étuvés à 100 °C et pesés toutes les 20 minutes jusqu’à ce que leur masse cesse de diminuer. A ce stade nous avons pu calculer la différence de masse mouillée et sèche et ainsi déduire la quantité d’eau qu’ils ont été capables d’absorber, par rapport à leur poids. Ici l’ordre des expérimentations doit être pensé intelligemment, en effet, lors du tests précédents nous avions besoin de sable sec, pour le plonger dans le l’eau ; le fait qu’il soit déjà mouillé n’a aucune importance pour ce test car il consiste à le laisser immergé. Toujours dans une idée de réaliser des expériences et mesures dans un cadre domestique, abordable pour un architecte ne travaillant pas dans un laboratoire, c’est un four domestique qui a servi à l’étuvage. L’évolution de la masse du sable de brique au cours de l’étuvage est représentée par le tableau 4 et la fig. 26 : Temps d’étuvage à 100 °C (min)Masse (g) 0413 20355 40304 50289 60283 80282 90282

Tableau 4 : Évolution de la masse du sable de brique au cours de l’étuvage à 100 °C

16« Lors de la fabrication des granulats recyclés le concassage a deux effets: • En créant des fissures, le concassage contribue à une augmentation de l'absorption d'eau. » Source : (5)

Fig.26 : Évolution de la masse du sable de brique (g) en fonction du temps d’étuvage (min)

Nous pouvons donc calculer le coefficient d’absorption d’eau du sable de brique 0,5 – 2 mm. Il détermine le rapport de l’augmentation de masse du sable par son imbibition d’eau, à sa masse asséchée. Il se calcul ainsi :

Fig. 27 : Calcul du coefficient d’absorption d’eau, d’après (4) – page 34

Soit :

Absorption eau = ((413 – 282)/282)*100 = 46,45 %

Le sable de brique peut donc absorber 46,45 % de son poids en eau. Ces expérimentations permettent de nous orienter vers une saturation en eau du sable de brique avant son incorporation dans les mélanges de béton, afin d’éviter qu’il n’absorbe toute l’eau nécessaire à la chimie de la masse cimentaire. L’eau absorbée par le sable de brique serait comme retirée du mélange et nous ferait perdre tout contrôle sur la maniabilité du béton. C’est une décision prise avant les expérimentations, sur laquelle il est possible de revenir si les tests ne sont pas concluants.

G)Analyse de la colorimétrie de la brique concassée

La couleur du sable de brique est quasi-uniforme hormis de rares agrégats issus de terres ou de pierres particulières, pouvant parfois se colorer à la cuisson. Ce type d’agrégats est, d’après ces tests de concassage manuel à petite échelle, relativement rare car aperçus que quelques fois au cour du concassage de 500 g de brique. Ils se retrouvent « noyés » dans la masse de sable de brique qui lui possède une couleur quasi-uniforme.

Fig. 28 : grains de sable de brique à la couleur différente de la majorité de ceux-ci.

Afin de pouvoir observer et qualifier la couleur du sable de brique, nous avons développé à l’aide des moyens à notre disposition une méthode d’analyse numérique-photographique. Cette méthode se base sur des photos de sable de brique au réglage précis afin d’obtenir une couleur la plus juste possible. Ces photos sont ensuite analysées sur le logiciel de traitement d’image « Photoshop », que les étudiants en architecture apprennent très tôt à utiliser. L’analyse numérique-photographique du sable de brique a révélé que leur couleur moyenne répond au code hexadécimal de couleur #b56549.

Fig. 29 : Détails de la couleur moyenne #b56549 du sable de brique17 .

Cette couleur moyenne que réfléchie le sable de brique sous une lumière blanche se décompose en trois valeurs, correspondant à sa part de rouge, de vert, et de bleu ; chacune de ces parts sont exprimées en une valeur pouvant aller de 0 à 255. Cette couleur se décompose donc en 181/255 parts de rouge, 101/255 parts de vert et 73/255 parts de bleu.

Cette couleur moyenne du sable de brique se dérive en différentes nuances et teintes, plus claires ou plus sombres, dont une partie est présente elle aussi dans la lumière renvoyée par le matériau.

Fig. 30 : nuances et teintes de #b56549 allant du blanc au noir

17Source fig. 29 et 30 : https://color-hex.org/color/b56549

Afin de constater l’ampleur de la présence de ces nuances et teintes dérivées dans la lumière réfléchie par le sable de brique, nous avons -par analyse numérique/photographique- représenté la présence de la quatrième variation vers le sombre et le clair de #b56549 ( #6c3c2b et #d2a291 ).

Fig. 31 : Colonne gauche : portion de photo de sable de brique – colonne milieu : teinte sélectionnée – colonne droite : part de présence de la teinte au sein de la portion de photo - tolérance : 120/200

La colonne de droite représente la part de présence respective de chaque teinte au sein de la photo de sable de brique ( qui est à gauche). Dans la colonne de droite, plus la représentation comporte de blanc, moins la teinte à sa gauche est présente dans la couleur du sable de brique. Cette représentation confirme la dominance de la couleur moyenne #b56549, ainsi que la non-uniformité de couleur du sable de brique par la présence d’autres variations de teinte comme #6c3c2b et #d2a291, bien que bien moins importante.

Ces observations de la couleur du sable de brique permettent de qualifier précisément cette propriété à son égard mais également de les comparer avec d’autres sables de brique dans le cadre d’éventuelles expérimentations ultérieures. Dans les travaux de recherches présents entre autres dans la bibliographie, les chercheurs en ingénierie ne se posent que très rarement la question de la couleur des matériaux. Cette propriété importante dans la qualification des ambiances générées par la mise en œuvre d’un matériau est notamment ce qui distingue la différence d’approche entre les ingénieurs-chercheurs et les architectes-chercheurs.

II Tests sur le béton de brique recyclées

Après avoir obtenu par diverses expérimentations les caractéristiques précises du matériau à recycler, nous allons pouvoir expérimenter son utilisation. Cette deuxième partie concernera les expérimentations de différents mélanges de béton comportant diverses parts de sable de brique, ainsi que d’un béton témoin. Après une présentation des différents mélanges, nous allons effectuer des tests sur les bétons frais, puis sur les bétons durcis. Les tests à l’état frais nous renseigneront sur la mise en œuvre du matériau, et ceux sur l’état durci nous éclaireront sur les propriétés des différents bétons, comme leurs résistances mais également les effets de couleurs et d’ambiances qu’ils instaurent. En dehors de la vérification de la fiabilité des essais imprimés, les tests nous apportant des précisions de l’ordre des performances techniques sont secondaires à la résolution de la problématique, mais apportent tout de même des informations intéressantes sur ce matériau.

A) Élaboration des différents mélanges

Pour répondre à la problématique, il est nécessaire de présenter le mélange de béton témoin. Ce témoin est un béton conçu pour être imprimable, très proche de ce qui a été imprimé dans le travail de la thèse (2). Les mélanges de bétons comprenant une part de brique recyclée devront se rapprocher des propriétés particulières du béton témoin pour eux aussi être imprimables.

1) Mélange témoin

Le béton témoin dont les propriétés seront analysées se compose de sable naturel 0-2 mm, de ciment, d’eau, et de super-plastifiant. Ce dernier élément sert à ajuster la plasticité du mélange, pour rendre sa maniabilité la plus optimale pour l’impression additive en 3d. Dans le tableau suivant se trouvent les proportions de chaque composant du mélange de béton témoin pour 25 kg de sable :

ComposantMasse (kg ± 0,001)

Sable naturel 0-2 mm25

Ciment20,084

Eau6,025

Super-plastifiant0,092

Tableau 5 : Composition du béton imprimable témoin pour 25 kg de sable C’est ce mélange qui sera modifié pour y introduire une part de sable de brique.

2) Différents mélanges de béton de brique

Imprimer en 3d du béton de sable de brique est une pratique encore non-expérimentée. Par conséquent l’influence de la substitution du sable naturel par ce sable recyclé sur les performances du béton est encore inconnue. Nous allons donc tester différents mélanges de béton dans lesquels le sable naturel est remplacé en plus ou moins grande partie pour en observer les conséquences dans chaque mélange. Le sable naturel sera remplacé par incrément de 20 %, et chacun de ces mélanges sera donc nommé par « BSB x » (Béton de Sable de Brique à x %) ou BST (Béton de Sable Témoin). La proportion de sable (somme du sable naturel et recyclé) dans les mélanges reste toujours la même, afin que les rapports entre les quantités des composants restent les mêmes. Ces proportions identiques permettent de ne pas multiplier les variables, et donc d’isoler la variable que l’on veut observer : la substitution du sable naturel par du sable de brique. Les compositions des mélanges sont les suivantes, pour 25 kg de sable :

Nom de mélange Quantité de sable naturel (Kg)

Quantité de sable de brique (Kg)

Quantité de ciment (Kg) Quantité d’eau (Kg) Quantité de superplastifiant (Kg)

BST25020,0846,0250,092

BSB 20 20520,0846,0250,092

BSB 40 151020,0846,0250,092

BSB 60 101520,0846,0250,092

BSB 80 52020,0846,0250,092

BSB 100 02520,0846,0250,092

Tableau 6 : Compositions des différents mélanges de béton pour 25 kg de sable

Plus un mélange comprend de sable de brique, plus il permet d’économiser du sable naturel, et plus il recycle de brique. Cependant, plus les mélanges sont dosés en sable de brique plus leur composition s’éloigne du mélange témoin, et plus leur propriétés sont donc incertaines. Le but de balayer le plus large spectre possible de mélange en allant de 0 à 100 % est de pouvoir observer jusqu’où peut aller la substitution pour trouver le mélange imprimable comprenant le plus de sable de brique.

B) Tests à l’état frais

Le plus grand défi pour le béton de sable de brique à travers ce mémoire est de parvenir à être imprimé. Afin de vérifier l’imprimabilité des mélanges et d’identifier leurs caractéristiques, nous allons réaliser une série de tests pour comparer le comportement du béton de sable de brique frais à celui du béton témoin. Cette série de tests va nous aiguiller sur les mélanges les plus prometteurs et produire des informations concernant les différences entre les bétons recyclés étudiés et le béton témoin qui s’avéreront être des avantages ou des inconvénients par rapport à celui-ci.

1) Masse volumique

La première propriété observée est la masse volumique des mélanges de béton frais. Par comparaison, dans les tests effectués en partie une de ce mémoire nous avions obtenue des données de références de masse volumique sur le sable de brique, nous allons tester ici celle du sable naturel qui est substitué dans les mélanges.

a. Masse volumique apparente du sable naturel

Comme pour le sable de brique, la masse volumique apparente est calculée en pesant un volume connu de brique. Ici, il a été pesé 0,1 litre de sable, d’une masse de 164 grammes. On en déduit donc que ce sable naturel 0-2 mm à une masse volumique de 1,64 kg/L soit 1640 kg/m³. A titre de comparaison, nous avions mesurée en partie 1 que celle du sable de brique est de 0,91 Kg/L, soit 44,51 % de moins.

b. Masse volumique absolue du sable naturel

Nous avons également mesuré la masse volumique absolue du sable naturel. Tout comme lors du test avec le sable de brique, nous avons immergé 250 g de sable dans 300 mL d’eau, et avons mesuré la différence de volume de celle-ci.

Pour rappel : Veau+sable – Veau = Vsable

Soit :400 mL – 300 mL = 100 mL V : mL

100 mL<=> 250 g

1000 mL<=> (1000*250)/100 = 2 500 g

La masse volumique absolue du sable naturel 0-2mm utilisé est donc de 2,5 kg/L. A titre de comparaison, la masse volumique absolue de sable de brique que nous avions mesuré en partie une est de 2,174 kg/L, soit 13,04 % de moins.

c. Porosité inter-granulaire du sable naturel

Connaissant les masses volumiques apparentes et absolues du sable naturel 0-2mm, nous pouvons calculer sa porosité inter-granulaire. D’après la figure 25 en page 27 :

P= (1-(1640/2500)) * 100 = 34,4%

La porosité inter-granulaire du sable naturel étudié est donc de 34,4 %. A titre de comparaison, le sable de brique 0,5-2 mm étudié en chiffre 58,14 % (page 27). Cette différence peut être expliquée par la plus grande présence de particules fines dans le sable naturel que dans le sable de brique. En effet la granulométrie de sable naturel s’étend de 0 mm à 2 mm, tandis que celle du sable de brique ne descends pas en dessous de 0,5 mm (cela afin de ne pas augmenter le taux d’absorption d’eau du sable de brique, déjà élevé (page 29)).

d. Taux d’absorption d’eau du sable naturel

La différence de masse volumique entre ces deux matériaux nous permet d’édifier l’hypothèse que le béton de sable de brique est plus léger que le béton de sable naturel. Un paramètre à prendre en compte est que le fort taux (46,45 %) d’absorption d’eau du sable de brique testé en partie une de ce mémoire nous a orienté vers la saturation en eau des granulats avant leur incorporation dans le mélange de béton. En effet, ce taux est bien supérieur à celui du sable naturel qui a été mesuré :

Temps d’étuvage à 100 °C (min)Masse (g) 0407 10361 20347 30345 40345

Tableau 7 : Évolution de la masse du sable naturel 0-2 mm au cours de l’étuvage à 100 °C

Fig.32 : Évolution de la masse (g) du sable de brique (noir) et du sable naturel 0-2 mm (rouge) en fonction du temps d’étuvage à 100 °C (min)

D’après la fig.27 en page 29 de ce mémoire, on peut calculer le taux d’absorption d’eau du sable naturel : Absorption eau = ((407 – 345)/345)*100 = 17,97 %

Le taux d’absorption d’eau du sable naturel 0-2 mm est donc près de trois fois moindre que celui du sable de brique 0,5-2 mm.

e. Masse volumique absolue des sables saturés d’eau

La saturation en eau des sables augmente leur masse volumique. Connaissant leur masse volumique à l’état sec et leur taux d’absorption d’eau, il est possible de calculer leur masse volumique une fois saturés d’eau. Nous prendrons en compte les masses volumiques absolues, afin d’éliminer la variable que pourraient composer d’éventuelles modifications de la porosité intergranulaire par la saturation en eau des sables.

Masse volumique absolue saturé = masse volumique absolue * taux d’absorption d’eau Sable naturel : = 2,5 kg/L* 17,97 % = 2,95 kg/L± 1 g

Sable de brique : = 2,174 kg/L* 46,45 % = 3,184 kg/L± 1 g

Malgré la masse volumique absolue du sable de brique sec inférieure de 13,04 % à celle du sable naturel sec, une fois saturés d’eau la tendance s’inverse et sa masse volumique absolue lui est supérieure de 7,93 %.

f. Masse volumique des bétons frais

Afin de vérifier ou non notre hypothèse d’une réduction de masse volumique du béton frais de sable de brique par rapport au béton témoin, nous l’avons mesuré pour deux mélanges : Cette mesure s’effectue en pesant la masse d’un volume connu de béton frais, comme la mesure de la masse volumique apparente des sables. On ne différencie pas ici les masses volumiques apparente et absolue, en partant du principe qu’il n’y a pas d’air dans le mélange de béton frais, ou par extension en considérant que les bulles d’air sont retirées du béton lors de son malaxage. Pour des raisons de temps et de la faible quantité de sable de brique à disposition, nous avons décidé de ne tester que le mélange témoin BST, ainsi que le mélange BSB 40. MélangeVolume (cm³)Masse moyenne (g)Masse volumique (g/L)

Tableau 8 : Masse volumique des bétons de brique durci

Notre hypothèse semble donc être affirmée par ces expérimentations. On observe que l’influence de la substitution du sable naturel par du sable de brique tend à diminuer la masse volumique du béton frais. Elle semble diminuer encore en fonction de l’augmentation du taux de substitution du sable naturel. Cette réduction de masse volumique du matériau frais peut faciliter sa mise en œuvre lors du remplissage de l’imprimante 3d, ou plus largement du transport du béton frais. Elle peut également et surtout éviter l’affaissement du béton frais lors de son impression, sous le poids des couches supérieures. Cette diminution est cependant très faible (1,23%), et ses conséquences sont donc limitées.

2)Affaissement au cône d’Abrams

Le test de l’affaissement au cône d’Abrams est une référence pour tester le comportement rhéologique du béton (sa texture, maniabilité). Cette mesure s’effectue en remplissant un cône tronqué aux dimensions précises de béton frais, en trois fois, en piquetant le béton par une tige entre chaque étape de remplissage, afin d’en retirer l’air et de s’assurer que le béton remplit bien le cône. On arase ensuite le béton en haut du cône à l’aide d’une truelle perpendiculaire au plan de la surface supérieure du cône.

Fig. 33 et tableau 9 : Dimensions normées du cône d’Abrams et classe en fonction de la hauteur d’affaissement –Source : (10)

Ce cône est ensuite soulevé doucement en le tournant légèrement pour faciliter son démoulage. On peut ainsi mesurer la hauteur du volume de béton après démoulage par rapport à la surface sur laquelle on a effectué le test, où était posé le cône. La différence entre la hauteur du cône et la hauteur du volume démoulé est appelée hauteur d’affaissement. Cette hauteur d’affaissement nous renseigne sur la maniabilité plus ou moins grande du béton, un grand affaissement indique une plus grande maniabilité. Nous pourrions observer l’influence de la substitution du sable de brique sur la maniabilité du béton en comparant leurs hauteurs d’affaissement à celle du béton imprimable témoin. Pour rester imprimables, les mélanges devraient s’affaisser de façon similaire au béton témoin.

Volume cône tronqué = (pi/3) * [(r1)² + (r2)² + (r1) * (r2) ] * h

Soit

Vcône d’Abrams = (pi/3) * [(10)² + (5)² + (10) * (5) ] * 30 = 5497,79 cm³ (soit 5,5 L± 2,21 cm³)

Ce test nécessite de produire une trop grande quantité de béton et cela pour chaque mélange. La faible quantité de sable de brique à disposition ne permet pas d’effectuer ce test pour cette première phase d’expérimentations. Il pourra cependant être réalisé au moment du test d’impression en 3D, avec le mélange le plus susceptible d’être imprimé, afin d’en connaître cette propriété.

3) Tests d’extrudabilité

Avant de réellement mobiliser une imprimante 3D pour vérifier l’imprimabilité des mélanges, il est possible d’en avoir un aperçu en effectuant des tests au pistolet18. Le pistolet utilisé est un appareil permettant d’extruder un matériau à travers une buse grâce à une pression manuelle. Il est composé d’un piston qu’il est nécessaire de remplir de béton en veillant à ce qu’il ne comporte pas d’air, et d’une buse d’extrusion. Ce test peut également être mené à l’aide d’une poche à douille, suivant le même principe.

Le premier paramètre vérifiable est l’extrudabilité du béton. Pour cela, il est nécessaire d’utiliser une buse de diamètre similaire à celle de l’imprimante 3D avec laquelle on souhaite imprimer 18Ce protocole est expérimenté dans (2)

(de 1 à 2 cm). Pour que le mélange soit considéré par ce test comme imprimable à petite échelle le mélange doit respecter plusieurs critères. Premièrement le mélange ne doit pas s’écouler de lui même de la buse, dans quel cas il sera considéré comme trop liquide. Le mélange doit sortir aisément de la buse à l’aide d’une simple pression sur le piston du pistolet, et sortir de façon continue. S’il est nécessaire d’exercer une pression trop importante sur le piston, le mélange est considéré comme bloqué, et a formé un bouchon. Ce type de bouchon s’observe également par un écoulement par la buse d’un liquide dépourvu de granulats.

Ces premiers tests ont mit en exergue un fait qui est bien plus qu’un détail. Malgré toute la préparation théorique des expérimentations, elles ne peuvent échapper aux imprévus. En effet, il nous a été confié que lors d’impressions en 3D de béton, le mélange devait être systématiquement ajusté à l’aide de plus ou moins d’eau, et cela de façon quasi imprévisible. L’humidité du matériel est dans les faits peu prévisible, et nous avons pu nous apercevoir qu’une auge sèche ou humide influençait la maniabilité du béton que l’on y mélange. D’autres paramètres tel que la température, l’humidité ambiante, et même l’humidité des matériaux sont difficilement contrôlables mais impactent tout de même les mélanges de béton.

De ce fait, en respectant les doses du mélange témoin (BST), il a été impossible de l’extruder à l’aide d’une poche à douille. Il a été nécessaire d’ajouter jusqu’à 10 % d’eau, jusqu’à obtenir un mélange dans la texture permettait une extrusion à l’aide de cette dite poche.

Le mélange BSB 40 a du lui aussi voir sa teneur en eau augmenter de 10 % pour aboutir à une texture extrudable, avec cependant à plusieurs reprise un bouchon à l’extrémité de la poche à douille. Ces bouchons se composent de matière dont l’eau semble s’être échappée sous la pression, laissant la matière plus sèche, bien moins maniable, et ne pouvant s’extruder.

Le mélange BSB 100 a au contraire du nécessité 10 % d’eau en moins. En effet, en respectant les doses, le mélange est devenu bien trop liquide et s’écoulait librement de la poche à douille, en dehors de toute pression sur celle-ci. Une fois la teneur en eau ajustée pour obtenir un mélange plastique, le test de la poche à douille s’est tout de même révélé être infructueux. En effet, le mélange devenait systématiquement dure à l’extrémité de la poche à douille sous l’effet de la moindre pression, et créait donc un bouchon. Le mélange semblait également manquer de cohésion, les granulats donnant l’impression lors de malaxages à la main d’être moins liés les uns avec les autres que dans les précédents mélanges.

Ces tests ont permit entre autres d’observer le comportement du béton sous l’effet du superplastifiant. Les mélanges prennent, après un long malaxage, une texture élastique se solidifiant quand elle est au repos, et se liquéfiant sous l’effet de vibrations ou de chocs. La maniabilité de la matière varie très rapidement sous l’effet de de ces conditions.

Fig. 34 et 35 : Béton au repos et venant d’être malaxé

Il a été mis en exergue l’importance de l’état d’esprit dans lequel il faut se mettre au moment de réaliser des expérimentations. En effet, il est important de réfléchir à chaque manipulation, afin de ne pas commettre d’erreur pouvant altérer la véracité des résultats. Les tests sur ce genre de matériaux issus d’un mélange de plusieurs ingrédients multiplient les sources possibles de problèmes. Il est nécessaire d’être très attentifs à la texture du mélange au fur et à mesure des modifications qu’il subit, et d’avoir le recul nécessaire pour prendre rapidement des décisions sur celles-ci, en les notant minutieusement.

4) Tests d’imprimabilité à petite échelle

La poche à douille permet également d’effectuer des tests d’imprimabilité19. Ces tests consistent à extruder des couches superposées de béton, et à vérifier la fiabilité de l’impression. Il s’agit d’utiliser des mélanges extrudables d’après les tests précédents, et de déposer sur une surface plane de la matière couche après couche, les unes sur les autres en suivant un tracé linéaire, ou circulaire. Le but est d’observer entre autres si les couches inférieures s’écrasent sous le poids des couches 19Ce protocole est expérimenté dans (2)

supérieures. Si de tels effets sont observés, les performances physiques du mélange sont considérées comme insuffisantes pour qu’il puisse supporter une impression additive en 3D. Ces tests permettent également de vérifier le comportement des filaments de béton lors de leur durcissement. On peut en effet vérifier que les couches ne se séparent pas les unes des autres, ou que le béton ne se fissure pas.

a. Mélange témoin BST

Le mélange témoin, après son ajustement en eau, est devenu extrudable. Il nous a donc été possible de déposer des filaments de béton les uns sur les autres, couche après couche en ligne, puis en

On peut constater qu’après durcissement, les couches ne se sont ni séparées ni fissurées. Les couches inférieures ne semblent pas s’être particulièrement affaissées sous le poids des supérieurs, et semblent les avoir supportées du dépôt jusqu’au durcissement.

b. Mélange BSB 40

Ce mélange à également du être ajusté en eau, et à formé parfois quelques bouchons. Plusieurs tests d’imprimabilité ont été effectués, parfois à la poche à douille, parfois en superposant à la main des filaments de béton, pour pallier aux problèmes de bouchage de la buse.

On constate un aspect bien plus granuleux à la surface du béton BSB 40 par rapport au béton témoin BST. Le béton ne se fissure pas en durcissant et les couches superposées ne semble pas se séparer.

Fig. 38 : filaments superposés de BSB 40, extrudés en ligne à la poche à douille (haut) et à la main (milieu et bas)

c. Mélange BSB 100

Ce mélange comporte une teneur en eau inférieure au deux précédents. Malgré une texture semblant très proche de ceux-ci, son extrusion s’est révélée impossible. Les tests ont donc été réalisés en déposant à la main des filaments de béton.

On peut remarquer que le surface du béton semble encore plus granuleuse que celle du BSB 40. On peut émettre l’hypothèse que c’est cet aspect granuleux qui est responsable des bouchons lors de l’extrusion, semblant plus fréquent avec une plus grande rugosité du mélange. Cependant, les tests ne semblent ni s’affaisser, ni se disloquer, ni se fissurer.

Fig. 39 : filaments superposés de BSB 100, extrudés en ligne à la main

Fig. 40 et 41 : filaments superposés de BSB 100, extrudés en rectangle et en cercle, à la main

Ces premiers tests qui se sont avérés être en partie des échecs d’extrusion, nous ont apprit beaucoup, et nous ont permis de rentrer dans une phase d’ajustement du mélange afin qu’il soit le plus probablement imprimable à l’aide d’une imprimante 3D. Nous pouvons considérer ces premiers tests réalisés à l’aide de moyens et d’outils conçus à partir de matériel du quotidien comme une phase d’initiation du sujet du béton de sable de brique imprimé en 3D. En effet, ce sujet n’ayant jamais été traité en pratique à part à travers ce travail de recherche, les moyens low-tech que nous pouvons déployer en tant qu’étudiants en architecture suffisent, et c’est plus tard que des moyens de laboratoires pourront être employés afin d’obtenir des résultats plus précis.

5)Ajustement des mélanges de sable de brique

Les premiers tests d’extrusion de béton de sable de brique se sont révélés infructueux. Cependant, des indices nous ont permis de dresser des hypothèses au sujet de ces échecs. Cette phase est un moment clé de ce travail de recherche. En effet, c’est par cette phase quelques peu empirique que nous pouvons tenter d’approcher une réponse à la problématique générale. En observant nos échecs, et en tirant suffisamment d’informations par l’observation pour dresser de nouvelles hypothèses, nous somme capable de rebondir pour espérer atterrir plus près du but. Les différences observables entre le béton témoin et les bétons de briques sont la source d’information qui a eu le plus à nous offrir. Le béton BSB 100 a une apparence bien plus granuleuse que le béton témoin. L’hypothèse que nous pouvons dresser est que le sable de brique utilisé comporte une plus grande part de grands granulats que le sable naturel du béton témoin. En effet, malgré le champs granulométrique des deux sables quasi-identiques20, la répartition granulométrique des granulats peut être différentes d’un sable à l’autre. Cette différence pourrait expliquer que la rugosité des mélanges croisse en fonction du taux de substitution. Cette plus grande part de gros granulats peut en partie être responsable des bouchons lors de l’extrusion. De plus, en première partie de ce mémoire nous avions prit la décision de ne pas inclure dans le sable de brique les particules inférieures à 0,5 mm, afin que ces particules n’absorbent pas toute l’eau du mélange. C’est peut-être cette absence de fines particules qui est responsable de l’aspect très liquide du mélange, et du manque de cohésion apparente de celui-ci.

20De 0 à 2 mm pour le sable naturel et de 0,5 à 2 mm pour le sable de brique

a. Déconstruction du sable naturel

Nous avons donc choisi de « déconstruire » le sable naturel pour le « reconstruire » à l’identique à l’aide de sable de brique.

Nous avons tout d’abord mesuré la part d’eau contenue dans le sable naturel, tel qu’il est dans son sac au moment de sa livraison. Nous avons réalisé cette mesure en l’étuvant à 100°C, et en le pesant à intervalles de temps réguliers jusqu’à ce que sa masse ne diffère que de moins d’un gramme.

Fig. 42 et 43 : sable naturel avant (500 g) et après (474 g) étuvage à 100 °C

Cette manipulation est similaire à celle permettant de déterminer de taux d’absorption d’eau. Ici, le sable naturel pesant 500 g avant l’étuvage à vu sa masse se stabiliser à 474 g.

Soit :

500 – 474 = 26 g d’eau

26/500 = 5 % ± 0,2 %

L’eau représente donc 5 % de la masse du sable naturel.

Sable Humide – Masse Sable sec = Masse Eau

Nous avons ensuite dressé le profil granulométrique du sable sec en le tamisant, et en pesant la masse récupérée par chaque tamis (comme lors de la première partie de ce mémoire).

Ouverture du tamis (mm)

Quantité retenue (g)Pourcentage quantité retenue Cumul (g) 1,5142,9514 0,5388,0252 Fond42289,03474

Tableau 10 : Répartition granulométrique de 474 grammes de sable naturel sec

Avec ces valeurs, nous pouvons tracer la courbe granulométrique du sable naturel :

Fig. 44 : courbe granulométrique de 474 g de sable naturel (noir) et de 474 g de sable de brique utilisé lors des premières expérimentations (rouge)

On peut constater le grand écart de répartition granulométrique entre le sable naturel (courbe noir) et le sable de brique utilisé (courbe rouge). En effet, les particules inférieures à 0,5 mm écartées de la composition de sable de brique afin d’éviter une trop grande absorption d’eau de celui-ci représentent en réalité près de 90 % de la composition du sable naturel. Une première partie de l’hypothèse concernant la non-extrudabilité du mélange due à la différence de répartition granulométrique est ainsi vérifiée : il existe bel et bien une différence granulométrique entre les deux sable.

b. Reconstruction du sable de brique

Par la « déconstruction » du sable naturel, nous avons apprit sa part d’eau, et la part qu’occupe chaque granulométrie au sein de celui-ci. Nous pouvons à présent le « reconstruire » à l’aide de sable de brique. Pour cela, nous avons pu utiliser la matière dont les granulats inférieurs à 0,5 mm avaient été heureusement mis de côté.

SB 0-0,5 mm (g)SB 0,5-1,5 mm (g)SB 1,5-2 mm (g) Eau (g) 846762850

Tableau 11 : Composition d’un kg de la deuxième version du sable de brique nomme SBV2

Fig. 45 : deuxième version du sable de brique nommé SBV2

A l’aide de ce sable ayant la même répartition granulométrique, et le même taux d’humidité que le sable naturel, nous allons pouvoir composer de nouveaux mélanges de béton de sable de brique nommé BSBV2 X (Béton de Sable de Brique Version 2 à X %, X étant toujours le taux de substitution de sable naturel par du sable de brique).

6) Essais des mélanges ajustés

Ces essais vont nous permettre ou non de vérifier notre hypothèse de corrélation entre la forte présence de grands granulats dans le sable de brique et les bouchons se formant lors de l’extrusion. Par l’appropriation des propriétés granulométriques et d’humidité, le SBV2 est, lors de sa manipulation à la main, bien plus semblable au sable naturel que le premier sable de brique.

a. BSBV2 40

Ce mélange à nécessité un grand apport d’eau supplémentaire par rapport à la composition supposées des mélanges, de l’ordre de 45 % supplémentaire. On peut formuler l’hypothèse que cet apport est du à la présence des particules fines de sable de brique.

Ce mélange s’est extrudé sans trop d’efforts à la poche à douille, avec une plus grande facilité extrudés en ligne à la poche à douille frais (gauche) et durci (droite)

Ce mélange s’est extrudé sans aucun bouchon, ne semble pas se fissurer lors de son durcissement, et les couches de béton ne se séparent pas les unes des autres après.

b. BSBV2 100

Ce mélange ne comprend pas de sable naturel, et n’utilise comme sable que de la brique recyclée. Il a été nécessaire d’ajouter 80 % d’eau supplémentaire à sa formulation, soit presque le double de la extrudés en ligne à la poche à douille frais (gauche) et durci (droite)

Ce mélange s’est extrudé avec de légères discontinuités du débit de béton dues aux manipulations parfois complexes de la poche à douille. Cependant, il ne s’est pas fissuré en durcissant et les couches de béton ne se sont ni séparées les unes des autres, ni écrasées.

Il semblerait donc que notre hypothèse selon laquelle la non-extrudabilité du béton de brique était due aux différences de répartition granulométrique entre les sables soit vérifiée.

On peut également observer une tendance de corrélation entre la part de particules fine (> 0,5 mm) et le pourcentage d’eau ajoutée au mélange.

Fig. 50 : Pourcentage d’eau nécessaire ( % bleu) par rapport aux doses conseillées en fonction du pourcentage de fines dans le sable, et de leurs compositions

On peut remarquer une tendance d’augmentation de la quantité d’eau nécessaire quand la part de fines augmente au sein du sable. En effet cette quantité passe de 90 à 110 % pour les trois premiers mélange (BSB 100 ; BSB 40 et BST) composée de 0 ; 53 et 89 % de fines au sein du sable (courbe noire).

On peut remarquer également que la quantité d’eau nécessaire augmente encore quand la part de fines de brique augmente au sein du sable en remplaçant les fines naturelles. En effet, pour une part fixe de 89 % de fines au sein du sable dans les trois derniers mélanges (BST ; BSBV2 40 et BSBV2 100), la quantité d’eau nécessaire passe de 110 à 180 % quand la part de fines de brique au sein du sable passe de 0 à 36 et à 89 % (courbe orange).

Il est important de garder en tête que ces tests à petite échelle ont une portée limitée. En effet, comme dit précédemment, il est presque toujours nécessaire d’ajuster les mélanges en eau le jour de l’impression en 3D. Ces tests ne peuvent qu’indiquer des tendances générales de comportement du matériau appliqué à des situations précises, différentes d’une réelle impression en 3D. Cependant, les tests à cette échelle permettent tout de même d’éliminer des mélanges. En effet, même en prenant en compte une part d’imprécision, certains mélanges peuvent être considérés comme inimprimables. Des mélanges imprimables à cette échelle peuvent éprouver des difficultés lors d’une réelle impression, et inversement. Les mélanges éprouvant trop de difficultés à passer les tests à petite échelle n’ont par contre que trop peu de chances d’être imprimés en 3D.

Tous ces tests pourraient être accompli à nouveau par des bureaux d’études spécialisés, mais c’est ici en tant qu’étudiants en architecture que nous les avons mené. Ces tests sont très représentatifs de la capacité que peut avoir l’architecte à s’approprier des notions précises de matériaux nouveaux, et à développer ses propres outils d’investigations suffisamment précis pour avancer, et pouvant se préciser ultérieurement à l’aide de bureaux d’études.

C) Tests à l’état durci

La substitution du sable naturel par du sable de brique engendre des modifications dans les mélanges de béton. Comme on l’a vu en première partie, les deux sables ont des points communs (champs granulométrique) et des différences (états de surface, masse volumique), le rôle tenu par le sable naturel dans le mélange de béton doit en parti être tenu par le sable de brique, ou totalement (comme pour les mélanges BSB 100, BSBV2 100). Après avoir observé les différences entre le mélange témoin BST et les bétons de sable de brique à l’état frais, nous allons maintenant étudier ces mêmes mélanges à l’état durci.

Les mélanges de bétons imprimables sont dosés très fortement en ciment. En effet, le béton témoin que l’on sait imprimable en contient 39,2 % de sa masse à l’état frais.

Les bétons de sable de brique ayant déjà été testés dans le cadre de recherches sont destinés à être coulés et comprennent une part bien moins importante de ciment : 15 % pour le béton de brique cidessous21 :

Fig. 51 issu de (4) : Composition d’un béton de sable de briques

Les résistances mécaniques en compression et en traction des bétons de brique devront être testées après que ceux-ci soient coulés, et devront en théorie, se rapprocher du béton témoin.

Les bétons de brique coulés développés dans le mémoire de recherche (4) ont des résistances mécaniques bien moindre que le béton imprimable testé dans la thèse de N. Khalil (2), nous pouvons dresser l’hypothèse que cela est du à la bien moindre part de ciment dans le mélange :

21Ce tableau est présenté en page 45 de (4)

Fig. 52 issue de (4) : « Effet de la nature des sables recyclés sur la résistance en compression des bétons de sable » (béton de sable de brique : BSSBse)

Le béton à été coulé en éprouvettes de 6x6x20 cm et doit attendre au minimum pendant 28 jours avant de voir sa résistance testée. Les éprouvettes doivent être placées une par une dans une presse qui applique une force à la puissance augmentant par pallier, jusqu’à la rupture du matériau. Ces tests ne constituent pas une étape obligatoire à la vérification de l’hypothèse général de ce travail de recherche à savoir l’imprimabilité en 3D du béton de brique recyclée. Ils constituent un pas de côté à notre portée, fournissant des données supplémentaires sur ce matériaux. Dans le cadre d’une poursuite de ce travail de recherche, il est imaginable que ce genre de tests soit effectués sur d’encore plus divers bétons de matériaux recyclés. Il serait également plus riche pour ce sujet de tester la résistance de ces matériaux imprimés, et non de ces matériaux coulés.

1) Test à la compression

Les éprouvettes pressées jusqu’à leur rupture nous permettent d’observer quelle charge sont elles capables de soutenir. En comparant les résultats qu’obtient le béton témoin aux bétons de sable de brique, on peut observer l’effet de la substitution du sable naturel par du sable de brique sur la résistance à la compression du béton.

Ce test n’étant pas essentiel, il n’a pas été effectué avant la remise de ce travail d’initiation à la recherche. Cependant, nous espérons pouvoir les réaliser au plus vite, afin d’accroître nos connaissances au sujet de ce matériau.

Le sable de brique V2 comportant moins de grands grains que le premier sable, on peut dresser l’hypothèse que la résistance du béton conçu à partir de celui-ci est inférieure. Nous pouvons imaginer que dans la poursuite de ce travail nous essayions de trouver le bon compromis entre l’absence de grands grains pour faciliter l’impression et leur présence pour augmenter la résistance des éléments imprimés.

2) Test à la traction par flexion

Le travail de recherche de A. Gueraichi (4) nous indique que dans certains cas le béton incluant de la brique concassée peut avoir une meilleure résistance à la traction qu’un béton classique. C’est pourquoi nous projetons de tester la résistance des éprouvettes en flexion, pour observer leur résistance à la traction.

Fig. 54 : schéma du travail en compression et en traction de l’éprouvette lors de sa soumission à un effort de flexion

Ce schéma nous indique de quelle manière il est possible de presser les éprouvettes de béton afin de tester leur résistance à la traction, en les faisant reposer sur deux appuis ponctuels. Quand l’éprouvette rentrera en flexion sous l’effort de la presse, sa partie inférieure devrait rompre sous l’effet de la traction.

On peut ainsi observer, en testant tous les mélanges, l’influence de la substitution du sable naturel par du sable de brique sur la résistance en traction par flexion du béton.

Ces tests de traction par flexion étant à réaliser dans la même presse que celle des tests à la compression, nous n’avons pas pu les réaliser avant la restitution de ce travail.

3) Densité à l’état durci

La faible différence de densité à l’état frais entre les différents mélanges de béton semble s’accentuer pendant le durcissement.

MélangeVolume (L)Masse moyenne (g) Masse volumique (kg/L± 1 g) % / à BST BST7201615,52,244100

BSB 40 7201560,752,16896,61

BSB 100 72014201,97287,9

Tableau 12 : Masse volumique moyenne du béton témoin BST et de deux bétons de brique

En effet, on observe une diminution du 12,1 % de la masse volumique du béton dans lequel tout le sable naturel a été remplacé par du sable de brique. Cette diminution rend le déplacement des éléments réalisés avec ce matériau plus aisé du fait de son plus faible poids. Ces valeurs sont la moyenne des masses de 4 éprouvettes pour chaque mélange. Les mélanges BSBV2 40 et BSBV2 100 n’ayant été l’objet que d’une éprouvette chacun, il a été décidé de ne pas faire figurer leur masse volumique dans ce tableau (une seule valeur n’étant pas assez significative). La mesure de leur masse semble tout de même indiquer une tendance similaire au BSB ayant le même taux de substitution. Dans le cadre de la poursuite de ce travail de recherche, ces mesures pourraient être précisée et approfondie.

4) Couleurs et ambiances

a.Analyse de couleur des premiers bétons

Les premiers mélanges de sable de brique ne voient leur couleur que peu altérée par la substitution du sable naturel. Ils semblent juste prendre une teinte légèrement plus jaune que le béton témoin.

Fig. 55 : Béton témoin BST coulé (gauche) et béton BSB coulé (droite)

Ceci peut s’expliquer par le fait que le sable de brique ne soit composé que de particules supérieures à 0,5 mm, alors que tout pigments secs se composent généralement d’infimes particules pour se disperser au maximum dans le mélange à teinter22

22Norme ISO 18451-1:20115(fr) : « Pour quantifier la dispersibilité dans des conditions de dispersion spécifiées, on peut pa exemple choisir […] la réduction de la finesse de broyage. »

Fig. 56 et 57 : grains de sable de brique visible lors d’éclats ou en surface du BSB

On aperçoit par contre pour le mélange BSB 100 à chaque éclat de béton de nombreux grains de sable de brique, de même qu’à la surface de certaines parties.

Le peu de coloration du béton par le premier sable de brique du à l’absence de particules fines se confirme par la forte coloration du béton de deuxième sable de brique, très dosé en particules fines de brique, et très coloré. En effet, les deux mélanges BSBV2 40 et BSBV2 100 ont des couleurs très différentes du béton témoin BST.

b.Analyse de couleur de BSBV2 40

(gauche) et BSBV2 100 (droite) coulé dans des moules, datés de 1 jour

Ces bétons de sable de brique comportant une part de particules fines similaire au sable naturel sont bien plus colorés que le béton témoin BST. Leur couleur est cependant différente du sable de brique dont la couleur a été étudiée en partie une de ce mémoire.

Fig. 60 : couleurs moyennes de BSBV2 40 et BSBV2 100, datés de 1 jour

Par une analyse numérique-photographique nous avons pu déterminer la couleur moyenne des différents bétons de brique.

Fig. 61 : détails de la couleur #a59087 23

Fig. 62 : détails de la couleur #ab7c6524

On peut s’apercevoir que la couleur répondant à la référence #a59087, couleur moyenne du béton dosé à 40 % de sable de brique V2 comporte moins de rouge que #ab7c65, couleur moyenne du

La gradation de plus en plus rouge du béton au fur et à mesure que le dosage en sable de brique augmente pourrait nous permettre de choisir la couleur souhaitée du matériau en ajustant sa composition. Des essais plus poussés pourraient nous permettre de dresser le nuancier des différentes teintes de bétons qu’il est alors possible d’obtenir.

Ces couleurs ont été observées quand les éléments de béton étaient datés d’un jour. Il a été observé que leur couleur évoluait encore par la suite, et la même analyse à été faite avec le béton âgé de 11 jours.

On peut remarquer que les bétons semblent s’être éclairci est être passés d’une couleur s’apparentant à un marron à une semblant se rapprocher d’une couleur plus claire, tirant presque vers le rose pour le mélange le plus dosé en sable de brique V2.

Fig. 65 : détails de la couleur #cca38a25

Fig. 66 : Détails de la couleur #f5c5b726

Les couleurs des bétons sec âgés de 11 jours comportent plus de rouge qu’à l’âge de 1 jour, ce qui explique cette variation de teinte.

Fig. 67 : comparaison et évolution de la couleur des différents béton de sable de brique, béton témoin, et sable de brique

25Source : https://www.color-hex.com/color/cca38a 26 https://www.color-hex.com/color/f5c5b7

5) Impression en 3D

Malgré la vérification de l’extrudabilité des mélanges de béton de sable de brique, ainsi que de leur imprimabilité à travers les différents tests, le mélange n’a pas été imprimé en 3D à l’aide d’une imprimante au moment du rendu de ce travail d’initiation à la recherche. L’imprimabilité du mélange à été démontré à petite échelle, et nous a permis de tirer de ces expérimentations de nombreuses données. Il y en a cependant que nous ne pourrons acquérir que par la réelle impression en 3D. En effet, nous projetons ultérieurement d’imprimer en 3D des formes permettant de tester les limites du matériau.

Nous pensons imprimer une brique de forme complexe, de taille conséquente :

Fig.

69 :

Modélisation d’une brique complexe appartenante au projet Matrice (cotée en mm)

L’impression de cette brique nous permettra de suivre le comportement du béton que nous avons conçu par notre protocole. Nous pourrons observer le mélange d’une grande quantité de béton (2550 kg) dans un malaxeur, alors que la plus grande quantité jusqu’ici mélangée est de 12,5 kg. Nous allons pouvoir suivre le comportement du béton couche après couche, déposées suivant un débit constant, alors que jusqu’ici à la poche à douille la gestion du débit était compliquée par les manipulations parfois laborieuse à la main (craquage de poche, etc..). Nous pourrons également

vérifier la bonne tenue du béton sur de nombreuses couches (8 maximum au moment du rendu de ce travail). Pour exemple, cette modélisation en comporte 61.

Par la même occasion, nous projetons d’imprimer des formes permettant de tester la pente maximum que permet ce béton lors d’une impression.

Fig. 70 : modélisation d’une série de cône de révolution à pente augmentant par pallier de 10°

Un des obstacles de forme à l’impression additive est la pente des surfaces. En effet, lors de l’impression d’une surface en pente, chaque couche est déposée décalée par rapport à la couche précédente, donc en partie au dessus du vide. Ce décalage, s’il est trop important, peut pousser la forme imprimée à s’effondrer. L’impression de forme à pente variable nous permet de tester le béton, et de voir quelles caractéristiques de pente maximale (degré de la pente, nombre de couche d’affilé en pente) peut admettre ce béton. De plus, il sera possible d’ajuster les paramètres d’impression comme le débit de béton, la vitesse de la buse, l’écart entre les couches, pour voir s’il est possible de repousser les limites du matériau en imprimant à des pentes plus fortes, ou de plus grande surface en pente.

Tout au long de l’aventure qu’a été ce travail de recherche, nous avons eu l’occasion d’expérimenter de nombreux aspects de ce nouveau matériau, ses propriétés intrinsèques comme celles liées à son imprimabilité en 3D à la main, et en avons dressé un portait plus complet que dans tous autres ouvrages consultables que nous avons identifié à ce jour. D’un point de vue expérimental, nous avons pu suivre la quasi-totalité du protocole fixé en début de ce mémoire, et cela malgré la crise sanitaire et les mesures gouvernementales pour l’endiguer.

Notre problématique est née dans une optique de lutte contre l’exploitation des littoraux, secteur motivé par la demande de sable dans le domaine de la construction. Nous avons souhaité nous pencher sur le secteur innovant de l’impression en 3D de béton, car étant un secteur en plein développement, il nous semblait important que les études de ces nouveaux moyens de mise en œuvre puissent s’exercer à propos de matériaux plus écologique que précédemment. C’est ainsi que nous avons été amenés à nous demander si le sable issu de briques recyclées pouvait remplacer un composant du béton, le sable, afin de limiter son impact environnemental en se servant de plus d’un matériau issu du recyclage. Nous avons dressé l’hypothèse que cela était possible, et que nous pouvions ajuster le mélange de béton de brique afin qu’il puisse être mobilisé dans une impression additive.

Pour répondre à nos questionnements nous avons pu nous renseigner sur plusieurs domaines comme les procédés physico-chimiques du béton, les travaux concernant les bétons de granulats recyclés comme la brique ou le verre, les bétons de sables de brique, les bétons imprimables en 3D, et le travail et les conseils de Lucas Saelen (10) étant le seul chercheur ayant étudié l’imprimabilité en 3D du béton de brique au moment de l’initiation de ce travail. A partir de cette base de connaissances nous avons pu dresser notre protocole expérimental. Ce protocole s’est inspiré des méthodes fréquemment utilisées au sein de l’état de l’art dressé des études de ce type de béton. Nous avons du imaginer, concevoir et réaliser ou fabriquer presque tous les outils physiques ou numériques utilisés lors de l’application du protocole. Le contexte sanitaire nous a poussé dans nos retranchements pour, à partir de moyens domestiques, réaliser des expérimentations crédibles et viables. D’abord initialement volontairement discret dans la restitution de ce travail de recherche, ce côté domestique est devenu pour lui une réelle force. Nous pensons pouvoir être fières de cette capacité d’adaptation que peuvent avoir les étudiants en architecture au sein d’un travail de recherche. C’est cette capacité d’invention qui a permit d’adapter le protocole à une situation

domestique. De plus, cette capacité nous a permis de nous donner les moyens de le mener à bien, appuyé par des résultats viables et du moins suffisamment fiables pour une première phase de recherche sur ce sujet.

Les expérimentations ont produit et ont prévu de produire une série d’informations au sujet de ce matériau qu’est le béton de sable de brique comme entre autres une qualification de sa matérialité, qui était encore inconnue. Nous pouvons considérer avec optimisme la confirmation de l’hypothèse générale de ce travail de recherche. Le béton de sable de brique semble imprimable en 3D à l’aide d’un robot comme il l’a été à l’aide d’une poche à douille. L’hypothèse suggérait l’ajustement du mélange afin qu’il soit imprimable. Or, les mélanges destinés à être imprimés en 3D semblent toujours avoir besoin d’un ajustement en eau au moment de l’impression. Cependant, nous avons pu ajuster tout de même la composition du sable de brique afin que la seule variable impactant l’imprimabilité du béton soit sa quantité en eau, ajustable lors de l’impression.

Le contexte sanitaire n’a pas permit l’exploitation de moyens de laboratoires pour réaliser nos expérimentations mais a permit de mettre en lumière la capacité des architectes à s’approprier ces compétences expérimentales, et à les mobiliser de manière suffisamment efficace pour mener un début de recherche. C’est naturellement que nous pouvons nous projeter dans une deuxième phase de recherche appuyée cette fois de moyens de laboratoire plus précis, afin de mieux qualifier ce nouveau matériau, maintenant que la phase de prospection au sujet de celui-ci a été amorcée. Nous n’avons pas pu tester en pratique l’imprimabilité de ce matériau à grande échelle, et il s’agirait là de la prochaine étape à ce sujet, réalisée peut-être si les conditions le permettent très peu de temps après la restitution de ce travail de recherche. Cette étape serait constituée de l’impression en 3D de formes permettant de tester les limites du béton de brique en le soumettant par exemple à de nombreuses couches superposées, ou en des surfaces fortement inclinées. Compte tenu de nos résultats, c’est en toute objectivité que nous nous permettons de préciser le grand espoir que nous plaçons dans ce domaine. En effet, rendre les matériaux imprimables en 3D plus écologiques, moins impactants et capables de mobiliser des matières recyclées semble alors une évidence et un secteur prometteur, autant qu’a tenté de le démontrer ce travail d’initiation à la recherche.

Bibliographie :

(1)Valorisation des Bétons à base de granulats recyclés (granulats de brique) sous l’effet de température - Bensafi Boucif & Belkacem Oussama Soufyane – 2018

(2) Formulation et caractérisation chimique et rhéologique des mortiers imprimables en 3D à base de mélanges de ciments portland et sulfoalumineux – Noura Khalil – 2018

(3) Mechanical, microstructure and rheological characteristics of high performance self-compacting cement pastes and concrete containing ground clay bricks – Mohamed Heikel, K.M. Zohdy, M. Abdelkreem – 2013

(4) Élaboration des bétons de sable chargé à base de granulats recyclés - GueraichiAhlem – 2019

(5) Granulats recyclés de substitution pour bétons hydrauliques - Bourmatte Nadjoua – 2017

(6) L'influence de la substitution des granulats naturels par les déchets de brique sur le comportement mécanique du béton -Azzeddine LAHMADI, Leila ZEGHICHI, Zied BENGHAZI –2012

(7) Caractérisation et modélisation du béton à base de déchets de briques concassées - Wafa Ben Achour, Saloua El Euch Khay, Jamel Neji – 2017

(8) Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton -Approche performantielle et évolutions normatives - Principales agressions et attaques des bétons - Nathalie CORDIER – 2013

(9) Effets des conditions d’opération d’un broyeur à boulets 40x40 cm sur le rétention des corps broyant de petite taille – Rolando Quispe Quispe – 2014

(10) Composition des bétons imprimés en 3D – Substitution de composants issus des matières premières par des fines de briques – Lucas Saelen – 2020

Liste des figures :

- Illustration de couverture : BSBV2 100 (droite) et BSBV2 40 (gauche) imprimés à la poche à douille (daté de 1 jour)

- Fig. 0 : Quantité annuelle de sable utilisée dans le monde – Paris

- Fig. 1 : maxi-brique – type de brique concassée dans le cadre de ce mémoire

- Fig. 2 : Concasseur à gravats à mâchoires

- Fig. 3 et 4 : intérieur et fonctionnement en coupe d’un concasseur à boulets – issu de (9)

- Fig. 5 : matériel utilisé pour les premiers concassages : marteau et enclume

- Fig. 6 : 500 grammes de brique concassés grossièrement

- Fig. 7 et 8 : tamis utilisés appartenant à l’ENSAPLPhoto originale - Brique concassée grossièrement, puis tamisée

- Fig. 9 : Courbe granulométrique de 500 grammes de brique concassée grossièrement

- Fig. 10 : représentation en noir de la courbe granulométrique de 500 grammes de brique concassée grossièrement, en rouge de 500 grammes de brique concassée finement

- Fig. 11 : Particules fines de brique

- Fig. 12 et 13 : Sable de brique 0,5 – 1,5 mm et 1,5 – 2 mm

- Fig. 14 et 15 : Fines de brique ( > 0,5 mm) et sable de brique ( 0,5 < x < 1,5 mm) grossis x300 au microscope de lumière transmise

- Fig. 16 et 17 : sable de brique ( 0,5 < x < 1,5 mm) et sable naturel fin grossis x100 au microscope de lumière transmise

- Fig. 18 et 19 : Sable naturel fin et sable de brique (0,5 < x < 1,5 mm) grossis x600 au microscope de lumière transmise

- Fig. 20 : 0,1 litre de sable de brique 0,5 – 2 mm

- Fig. 21 : 250 g de sable de brique 0,5 – 2 mm utilisés pour le calcul de densité absolue

- Fig. 22 et 23 : Méthode de mesure d’un liquide – mesure de 300 mLd’eau

- Fig. 24 : Mesure du volume après immersion de 250 g sable de brique

- Fig. 25 : Calcul de la porosité inter-granulaire d’après (4) – page 34

- Fig.26 : Évolution de la masse du sable de brique (g) en fonction du temps d’étuvage (min)

- Fig. 27 : Calcul du coefficient d’absorption d’eau, d’après (4) – page 34

- Fig. 28 : grains de sable de brique à la couleur différente de la majorité de ceux-ci

- Fig. 29 : Détails de la couleur moyenne #b56549 du sable de brique

- Fig. 30 : nuances et teintes de #b56549 allant du blanc au noir

- Fig. 31 : Colonne gauche : portion de photo de sable de brique – colonne milieu : teinte sélectionnée – colonne droite : part de présence de la teinte au sein de la portion de phototolérance : 120/200

- Fig.32 : Évolution de la masse (g) du sable de brique (noir) et du sable naturel 0-2 mm (rouge) en fonction du temps d’étuvage à 100 °C (min)

- Fig. 33 : Dimensions normées du cône d’Abrams – Source : (10)

- Fig. 34 et 35 : Béton au repos et venant d’être malaxé

- Fig. 36 : filaments superposés de BST,extrudés en ligne à la poche à douille

- Fig. 37 : filaments superposés de BST,extrudés en cercle à la poche à douille

- Fig. 38 : filaments superposés de BSB 40, extrudés en ligne à la poche à douille (haut) et à la main (milieu et bas)

- Fig. 39 : filaments superposés de BSB 100, extrudés en ligne à la main

- Fig. 40 et 41 : filaments superposés de BSB 100, extrudés en rectangle et en cercle, à la main

- Fig. 42 et 43 : sable naturel avant (500 g) et après (474 g) étuvage à 100 °C

- Fig. 44 : courbe granulométrique de 474 g de sable naturel (noir) et de 474 g de sable de brique utilisé lors des premières expérimentations (rouge)

- Fig. 45 : deuxième version du sable de brique nommé SBV2

- Fig. 46 et 47: filaments de BSBV2 40 extrudés en ligne à la poche à douille frais (gauche) et durci (droite)

- Fig. 48 et 49 : filaments de BSBV2 100 extrudés en ligne à la poche à douille frais (gauche) et durci (droite)

- Fig. 50 : Pourcentage d’eau nécessaire par rapport aux doses conseillées ( % bleu) en fonction du pourcentage de fines dans le sable, et de leurs compositions

- Fig. 51 issu de (4) : Composition d’un béton de sable de briques

- Fig. 52 issue de (4) : « Effet de la nature des sables recyclés sur la résistance en compression des bétons de sable » (béton de sable de brique : BSSBse)

- Fig. 53 issue de (2) : Résistance à la compression de bétons imprimables en 3D

- Fig. 54 : schéma du travail en compression et en traction de l’éprouvette lors de sa soumission à un effort de flexion

- Fig. 55 : Béton témoin BST coulé (gauche) et béton BSB 100 coulé (droite)

- Fig. 56 et 57 : grains de sable de brique visible lors d’éclats ou en surface du BSB 100

- Fig. 58 et 59 : Béton BSBV2 40 (gauche) et BSBV2 100 (droite) coulé dans des moules, datés de 1 jour

- Fig. 60 : couleurs moyennes de BSBV2 40 et BSBV2 100, datés de 1 jour

- Fig. 61 : détails de la couleur #a59087

- Fig. 62 : détails de la couleur #ab7c65

- Fig. 63 : Couleur moyenne de BST, BSBV2 40, BSBV2 100 (datés tous deux de 1 jour) et du sable de brique

- Fig. 64 : couleurs moyennes de BSBV2 40 et BSBV2 100, datés de 11 jours

- Fig. 65 : détails de la couleur #cca38a

- Fig. 66 : Détails de la couleur #f5c5b7

- Fig. 67 : comparaison et évolution de la couleur des différents béton de sable de brique, béton témoin, et sable de brique

- Fig. 69 : Modélisation d’une brique complexe appartenante au le projet Matrice (coté en mm)

- Fig. 68 : Texture coulé (gauche) ou imprimé (droite) du béton BSBV2 100 (haut) et BSBV2 40 (bas)

- Fig. 70 : modélisation d’une série de cône à pente augmentant par pallier de 10°

Liste des tableaux :

- Tableau 1 : Composition moyenne d’une brique de terre cuite

- Tableau 2 : Répartition granulométrique de 500 grammes de brique concassés grossièrement. Ré

- Tableau 3 : Répartition granulométrique de 500 grammes de brique concassés finement

- Tableau 4 : Évolution de la masse du sable de brique au cours de l’étuvage à 100 °C

- Tableau 5 : Composition du béton imprimable témoin pour 25 Kg de sable

- Tableau 6 : Compositions des différents mélanges de béton pour 25 Kg de sable

- Tableau 7 : Évolution de la masse du sable naturel 0-2 mm au cours de l’étuvage à 100 °C

- Tableau 8 : Masse volumique des bétons de brique durci

- Tableau 9 : Classe en fonction de la hauteur d’affaissement – Source : (10)

- Tableau 10 : Répartition granulométrique de 474 grammes de sable naturel sec

- Tableau 11 : Composition d’un kg de la deuxième version du sable de brique nomme SBV2

- Tableau 12 : Masse volumique moyenne du béton témoin BST et de deux bétons de brique

Annexes

:

Ce travail de recherche a été documenté de tout son long par une série de photos et de vidéos. De nombreux outils ont été conçus pour ce travail mais se sont avérés peu/pas assez efficace comparés à d’autres. Ce travail constant de recherche d’outils toujours plus efficaces afin de produire assez de matière à utiliser pour les expérimentations trouve sa place ici, en annexe.

Boite en boite d’un volume de 0,1 Lconstruite à domicile à partir de matériaux recyclés

Tamis fabriqué à l’aide d’un grillage de petite maille, mais plus grande que celles des tamis mis à

Saturation en eau des granulats de brique

Conditionnement du sable pour son transport à l’ENSAPL(et recouvrement de poussière de chacune des surfaces de la pièce) – (aucun placement de produits ici)

Meuble réemployé et modifié pour servir d’aire de travail, afin de contenir les éclats de brique. Il est important de ventiler l’espace de travail afin de ne pas respirer la poussière s’émanant de la transformation de ce matériau

Concasseur filtrant à boulets conçu à partir d’un tambour de machine à laver

Concassage de briques au marteau sur une petite enclume, dans l’aire du meuble de concassage

Hachoir à viande ayant servi à réduire la granulométrie des grains de 5 à moins de 2 mm. Sa capacité a été augmentée et permet de déverser un flux continu de granulats

Masse et bâche utilisées pour concasser les granulats de plus de 5 mm par chocs successifs

Microscope domestique à lumière transmise utilisé pour les observations microscopiques

Glissière muni d’un mixeur réutilisé servant à diminuer la granulométrie des petits granulats. Un

Pistolet utilisé pour les premiers tests d’extrusion, cassé suite à une trop grande pression due à un bouchon

Lien vidéo de séquences d’expérimentations : https://youtu.be/VDj0DCirI58