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Approche contemporaine de la construction en terre

Visions technique, scientifique, réglementaire et internationale

Le 21 octobre 2011 - Forum départemental des Sciences

Connaissances du matériau terre

Dimensions " scientifiques" du matériau

Vincent DUBOIS

Grande mosquée de Djenne au Mali

Maison en brique de terre (batimieu.fr)

Bâtiment en pisé (terre-crue.fr)

Bâtiment en torchis (terre-crue.fr)

(visitgaomali.com)(news.fr. msn.com)

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Composée de :

Matières minérales Matières organiques Air Eau

Le matériau terre

àMatériau complexe issu d’une roche mère et de phénomènes de

dégradation / migration

Caractérisée par :

La granularité La plasticité La compressibilité La cohésion

(terrevivante.org)

Le matériau terre : sa composition

Kaolinite vue en MEB, (simepi.info), Image Nicole Liewig, IPHC, CNRS, Strasbourg

Les minéraux : le squelette

•Minéraux inaltérés : de composition identique à la roche mère à cailloux (d> 20 mm), graviers (2 mm < d < 20mm), sables (63 µm < d < 2 mm), silts (2 µm < d < 63 µm)

•Minéraux altérés : suite à une altération chimique de la roche mère, les particules sont réduites à une taille inférieure à 2 µm à fraction colloïdale

•Argiles : altération des minéraux silicatés, structure en feuillets

Principaux types d’argiles : •Kaolinite•Illite•Montmorillonite

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• Proportion variable dans les sols• Réparties en quatre classes :

– Matière organique vivante (biomasse active)

– Matière organique fraîche (débris végétaux, cadavres, excréments …)

– Composés en cours d’évolution dits transitoires

– Composés organiques stabilisés ou humus (fraction humine, acides humiques, acides fulviques)

• Induisent des phénomènes de compressibilité en fonction de leur nature, de leur proportion, de la teneur en eau

(cegep-ste-foy.qc.ca)

(onf.fr)

Le matériau terre : sa compositionLes matières organiques : l’instabilité

L’eau, l’acteur principalSelon la proportion présente, la terre peut être compacte ou à l’état de boue.Propriétés dépendantes :

- Cohésion : liée aux forces à l’interface air/eau et aux interactions entre particules argileuses

- Succion : phénomène qui croît avec la réduction de la teneur en eau

- Gonflement : humidification de l’argile

- Retrait : phénomène lié à l’abaissement de la teneur en eau et à la présence d’argiles

- Plasticité : état pour lequel la terre est cohésive, se déforme sans se rompre

(inra.fr)

(fr.123.rf.com)

Le matériau terre : sa composition

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L’air : le levier

Sa proportion doit être réduite pour que le matériau soit résistant.

Avec l’eau liquide ou à l’état de vapeur, cela forme les vides. à Indice des vides e = Vv/Vs à Porosité = Vv/Vt*100

L’air, en association avec une humidité résiduelle, peut contenir des micro-organismes qui peuvent être néfastes pour les matériaux de construction.

Matériau silicone poreux (cnrs.fr) Roland Poss, Porosité vésiculaire, inra.fr

(pise.hautetfort.com)

Le matériau terre : sa composition

Le monde professionnel cherche à préserver les ressources naturelles.

L’utilisation de ressources de type sous-produits industriels est de plus en plusfréquente.Dans la région : laitiers, scories, mâchefers d’incinération d’ordures ménagères,sédiments de dragage, boues de carrière…Valorisation dans le domaine routier la plupart du temps. La problématiqueprincipale de valorisation de certains produits est leur potentiel polluant.

Les enjeux des produits terre

Source : Unicem, 2009

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LES ECOMATERIAUXDans le domaine de la construction, beaucoup de matériaux plus respectueux del’environnement font leur apparition dans le domaine des isolants, des blocs deconstruction, des peintures … quelque fois issus de pratiques ancestrales.

L’intérêt de ces matériaux est de [Escadeillas, 2006] :- Limiter la consommation d’énergie et l’émission de GES lors de lafabrication

- Privilégier les ressources locales- Avoir un impact environnemental restreint de la production à la fin de vie- Faciliter le recyclage en fin de vie- Proposer une plus-value à l’usager en terme de confort

Les enjeux des produits terre

La terre crue, utilisée depuis onze millénaires, reste aujourd'hui le matériau de construction le plus répandu à travers le monde. Un tiers de l'humanité vit dans un habitat en terre, soit plus de deux milliards de personnes dans 150 pays. Les architectures de terre, simples ou monumentales, sont présentes dans des contextes variés et répondent à des besoins très divers.

De nombreux avantages : ressources locales, capacité d’inertie thermique, régulation d’humidité…

Les enjeux des produits terre

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Régulation hydrique Confort thermiqueàEffusivitéà Inertie thermique

(pise.hautetfort.com)

Diagramme psychrométrique (nrc-cnrc.gv.ca)

Les produits terre : propriétés spécifiques

Les produits terre : propriétés spécifiquesStabilité physique et mécaniqueQuelques exemples

Compression axiale

Flexion trois points

Capillarité Abrasion

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ClassementGéotechnique / Pédologie : deuxdomaines qui se complètent et ayantleurs propres classifications

• Géotechnique : AASHTO(USA), USCS, GTR (France)

à taille des particules, répartition granulométrique, plasticité

• Pédologie : FAO, Duchaufourà facteurs de pédogénèse,

évolution des sols et leur fonctionnement

Le matériau terre : le caractériser

Guide des Terrassements Routiers

Granularité• Essai au tamis, sédimentométrie,

analyse granulométrique laser

• Interprétation en refus ou en passant

• Essais terrain préliminaires : examen visuel, essai de morsure,

essai de toucher

Le matériau terre : le caractériser

0102030405060708090

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100Taille tamis (mm)

Ref

us c

umul

é (%

)

Argile Silt Sable Graviers Cailloux

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Plasticité• Limites d’Atterberg : liquidité, plasticité

• Essais préliminaires possibles : essai de lavage, essai de l’éclat, essai de l’adhérence, test de ressuage, test de consistance, test de cohésion

(enpc.fr)

Abaque de Casagrande (nrc-cnrc.gv.ca)

Le matériau terre : le caractériser

Compressibilité• Essai Proctor

• Oedomètre

Essai Proctor sur une formulation à base de sédiments de dragage [Dubois, 2006]

Le matériau terre : le caractériser

www.igm.fr

http://fr.eylullab.com/

Courbes de tassement de sédiments [Dubois, 2006]

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Comportement mécaniqueLe matériau terre : le caractériser

Adobe porteuse (lamaisondurable.com)

[Dubois, 2006]

(planet-terre.ens-lyon.fr)

g2r.uhp-nancy.fr

Loi de comportement

Le matériau terre : le caractériserAutres outils de caractérisation

à Physique : teneur en matières organiques (après évaluation à l’odeur, dosage du CO, PF à 450°C, essai au peroxyde d’hydrogène)

à Physico-chimieAnalyse thermo-gravimétrique Diffraction aux rayons X

Autres essais : analyse thermo-différentielle, fluorescence X, surface spécifique

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Le matériau terre : la stabilisation

Lié aux performances et à la durabilité demandées pour le matériau

Types de stabilisation [Houben et Guillaud, 2006]

à Densifier le matériau (sans ajout)

à Densifier le matériau avec apport d’un complément granulaire

à Armer avec des fibres

à Créer des liaisons fortes entre les particules (effet colle)

à Protéger les particules de l’eau : imperméabiliser ou hydrofuger

[Houben et Guillaud, 2006] : Traité de construction en terre, CRATerre, Editions Parenthèses.

Le matériau terre : la stabilisationLes fibres

à empêcher la fissuration au séchage

à alléger le matériau

à augmenter la résistance à la traction

Incidences sur la phase de fabrication et la durabilitéà Les fibres captent une partie de l’eau entrant dans la

compositionà Si les fibres ne sont pas traitées, et qu’il y a, dans le produit,

une porosité importante et une humidité résiduelle : développement de champignons

marinemichel29.overblog.comFutura-sciences.com

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Le matériau terre : la stabilisationLa chaux

à Chaux vive : absorption d’eauà Echange cationique : le calcium se

substitue aux cations échangeables à Floculation – Agglomération

à Carbonatation : réaction avec CO2 de l’airà formation de liaisons médiocres entre les particules

à Réaction pouzzolanique à recombinaison de la silice et de l’alumine des argiles

avec le calcium pour former des silicates complexes d’aluminium et de calcium

Incidence de l’incorporation de la chauxàAugmentation de la teneur en eau optimaleàDiminution de la densité sèche optimaleàGain de résistance

Restauration-patrimoine.fr

Optimum

CONGO-BRAZZAVILLE

fabrication de matériaux économiques de construction en terre crue compressée

Les recherches sur le matériau

TERRACREA : Disponibilité en terres arables métropolitaines pour une production soutenable d’agro matériaux pour la construction / réhabilitation de

bâtiments compatibles avec les objectifs « Grenelle »

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Les recherches sur le matériauPROJETECOFACs

à Valoriser les fines argilo-calcaires (FACs), issues du lavage, desgranulatsen éco-produitspour la construction (en non porteur)

à Partenaires:à Carrièresdu Boulonnaisà Laboratoire Génie Civil et géo-Environnement

à Thèse de Cédric Flament débuté en novembre 2009Directeur de thèse : Eric WirquinCo-encadrant : Vincent Dubois

à Deux produitsà développerà une BTC (optimiser la proportion de FACs + formaliser

la formulation de ce type de produit)à un carreau de terre

à Projet en collaboration avec desentreprisespossédant despilotesde production

Les recherches sur le matériauPERSPECTIVESFormaliser lesconnaissanceset applicationsexistantes

à Déterminer lesparamètresd’influence- Composition- Donnéestechnologiques(tempsde malaxage,conditionsde cure

- Rôle desstabilisants- Loisde comportementsmécanique, thermique,hydrique

Sortir du cadre habituel d’utilisation de la terreàObtenir desproduits légerstout en conservant lespropriétés

de la terreàObtenir un comportement mécanique et physique différents

pour moduler l’utilisation