COMPOSITION DES MELANGES STABILISES AUX LIANTS MINERAUX ET ORGANIQUES

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Généralités sur les liants

Les liants minéraux

On regroupe sous le terme « liants minéraux » toutes les substances, généralement sous forme de poudre, composées de matière minérale et qui, en présence de solvant (en l’occurrence l’eau), réagissent pour former une pâte qui durcit par divers mécanismes en agglomérant des grains afin de former un bloc solide et pérenne. Les liants minéraux sont pour la plupart artificiels (seules les pouzzolanes naturelles échappent à cela mais n’ont un effet liant qu’en présence de chaux, elle-même artificielle). Les liants les plus couramment utilisés dans la construction en terre crue sont les ciments et les chaux. Quelques sous-produits industriels peuvent aussi être utilisés en addition ou en substitution partielle dans ces deux types de liants.
 Les ciments
Il existe plusieurs types de ciment selon leur composition. Les ciments Portland normalisés sont à base de clinker, d’autres constituants (d’origine naturelle ou de sous-produits industriels) et de sulfate de calcium ajouté pour réguler la prise du ciment. Le clinker est obtenu par cuisson à 1450°C d’un mélange d’argile et de calcaire. Il contient des minéraux anhydres hydrauliques qui, en présence d’eau, produisent des hydrates responsables de la prise et du durcissement de ce liant. Le durcissement pouvant se faire sous l’eau, on parle de liant hydraulique (NF EN 197-1, 2012). Le béton de ciment est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde (Torgal et al., 2011). La production mondiale de ciment a été estimée à environ 4100 millions de tonnes en 2018 selon une étude du United States’ Geological Survey (USGS) (Curry, n.d.). Selon (Gartner, 2004), la production d’une tonne de ciment est à l’origine de l’émission de 0,94 tonnes de gaz carbonique (CO2), dont 0,55 tonnes par réaction chimique, et 0,39 tonnes par le combustible de cuisson. Notons que la part d’émission de CO2 du transport n’est pas comptabilisée pour cause d’absence de données pertinentes. L’émission totale de CO2 du clinker peut donc être estimée à une tonne pour une tonne de clinker. Néanmoins, le recours aux ciments composés permet de réduire cet impact.
 Les chaux
A l’instar du ciment, on distingue plusieurs types de chaux. La chaux est obtenue par calcination de certains minéraux comme la calcite (CaCO3), la dolomite (CaMg(CO3)2) et la magnésite ou carbonate de magnésium (MgCO3) plus ou moins pure. La température nécessaire à la calcination complète est respectivement de 898°C pour les carbonates de calcium et de 402°C à 480°C pour les carbonates de magnésium (Crump, 2000).
Il existe ainsi plusieurs types de chaux dont la définition fait l’objet d’une norme et est évolutive (Cf. Figure I-5). Notons que la différence entre certains types de chaux (FL et HL) reste un peu floue si on s’en tient aux définitions données dans la norme.
La production mondiale de chaux est estimée à 350 millions de tonnes en 2017 (International Lime Association, 2018). (Maskell et al., 2014) évalue l’empreinte carbone due à la chaux à 0,78 tonnes d’équivalent CO2 pour une tonne de chaux.

Les liants organiques

Dans cette partie, on s’intéresse aux liants organiques naturels en opposition aux polymères organiques synthétiques et aux résidus du pétrole. Le rapport de Paterre+ pnrcc 2013 (Anger et al., 2013) fait un inventaire des produits organiques utilisés pour la stabilisation de terre. Ce rapport a été rédigé sur la base de plusieurs documents et témoignages recueillis à travers le monde. Le point commun des produits présentés dans ce rapport est qu’ils sont tous d’origines animale et végétale, et sont des sous-produits des activités agro-alimentaires de l’homme.

Généralité sur les polymères organiques naturels

Les polymères sont de grosses chaînes de molécules constituées de maillons élémentaires appelés monomères. Les polymères organiques ont un certain nombre de propriétés caractéristiques. Ils ont des masses molaires pouvant atteindre plusieurs millions de g/mol. Leur conformation, qui est leur configuration spatiale, varie selon les conditions du milieu (température, pH, potentiel ionique). La longueur de persistance (Lp), fonction du degré de polymérisation (Dp), est la longueur au-delà de laquelle la rigidité d’un maillon ne détermine pas l’orientation des maillons voisins. Les polymères ioniques sont dits polyélectrolytes car ils comportent à la fois des charges négatives et positives à cause des diverses fonctions présentes sur leur chaîne. Le pH auquel les charges s’équilibrent est dit potentiel isoélectrique (PIE). Ces caractéristiques vont définir la nature des interactions des différents types de polymères avec les autres particules.
Les liants organiques sont des polymères organiques naturels pouvant être répartis en quatre grandes familles de molécules.

Les polysaccharides

Les polysaccharides sont des polymères de sucres dont les monomères sont des monosaccharides ou oses (glucose, galactose…). Les sucres ou glucides sont des molécules polyhydroxylées (-OH) ayant une fonction carbonyle (C=O). On distingue les aldoses et les cétoses qui sont schématiquement présentés dans la Figure I-6 (Lubin-Germain et al., 2016).
Il existe une très grande variété de polysaccharides qui peuvent être regroupés en sous familles selon leur source.

Stabilisation de la terre crue pour la construction

D’après (Gernot Minke, 2009), la stabilisation de la terre crue vise à améliorer ses propriétés mécaniques et de durabilité pour une meilleure résistance aux sollicitations mécaniques et climatiques. Les procédés de stabilisation ont une connotation variée dans la littérature. (Danso et al., 2015) distinguent trois groupes de méthodes de stabilisation : le renforcement à base de fibres, de liants ou par combinaison des deux. Ils considèrent en outre, le compactage et la modification de texture comme respectivement des stabilisations mécanique et physique. Dans la suite de ce document, nous considèrerons deux types de stabilisation :
la stabilisation avec des liants minéraux comme étant l’ajout de substances inorganiques et la stabilisation aux liants organiques par l’ajout de substances d’origine organique susceptibles de réagir chimiquement ou physiquement pour améliorer les propriétés de la terre.

La stabilisation aux liants minéraux

La stabilisation aux liants minéraux est la plus répandue dans la littérature. Dans une revue bibliographique sur la stabilisation de la terre menée par (Danso et al., 2015), 90% des travaux portent sur l’utilisation de liants minéraux dont 50% avec du ciment et le reste est partagé entre les chaux et d’autres additions minérales ou un mélange de plusieurs liants minéraux.

Effet sur les résistances mécaniques

Dans la plupart des travaux, l’efficacité de la stabilisation est évaluée par une mesure de résistance
à la compression simple. Les résistances en flexion et en traction sont mesurées le plus souvent en cas d’ajout de fibres. Dans la suite de ce paragraphe, nous discuterons uniquement les résistances
à la compression car notre étude ne prendra pas en compte les ajouts de fibres dans le matériau. Il est difficile de comparer les résistances en compression obtenues entre les publications pour diverses raisons. D’abord, les valeurs dépendent du mode de fabrication des éprouvettes. Les éprouvettes moulées ou adobes, les éprouvettes pressées (pisé ou BTC) et celles extrudées ont des plages de densité respectives différentes. Or, Spence et Crook cités par (Ngowi, 1997), et (Van Damme et al., 2017) ont montré que l’efficacité de la stabilisation dépend de la densité du matériau. En outre, à cause des phénomènes de frettage, l’élancement (rapport entre la hauteur et la plus petite longueur caractéristique de la section) de l’éprouvette est un paramètre très important dans la mesure des résistances à la compression simple (Morel et al., 2007), (Aubert et al., 2016). Ainsi, pour pouvoir comparer des résistances en compression provenant de différents articles, il faut s’assurer que les protocoles expérimentaux utilisés soient similaires en l’absence de norme d’essai internationale et surtout que les échantillons ont des élancements équivalents sans quoi les comparaisons sont impossibles.
 Stabilisation au ciment
Il existe de nombreuses études sur la stabilisation des briques de terre à l’aide de ciment mais malheureusement peu d’entre elles sont utilisables car il manque parfois des données importantes (dimensions des échantillons, conditions de cure, …). Le Tableau I-6 présente les données de 10 articles sur la stabilisation des briques de terre fabriquées selon différentes techniques comme les blocs de terre comprimée (BTC) ou les adobes (terre moulée à la main et séchée au soleil). Le temps de cure et l’élancement sont donnés dans ce tableau.

Effets sur la durabilité

Dans la plupart des articles sur la stabilisation par des liants minéraux, le seul paramètre de durabilité étudié est la résistance à l’eau mais, en l’absence de normes internationales, les procédures utilisées pour évaluer cette tenue à l’eau sont très différentes d’un article à l’autre. Une des seules références utilisables que nous avons trouvées et qui traite d’autres propriétés de durabilité que la résistance à l’eau est celle de (Seco et al. 2017) qui ont travaillé sur la durabilité des briques de terre crue. Ils ont étudié les propriétés suivantes en utilisant la plupart du temps des normes espagnoles : humidification/séchage, érosion accélérée (avec l’essai de Swinburne dont la procédure n’est pas détaillée dans l’article), ascension capillaire, absorption d’eau et cycles de gel-dégel. Les auteurs ont conclu que le test d’ascension capillaire n’était pas approprié pour estimer la durabilité réelle des matériaux de construction à base de terre alors que celui d’absorption d’eau totale convenait davantage. De même, ils ont conclu que la procédure d’essai de gel/dégel telle qu’elle est définie dans les normes espagnoles ne permet pas d’estimer correctement la durabilité de ces matériaux. Enfin, dans cet article, comme dans tous les autres articles qui traitent de la résistance à l’eau, la stabilisation des briques de terre crue aux liants minéraux améliore systématiquement la tenue à l’eau même s’il est difficile de comparer les résultats entre eux, les procédures d’essai utilisées étant la plupart du temps différentes. Dans ce qui suit, nous allons faire un bilan de ces procédures.
Bahar et al. ont travaillé sur les performances de terres compactées stabilisées (Bahar, Benazzoug et al. 2004). Pour les tests de tenue à l’eau, ils ont utilisé plusieurs procédures : tests d’érosion accélérée, tests d’absorption d’eau par capillarité d’eau et mesure de la résistance en compression humide (immersion d’une durée de 2h) dont les procédures d’essai sont celles recommandées dans la norme française (XP P 13-901, 2001, p. 13). Les essais d’érosion accélérée ont été réalisés en soumettant les éprouvettes à des « jets d’eau » pendant 2 h à une distance de 0,18 m avec une pression d’eau d’environ 100 kN/m2. La perte de poids est mesurée et l’effet sur la surface des échantillons noté à la fin de l’essai.
Dans leur étude sur l’utilisation de la cendre de bagasse et de la chaux pour améliorer la durabilité et les propriétés mécaniques des briques de terre compactées, Alavez-Ramirez et al. ont mesuré la résistance à la compression humide après 24h d’immersion dans l’eau (Alavéz-Ramírez et al. 2012).
(Alam, Naseer, and Shah 2015) ont travaillé sur la stabilisation économique de l’argile pour la construction de bâtiments en terre dans les zones pluvieuses et exposées aux inondations (Alam, Naseer, and Shah 2015). Dans leur étude, ils ont utilisé deux types d’essais : un essai d’érosion accélérée et un essai d’immersion. Les auteurs indiquent que le test au « jet d’eau » est une indication de la durabilité des briques lorsqu’elles sont soumises à de fortes pluies. La pression de l’eau exercée sur les briques a été calculée à l’aide de la dynamique des fluides et maintenue constante durant l’essai (cette pression n’est cependant pas précisée dans l’article). Avant le test, l’épaisseur de chaque échantillon de brique est mesurée. Un jet d’eau de pression constante est envoyé au centre de chaque brique pendant 60s puis la profondeur de pénétration est mesurée. Pour l’essai d’immersion, les auteurs indiquent que cet essai est un indicateur de la durabilité des briques lorsqu’elles sont exposées à des inondations. Les mêmes briques testées au jet d’eau sont ensuite immergées pendant 24h dans l’eau et l’état des briques après immersion est évalué de manière qualitative. Comme dans les autres études sur le sujet, les conclusions montrent que les ajouts de ciment ou de chaux améliorent la résistance à l’eau mais, par contre, pas les ajouts de gypse testé aussi dans cette étude.
On retrouve des procédures similaires dans l’étude de (Sore et al., 2018) sur la stabilisation des blocs de terre comprimée par un liant géopolymère à base de matériaux locaux du Burkina Faso (Sore et al., 2018). Dans cette étude, la sensibilité au risque d’érosion a été évaluée au moyen du test de dispersivité d’Atkinson : de petits échantillons prismatiques de brique (6x3x3 cm3) sont immergés dans un bécher contenant 300 ml d’eau distillée et laissés dans les conditions ambiantes du laboratoire pendant 72 h (3 jours). Le comportement de ces échantillons en présence d’eau est évalué visuellement. Pour compléter ces mesures qualitatives, des mesures de résistance en compression humide ont été réalisées en utilisant la procédure de la norme (XP P 13-901, 2001). Enfin, (Dao et al., 2018) dans leur étude sur les propriétés thermique, hygrique et mécanique d’adobes stabilisés au ciment ont utilisé le test d’ascension capillaire en suivant la norme NF EN 1015-18 et un test d’érosion accélérée (Dao et al., 2018). Pour ce test, les échantillons d’adobe sont inclinés de 30° par rapport à la verticale et de l’eau est pulvérisée sur la surface en fines gouttelettes pendant 10 min sous une pression de 2 bars.
Cette étude bibliographique non exhaustive des procédures d’essai pour évaluer la résistance à l’eau des briques de terre crue stabilisées a montré que l’on pouvait classer ces essais en 4 catégories :
– L’essai le plus répandu est la mesure de la résistance en compression humide après immersion : la procédure d’immersion (durée) varie parfois selon les études mais la procédure la plus utilisée est celle de la norme (XP P 13-901, 2001). Cet essai présente l’avantage d’être quantitatif même si les valeurs mesurées après une immersion de 2h dans l’eau sont difficiles à interpréter de manière absolue ;
– L’essai le plus simple est celui de l’immersion dans l’eau. Là aussi, les procédures d’essai ainsi que la manière d’interpréter les résultats divergent. La plupart du temps, l’analyse est qualitative (en gros, ça tient ou ça se disloque, un peu ou beaucoup) ;
– L’essai le plus représentatif du problème de pluies violentes est celui de l’essai d’érosion accélérée. Comme l’a montré l’analyse précédente, les protocoles utilisés sont très variables d’une étude à une autre. Dans ce cas, les résultats peuvent être analysés de manière qualitative et/ou quantitative ;
– Enfin, dans quelques études, on retrouve souvent l’essai d’ascension capillaire dont la procédure la plus utilisée est celle de la norme (XP P 13-901, 2001). Certains auteurs (Seco et al. 2017) jugent que cet essai n’est pas approprié pour évaluer la durabilité des briques en terre crue. Cela est néanmoins discutable et cet essai présente plusieurs avantages : il est représentatif du risque de remontée capillaire d’eau dans les murs, les résultats obtenus sont quantitatifs et il est relativement simple de mise en œuvre. Par contre, il va surtout rendre compte de la porosité ouverte et interconnectée des matériaux et, de ce fait, il n’est peut-être pas très discriminant pour étudier l’efficacité de la stabilisation des briques sur leur tenue à l’eau.

Effets sur les propriétés hygrothermiques

Une des propriétés les plus intéressantes de la terre crue pour son utilisation en construction est son excellent comportement hygrothermique avec notamment une forte inertie thermique et un fort potentiel de régulation d’humidité. Il est alors intéressant de vérifier que la stabilisation chimique par ajout de liant minéraux ne détériore pas le comportement hygrothermique des matériaux en terre crue (Morel et al., 2013). Peu de travaux portent sur l’effet de la stabilisation aux liants minéraux sur les propriétés hygrothermiques des matériaux en terre crue.
 La conductivité thermique
La conductivité thermique, en dépit de la méthode utilisée (fil chaud, plaque chaude gardée, ou méthode de la boîte etc.), dépend des paramètres intrinsèques au matériau. Il s’agit notamment de sa teneur en eau et de sa densité apparente sèche. A teneur en eau égale, la densité apparente à un impact prépondérant sur la conductivité thermique. Cela provient du principe même de propagation de la chaleur dans les matériaux solides. En effet, la chaleur se propageant de proche en proche entre les particules de la matière solide, la présence de vides correspondant à la porosité des matériaux moins denses crée une rupture dans cette transmission de la chaleur. Pour le cas des matériaux pressés ou compactés (BTC ou pisé), l’ajout des liants minéraux s’accompagne en général d’une diminution de la densité optimale de compactage des matériaux. Cette densité étant souvent utilisée pour la fabrication des éprouvettes, le corollaire des liants minéraux est la diminution sensible ou non de la conductivité thermique. Ce résultat est observé dans les travaux de (Liuzzi et al., 2013) qui ont montré que l’ajout de 5% de chaux baisse la densité apparente sèche de 1992 kg/m3 à 1843 kg/m3 et, par suite, sa conductivité thermique passe de 1,20 W/(K.m) à 0,88 W/(K.m). Les autres modes de fabrication des matériaux comme l’adobe peuvent donner lieu à une évolution différente de la densité apparente sèche avec la stabilisation. En effet, les adobes sont de matériaux plus poreux et l’ajout du liant peut contribuer à reboucher cette porosité et donc augmenter la densité du matériau. Ainsi, (Dao et al., 2018) et (Saidi et al., 2018), qui ont travaillé sur des adobes, obtiennent une augmentation de la conductivité thermique à partir de 8-12% d’ajout de ciment (pour les deux groupes d’auteurs) et d’ajout de chaux pour (Saidi et al., 2018). Or, pour des taux d’ajout inférieurs à 8%, les deux auteurs obtiennent des valeurs de conductivité thermique au plus égales à celle du matériau non stabilisé. Ainsi, la stabilisation à faible taux d’incorporation de ciment semble sans effet sur les valeurs de conductivité thermique.
 Les propriétés hygroscopiques
Il existe plusieurs méthodes d’évaluation des performances hygroscopiques des matériaux stabilisés (perméabilité à la vapeur d’eau, sorption-désorption etc.) mais l’un des essais les plus complet est le protocole Nordtest (Rode et al., 2005) de mesure de la capacité tampon hygrique ou Moisture Buffer Value (MBV). Cet essai mesure le comportement hygroscopique du matériau sous des fluctuations d’hygrométrie ambiante à température constante. Là aussi, la densité apparente sèche a une influence, bien que faible, sur les résultats. Le principe même de l’hygroscopie qui se manifeste par une fixation et la libération des gouttes d’eau de l’air sur les parois intraporales des matériaux explique cela. D’ailleurs, le calcul de MBV théorique fait intervenir la densité du matériau. Mais c’est la distribution en taille des pores des sols qui joue un rôle prépondérant. Ce paramètre dépend fortement de la nature minéralogique des argiles disponibles dans les sols. (McGregor et al., 2014b) a démontré que grâce à leurs surfaces spécifiques plus importantes, les montmorillonites ont une capacité hygroscopique plus élevée que la kaolinite. Ce dernier, dans une autre étude, montre que l’ajout de 4-8% de ciment, respectivement de chaux, baisse le MBV du sol non stabilisé de 3,1 g/(m².%HR) à 2,1 g/(m².%HR) et 2,0 g/(m².%HR).

Effets sur les propriétés hygrothermiques

Peu de travaux sur la stabilisation des liants organiques évaluent l’effet sur les performances hygroscopiques des matériaux. Seuls (Pinel et al., 2017) ont évalué l’effet sur les performances hygrothermiques du matériau. Ainsi, la conductivité thermique diminue légèrement et passe de 1,9 W/(m.K) pour le sol non stabilisé à 1,4 W/(m.K) pour le mélange avec 1% d’alginate et d’agent régulateurs. La capacité tampon hygrique ou moister buffer value (MBV) quant à elle, augmente avec l’ajout de l’alginate et passe de 0,9 g/(m².%HR) pour le sol non stabilisé à 1,2g/(m².%HR) pour les mélanges avec 1% d’alginate et d’agents régulateurs. Ce qui montre une amélioration des performances hygroscopiques du sol grâce à l’ajout d’alginate.

Présentation de la problématique

Il est possible de résumer l’objectif principal de ce travail en une phrase : « produire en grande quantité (ce qui sous-entend industriellement) des produits de construction en terre crue performants, durables et à faible impact environnemental ». Si cet objectif est formulé de manière simple, chaque terme utilisé est important et soulève un certain nombre de questions que nous allons discuter dans la suite de ce chapitre et qui ont fait l’objet de discussions antérieures dans deux papiers (Ouedraogo et al., 2019) et (Aubert, 2019). Les réponses à ces questions nous ont conduits à faire des choix quant à la manière de mener notre projet de recherche.

Quel type de produit de construction en terre crue avec quelle technique ?

Nous avons vu lors de l’étude bibliographique qu’il existait un grand nombre de techniques de construction en terre crue. Parmi ces techniques, les plus faciles à moderniser sont le pisé, la construction en briques de terre crue et les bétons de terre. Au démarrage de cette thèse, la thématique des bétons de terre était relativement nouvelle et nous avons considéré qu’elle ajoutait un niveau de complexité supplémentaire par rapport aux matériaux classiques en terre crue car, en plus des autres caractéristiques, il fallait étudier la rhéologie à l’état frais de ces matériaux. De plus, les premiers bétons de terre produits soulèvent des questions importantes sur leur équilibre entre leurs performances et leurs impacts environnementaux (Van Damme et al., 2017). Ce nouveau mode d’utilisation de la terre nécessite encore beaucoup d’études de laboratoire et nous avons préféré nous concentrer dans le cadre de cette thèse sur des matériaux en terre crue plus classiques comme les briques ou le pisé. Culturellement au LMDC, l’équipe a jusqu’à présent travaillé essentiellement sur les briques de terre crue et il nous semblait naturel de poursuivre dans cette voie. Même si de nouvelles usines utilisant le principe de la BTC existent, l’avenir en terme de cadence de production est la brique extrudée qui est la technique utilisée dans le cuit. Cependant, pour pouvoir étudier dans cette thèse des briques extrudées, il nous aurait fallu une extrudeuse de laboratoire que nous n’avions pas à notre disposition. Nous avons donc décidé, dans un premier temps, d’étudier les propriétés des briques de terre crue fabriquées par compression statique en ayant à l’idée de tester, plus tard, les formules les plus efficaces en extrusion au Centre Technique de Matériaux Naturels de la Construction (CTMNC). Une campagne d’essais d’une semaine a ainsi été réalisée au CTMNC en seconde année de thèse mais, malheureusement, elle a soulevé des problèmes rhéologiques des mélanges que nous n’avions pas imaginés. Comme dans le cas des bétons de terre, de nombreuses études sont aussi nécessaires sur le comportement rhéologique à l’état frais des pâtes de terre afin de pouvoir assurer une bonne extrudabilité. D’ailleurs, un projet ANR a été déposé sur ce sujet en 2018 associant l’UBS, le CTMNC et le LMDC mais malheureusement ce projet n’a pas été retenu. Pour conclure sur le type de matériau en terre crue étudié durant la thèse, notre travail portera sur des éprouvettes de terre crue compressée et il est intéressant de noter que les résultats que nous obtiendrons sur ces matériaux pourraient aussi bien servir à faire des BTC que du pisé.
L’objectif principal de la thèse tel qu’il est affiché renvoie immédiatement aux notions de performances des matériaux en terre crue. Dans notre monde moderne, et surtout depuis l’apparition du béton au début du XXe siècle, la « résistance » des matériaux de construction apparaît comme la caractéristique la plus importante aux yeux des gens. C’est d’ailleurs en partie sur cela que repose l’histoire des 3 petits cochons qui stigmatise la peur des enfants et le côté sécuritaire des maisons robustes faites en béton. Il est encore difficile aujourd’hui de faire changer les mentalités et il est vrai que la résistance en compression reste une caractéristique importante des matériaux de construction. Cependant, il n’est pas possible de séparer les performances du type d’utilisation. Nous pensons que la construction en terre partout dans le monde doit se limiter à de l’habitat pour des constructions modestes en rez-de-chaussée, R+1 ou R+2. La terre crue a depuis toujours été utilisée pour ce type d’application et, même si les chercheurs et les bureaux d’étude travaillent sur le sujet, la résistance des matériaux en terre crue (couramment autour de 2 MPa) a toujours été suffisante pour ce type d’application. D’ailleurs, on est dans les mêmes ordres de grandeur que les blocs creux en béton (4 à 8 MPa). Ainsi, la résistance en compression est une performance importante mais la littérature ainsi que les études du patrimoine vernaculaire mondial en terre crue ont largement démontré que les parois en terre crue étaient suffisamment résistantes mécaniquement pour ce type d’application (logements de faible hauteur). Attention, cela exclu la problématique du comportement aux séismes que nous ne considérerons pas dans notre travail. La seconde caractéristique qui semble être importante pour les matériaux en terre crue est leur durabilité en général mais lorsque l’on considère l’ensemble des risques, celui qui est de loin le plus important est la tenue à l’eau de ces matériaux. De nouveau, cette performance va être en lien direct avec l’utilisation mais aussi avec la situation géographique de l’ouvrage considéré. En effet, les anciens bâtisseurs des régions tempérées telles qu’on les trouve en Europe ont démontré que les savoir-faire constructifs permettaient de résoudre le problème de la résistance à l’eau des matériaux en terre crue. Le formidable patrimoine en terre crue vieux de plus de 200 ans dont nous disposons en France (en bauge, pisé, adobe ou torchis) témoigne de cela. Le principe est simple, il s’agit de protéger les murs extérieurs en terre crue des venues d’eau : des soubassements étanches, des avancées de toit importantes et, si nécessaire, un enduit à la chaux qui a l’avantage d’être imperméable mais de laisser passer la vapeur d’eau et d’éviter ainsi les problèmes de condensation que l’on peut observer avec certains enduits au ciment. Mais, ces solutions qui fonctionnent dans nos climats tempérés ne fonctionneraient pas dans des zones tropicales avec des pluies diluviennes ou des régions du globe qui sont soumis à des pluies extrêmes (mousson par exemple). Ainsi, dans ces situations particulières, le recours à une stabilisation chimique en vue d’améliorer la résistance à l’eau serait pertinente. De plus, d’autres arguments peuvent aussi être avancés pour justifier de l’amélioration de la tenue à l’eau des matériaux en terre crue. Le premier concerne le principe moderne de précaution : les gens ont peur de tout ce qui peut arriver et il faut tout envisager : une inondation, une machine à laver qui fuit, …. Ainsi, le fait que les produits de construction en terre crue ne résistent pas à l’eau « fait peur » aux clients et pour les rassurer il serait préférable d’avoir un matériau plus résistant à l’eau (au moins jusqu’à ce que l’image de la terre crue change et que les gens aient de nouveau confiance en ce matériau). L’autre argument concerne l’industrialisation de ces produits (notamment les briques de terre crue) et les éventuels problèmes de stockage : produire des briques qui ne résistent pas à l’eau nécessite de les stocker sous abri ce qui est très difficile et coûte cher. Ainsi, même si le patrimoine de matériau en terre crue non stabilisée montre le contraire, l’amélioration de la tenue à l’eau de ces matériaux est un enjeu important.
Une autre caractéristique essentielle des produits de construction en terre crue est leur excellent comportement hygrothermique (forte inertie thermique et forte capacité à réguler l’humidité dans les bâtiments). Ces caractéristiques sont un des avantages les plus importants de l’utilisation de ces matériaux par rapport aux matériaux dits conventionnels (blocs de béton par exemple).
Enfin, la dernière performance à considérer est la performance environnementale. En effet, depuis la deuxième guerre mondiale, le principal matériau de construction utilisé est le béton car c’est un matériau qui a des propriétés exceptionnelles (coût, performances, facilité de mise en œuvre, durabilité, …). La principale raison de chercher une alternative à ce matériau est son impact sur l’environnement qui se traduit par des problèmes d’énergie et d’émission de CO2 (liés à la production de ciment) et à la raréfaction de certaines ressources naturelles (sable notamment). Ainsi, le regain d’intérêt pour la construction en terre crue (tout comme l’utilisation de matériaux biosourcés tels que le bois, la paille, …) n’a de sens que si ce matériau est moins impactant que le béton : dans le cas contraire, il faudrait qu’il soit aussi performant ce qui serait extrêmement difficile (c’est le principal problème aujourd’hui des bétons de terre tels qu’ils sont formulés comme expliqué par Van Damme et Houben dans leur article (Van Damme et al., 2017)).

Est-il nécessaire de stabiliser les briques en terre crue ?

La réponse à cette question découle en partie de l’analyse des performances qui vient d’être faite ainsi que de l’analyse des résultats issus de la littérature sur les briques de terre crue stabilisées. En ce qui concerne la résistance mécanique, nous avons vu que pour les applications en habitats de faible hauteur, la résistance des parois en terre seule était suffisante. De plus, l’étude bibliographique a montré que, même pour des forts dosages en liants minéraux notamment, les gains de résistance des briques de terre crue étaient extrêmement limités. Pour cette caractéristique, il ne semble donc pas utile de stabiliser les briques en terre crue.
En revanche, la bibliographie a montré que la résistance des briques de terre crue à l’eau était systématiquement améliorée avec l’utilisation de stabilisants (surtout pour les liants minéraux) même si les essais utilisés pour quantifier cette amélioration varient d’une étude à l’autre. Nous avons vu précédemment qu’il existait certains arguments en faveur de l’amélioration de la résistance des briques de terre crue à l’eau et il est vrai que la stabilisation chimique semble être une solution adaptée.
Enfin, concernant les deux dernières caractéristiques importantes (comportement hygrothermique et impact environnemental), la stabilisation n’est pas nécessaire et elle risque même d’affecter négativement ces bonnes caractéristiques de la terre crue et il faudra être vigilant à cela si l’on envisage de stabiliser les briques de terre crue.
La stabilisation avec les liants minéraux classiques est-elle pertinente ? Si non, quelles sont les alternatives ?
La bibliographie a montré que les gains (notamment en résistance en compression) sur les briques de terre par l’ajout de quantités importantes de liants minéraux (ciment surtout, chaux dans une moindre mesure) étaient limités. Cela est en partie l’objet de l’article de Van Damme et Houben de 2017 (Van Damme et al., 2017). Ces auteurs ont utilisé des outils simples pour évaluer l’impact sur l’environnement de l’addition de ciment pour la stabilisation des matériaux en terre crue, en utilisant notamment des indices (« binder intensity index » ou « carbon intensity index ») introduits par (Damineli et al., 2010). Van Damme et al. ont conclu que, dans la plupart des cas, la stabilisation au ciment ne vaut pas la peine de l’effort, que ce soit en termes mécaniques ou environnementaux. Ces études ont montré qu’il est nécessaire que l’ajout de liants minéraux dans les matériaux en terre crue reste cohérent (du point de vue des performances et de l’environnement) avec les produits conventionnels existants. Par exemple, dans le cas de briques de terre stabilisée, ces briques pleines vont être en concurrence avec des blocs de béton traditionnellement creux. En 2017, selon la fédération française de l’industrie du béton, la vente de blocs béton s’élevait à 8,6 millions de tonnes représentant ainsi 48,7% en masse de la production nationale de béton (FIB and Institut I+C, 2017). La norme européenne NF EN 771-3: 2011 donne les spécifications pour les blocs de béton (NF EN 771-3+A1/CN, 2017). Bien qu’il existe différentes formes de blocs pour des applications spécifiques, les blocs de béton creux sont les plus largement utilisés pour tous les types de murs en maçonnerie. Les résistances à la compression requises de ces blocs sont comprises entre 4 et 8 MPa. Dans ces blocs bétons creux, la teneur en ciment est d’environ 150 kg/m3 (Olivier, 1996) et le pourcentage de vide est de 50%, ce qui donne une masse de ciment de 1,5 kg pour un bloc classique (20cm x 20cm x 50cm). Dans une brique de mêmes dimensions mais pleine et composée de terre d’une densité de 2 t/m3, la teneur en ciment équivalente à celle d’un bloc béton creux serait de 3,75%. Cela signifie que, s’il y a plus de 4% de stabilisant dans une brique de terre, la teneur en ciment devient supérieure à celle d’un bloc de béton parfaitement résistant à l’eau et présentant une résistance à la compression comprise entre 4 et 8 MPa ! Or, dans la plupart des articles que nous avons étudiés pour la bibliographie, les teneurs en liants minéraux sont largement supérieures à cela pour des performances moindres.
Ainsi, une des problématiques de notre travail de thèse est devenue : est-ce que la stabilisation des briques de terre crue en utilisant de faibles dosages en liants minéraux est pertinente ? (c’est le titre de l’article que nous avons soumis pour publication dans Construction and Building Materials à la fin de la thèse (Ouedraogo et al., 2019)). Pour répondre à cette question, nous allons étudier les effets de l’ajout de ciment et de chaux à des teneurs inférieures à 4% sur les caractéristiques importantes que nous avons énumérées précédemment : résistance en compression, tenue à l’eau et propriétés hygrothermiques (l’impact environnemental était induit dans la limite des 4%). L’analyse du patrimoine en terre crue de par le monde a montré qu’il n’existe quasiment pas d’exemples de matériaux en terre crue stabilisés avec des liants minéraux. Seuls quelques exemples de fortifications en terre crue stabilisées à la chaux sont rapportés au Portugal mais ils demeurent anecdotiques. Par contre, quand on s’intéresse à certaines pratiques ancestrales utilisant des composés organiques, on constate que l’homme depuis toujours a tenté d’améliorer les performances des matériaux en terre crue avec les matériaux organiques à sa disposition (déjections animales, sang d’animaux, blanc d’œuf, caséine, …). L’étude bibliographique réalisée au début de ce chapitre sur les liants organiques a montré qu’il existait un grand nombre de composés organiques qui ont pu être utilisés par le passé pour modifier les propriétés des matériaux en terre crue. Même si quelques rares études scientifiques ont commencé à s’intéresser à ces stabilisants organiques, on est encore pour le moment au stade de « recettes de Grand-Mère » qu’il convient d’explorer scientifiquement. Cela constitue le second axe fort de cette thèse : l’étude de l’effet de certains stabilisants organiques sur les propriétés des briques en terre crue. Le nombre de liants organiques potentiellement utilisables étant très important, il sera nécessaire dans le cadre de cette thèse de réaliser une étude préliminaire permettant de sélectionner ceux qui semblent donner les résultats les plus intéressants. Naturellement, il sera possible, à l’issue de cette étude, de comparer les liants minéraux aux liants organiques sélectionnés pour cette étude.
Notre travail de thèse portera donc sur l’étude de la stabilisation d’éprouvettes de terre crue compressées par des liants minéraux ou organiques. Nous évaluerons au cours de notre travail les effets d’ajouts en faibles quantités (≤ 4%) de ces liants sur la résistance en compression, la tenue à l’eau et les propriétés hygrothermiques des matériaux stabilisés. Le chapitre suivant sera dédié à la présentation des matériaux retenus pour l’étude (deux types de terre, un ciment, une chaux et neuf liants organiques) et des procédures d’essais utilisés dans notre travail.

Composition des mélanges stabilisés aux liants minéraux et organiques

Etude préliminaire sur les liants organiques

 Objectifs
L’objectif principal de notre étude est d’augmenter la tenue à l’eau des briques en terre crue grâce
à l’ajout de stabilisants. La diversité chimique des produits organiques utilisés dans cette optique implique des comportements divers. Leur efficacité dans le sol dépend de façon variable des conditions de préparation, du protocole de mélange et de l’ajout ou non d’autres composés d’activation (ex : acides, bases, …). Un protocole expérimental a donc été mis au point afin d’identifier par des méthodes qualitatives les produits organiques les plus prometteurs et ceux nécessitant des études plus approfondies.
 Préparation des éprouvettes
De petits échantillons parallélépipédiques sont moulés à la main dans un moule en plastique de dimensions 47 mm x 35 mm x 15 mm avec divers mélanges de sols et de liants (Figure II-4 (a)). Le sol et le liant sont d’abord homogénéisés à sec. Ensuite, l’eau est ajoutée progressivement jusqu’à l’obtention de la consistance désirée. La teneur réelle en eau de ce mélange est mesurée. Les éprouvettes sont ensuite séchées jusqu’à masse constante dans une chambre climatique à 20°C et 50% d’humidité relative.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I: ETAT DE L’ART ET PRESENTATION DE LA PROBLEMATIQUE DE THESE
INTRODUCTION
REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
Généralités sur la construction en terre crue
Généralités sur les liants
Stabilisation de la terre crue pour la construction
PRESENTATION DE LA PROBLEMATIQUE
Quel type de produit de construction en terre crue avec quelle technique ?
Quelles sont les caractéristiques les plus importantes à prendre en compte ?
Est-il nécessaire de stabiliser les briques en terre crue ?
La stabilisation avec les liants minéraux classiques est-elle pertinente ? Si non, quelles sont les alternatives ?
CHAPITRE II: MATIERES PREMIERES ET PROCEDURES EXPERIMENTALES
INTRODUCTION
MATIERES PREMIERES
Les sols
Les liants organiques
Les liants minéraux
COMPOSITION DES MELANGES STABILISES AUX LIANTS MINERAUX ET ORGANIQUES
Etude préliminaire sur les liants organiques
Choix des dosages
PROCEDURES EXPERIMENTALES
Caractérisation géotechnique
Caractérisation chimique et minéralogique
Fabrication des éprouvettes
Essai de compression simple à l’état sec
Essai de compression simple à l’état humide
Caractérisation hygrothermique
CONCLUSION
CHAPITRE III: CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES ET FORMULATIONS DES MELANGES 
INTRODUCTION
CARACTERISATION DES SOLS
Caractérisation géotechnique des sols
Caractérisation chimique et minéralogique des sols
ETUDE EXPERIMENTALE PRELIMINAIRE SUR LES LIANTS ORGANIQUES
Résultats des tests préliminaires
Classification des liants organiques étudiés
Conclusions de l’étude préliminaire
ESSAIS PROCTOR SUR SOLS STABILISES
COMPOSITIONS ET COMPACITES DES MELANGES ETUDIES CONCLUSION
CHAPITRE IV: CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX EN TERRE CRUE STABILISEE
INTRODUCTION
COMPORTEMENTS MECANIQUES ET TENUES A L’EAU
Etude de l’effet des conditions de cure sur les formulations avec liants minéraux
Comportement mécanique à l’état sec
TENUE A L’EAU (RESISTANCE A LA COMPRESSION HUMIDE)
PROPRIETES HYGROSCOPIQUES ET THERMIQUES
Conductivité thermique
Effet des stabilisations sur le comportement hygroscopique
MODIFICATIONS MINERALOGIQUES INDUITES PAR LA STABILISATION DES SOLS
Diffractogrammes des rayons X des sols stabilisés
Analyses par spectrométrie infrarouge des sols stabilisés
Analyse thermogravimétrique différentielle de la stabilisation du sol B avec la chaux
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BILAN DE L’ETUDE
LES PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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