Chapitre 1 Matériaux Terre PDF

CHAPITRE I : LE MATERIAU TERRE I. INTRODUCTION Construire en terre, c’est construire avec un matériau que l’on foule aux pieds tous les jours. Mais la terre ne peut être employée en construction que si elle offre une bonne cohésion propre, principalement due à la présence d’argile qui joue le r...

CHAPITRE I : LE MATERIAU TERRE I. INTRODUCTION Construire en terre, c’est construire avec un matériau que l’on foule aux pieds tous les jours. Mais la terre ne peut être employée en construction que si elle offre une bonne cohésion propre, principalement due à la présence d’argile qui joue le rôle de liant naturel. La terre est sans doute le matériau de construction le plus vieux du monde. Les premières cités découvertes dans l'ancienne Mésopotamie étaient construites en terre crue, avant même l'invention de l'écriture. De ce fait l’architecture de la terre est un véritable témoignage vivant de l’histoire et de la culture des peuples. Parmi les 12 modes d’utilisation de la terre, 07 sont très couramment employés et regroupés en deux grandes familles que sont : a- La terre cuite : matériau obtenue de la cuisson d’argile. Elle est utilisée pour réaliser des poteries, des sculptures et comme matériau de construction pour la fabrication de briques, tuiles ou carreaux. b- La terre crue : utilisée avec le moins de transformation possible en tant que matériau de construction, la terre crue ne passe pas au four ou au chauffage. Elle se décline suivant les types suivants : Adobe : brique de terre crue, séchée au soleil, obtenue à partir d'un mélange d'argile, d'eau et éventuellement d'une charge utilisée en petite quantité (paille hachée par exemple). Elles sont moulées à partir d’une terre malléable souvent ajoutée de paille et sont fabriquées manuellement à l’aide de moules à formes prismatiques variées en bois ou en métal. Actuellement, on emploie également des machines, communément utilisée dans la région de l’ouest ; Pisé : la terre est comprimée en masse avec un pilon dans des banches, couche par couche, et banchée par banchée. Traditionnellement, ces outils sont en bois ; Terre paille : la terre utilisée doit avoir une bonne cohésion ? elle est dispersée dans de l’eau jusqu’à l’obtention d’une barbotine homogène, que l’on verse sur de la paille jusqu’à enrober chaque brin. Au séchage, on obtient un matériau dont la texture est essentiellement celle de la paille ; Torchis : Technique de technique de construction du type ossature en bois - remplissage en terre, qui permet la réalisation de constructions à pan de bois, communément utilisée dans la région de l’est ; 1  Bauge : ce procédé consiste à empiler des boules de terre les unes sur les autres et à les tasser légèrement à l’aide des mains ou des pieds jusqu’à confectionner des murs monolithiques, communément utilisée dans la région du nord. II. AVANTAGES DU MATERIAU TERRE Comme avantages nous distinguons : Disponibilité (Ressource locale abondante et renouvelable donc inépuisable) ; Eco-matériau ; Régulateur thermique par inertie thermique ; Très bon isolant phonique ; Très bon absorbant et restituant d’humidité ; Ses nombreuses vertus thérapeutiques (soigne les affections de la peau, détruit les bactéries et les acariens) ; Les argiles (selon leur nature) sont utilisées pour leurs propriétés d’adsorption (adsorption de l’eau, d’espèces ioniques ou de molécules organiques) compte tenu de leur petite taille et de leur grande surface spécifique. Ces propriétés sont particulièrement importantes dans le domaine cosmétique ou pharmaceutique ou dans le domaine médical (propriétés antibactériennes). Elles possèdent également des propriétés rhéologiques (thixotropie et capacité à former des gels), des propriétés optiques (agent de blanchiment par exemple), antiagglomérant ainsi qu’une capacité à gonfler assurant une faible perméabilité et une capacité à changer de consistance au cours du séchage puis de leur cuisson. Les argiles naturelles (essentiellement le talc, le kaolin (kaolinite), les smectites (bentonite, montmorillonite), la sépiolite/ palygorskite, l’argile verte (illite), la vermiculite) sont utilisées en tant que matières premières pour la fabrication de nombreux matériaux (céramiques et matériaux réfractaires, caoutchouc, plastique, géopolymère, ciment (clinker)…), comme adsorbants, catalyseurs (raffinage du pétrole) ou support de catalyseur, comme excipient en pharmaceutique ou comme charge minérale inerte dans les peintures ou le papier, comme constituant du pigment bleu maya (mélange d’attapulgite et de feuille d’indigotier), comme agent de traitement de surface (papier),… 2 III. INCONVENIENTS DU MATERIAU TERRE On distingue : Faible capacité portante (résistance) ; Tassement excessif (compressibilité) ; Gonflement et retrait (changement de volume) ; Fissuration ; Forte conductivité hydraulique. Le problème de la terre comme matériau de construction pour l’archéologie est qu’il se dégrade plus rapidement que la pierre. IV. Genèse de la formation de la terre (sol) La terre (sol) se trouve à la surface du globe terrestre et sert de support des êtres vivants, leurs cultures et leurs ouvrages. Elle résulte d’une transformation de la roche mère sous l’influence de divers processus physiques, chimiques et biologiques liés aux conditions climatiques et à la vie animale et végétale opérant sur des temps géologiques longs. Elle est constituée physiquement de graines de tailles très variables dont les plus fins constitutifs de l’argile ont des capacités de collages importante issues de leur forte affinité avec de l’eau. Les sols ont 02 origines principales : ✓ Désagrégation des roches (altération mécanique ou physico-chimique sous l’effet des Agents naturels) ; ✓ La décomposition d’organismes vivants (végétaux comme la tourbe ou animaux comme la craie) La terre (ou sol) est le résultat d’un processus de transformation des roches au contact de l’atmosphère et des êtres vivants suivant 3 mécanismes : IV.1. Mécanisme 1 : altération de la roche mère (vents, pluies) 3  Les phénomènes de cryoclastie (Fragmentation des roches due à la succession des gels et dégels) et de thermoclastie (processus de désagrégation mécanique des roches sous l’effet des variations de température) entrent en jeu pour favorisés le mécanismes 1. IV.2. Mécanisme 2 : Poursuite d’altération des matières organiques (humus). Les produits désagrégés sont colonisés par la flore et la faune (restes d’animaux, feuilles d’arbres). Sous l’action des climats et microorganismes, nous assistons à l’enrichissement de ces sols en substances chimiques organiques qui donnent naissance à un nouveau sol qu’on appelle humus. IV.3. Mécanisme 3 : Migrations verticales des éléments solubles (nouveaux sols). Sous l’action de l’eau des pluies, la roche mère s’appauvrit en éléments solubles. Sous un climat sec à forte évaporation, on assiste à l’immigration vers la surface des éléments solubles qui s’y déposent. C’est l’enrichissement qui donne lieu à de nouveaux sols. V. Nature des constituants de la terre La terre crue est un matériau minéral granulaire, composé de matières solides (matière minérale), liquides et gazeuses. ✓ Constituants solides : La phase solide est caractérisée par la description de ses particules élémentaires (dimensions, formes, états de surface, natures chimique et minéralogique) et de leur arrangement. Les particules formées par altération physique ou mécanique sont généralement constituées de fragments de la roche mère renfermant chacun un ou plusieurs minéraux ; leur forme est régulière. Les particules résultant de l’altération chimique ont au contraire une forme irrégulière de plaquette ou de disque et sont constituées soit par des fragments de la roche mère ne comportant qu’un seul minéral, soit par des minéraux différents, formés au cours des processus de dissolution et recristallisation inhérents à l’altération chimique On distingue classiquement dans un sol trois fractions, suivant la dimension des particules. La fraction très fine est généralement dénommée « argile » en dehors de toute signification minéralogique. Elle est souvent constituée d’argiles, au sens minéralogique du terme. Il existe trois grandes familles d’argiles : les kaolinites, les illites et les smectites dont les montmorillonites. 4 L’arrangement des particules peut être caractérisé par leur degré de serrage (et, par conséquent, par le volume des vides offerts aux deux autres phases), ainsi que par l’existence éventuelle de directions préférentielles d’orientation des particules. ✓ Constituants liquides : La fraction liquide est constituée d'eaux et de corps organiques et minéraux dissous dans cette eau. Les interstices du squelette solide sont occupés en partie ou en totalité par de l’eau. Cette eau n’est en général pas pure : elle contient des électrolytes dissociés en cations et anions (son pH est alors acide ou basique), des matières organiques et des colloïdes en suspension et, dans certains cas, des gaz dissous ✓ Constituants gazeux : Dans les sols non saturés, la phase gazeuse est présente dans tout ou partie des pores sous forme d’un mélange d’air, de vapeur d’eau, de gaz carbonique et d’autres gaz. Les sols saturés peuvent aussi contenir du gaz, mais sous forme de bulles ou en dissolution dans l’eau. Les constituants gazeux sont des gaz qui proviennent des corps en décomposition (air, méthane,…). La fraction gazeuse est constituée d'azote, d'oxygène, de gaz carbonique. La coexistence, dans le matériau, de trois phases présentant de grandes différences dans leurs propriétés physiques et mécaniques et explique la complexité du comportement mécanique des sols. VI. Domaines d’utilisation des matériaux de construction La terre peut être utilisée comme ; Matériau support des fondations d’ouvrages ; Eléments de stockages des déchets industriels et nucléaires, etc… : 5  Matériau de construction (éléments de construction, barrages, remblais…); Dans le domaine du génie civil et de la construction, le champ d’utilisation des argiles est vaste tant leurs propriétés sont intéressantes et leur disponibilité quasi illimitée. Les argiles sont utilisées pour leurs propriétés remarquables : Comme matière première pour des matériaux de construction : brique, tuile ou matériau terre crue pour la construction, source d’alumine et de silice dans la fabrication par calcination du clinker, de la fibre de verre, de liant géopolymérique et de pouzzolane (ces derniers sont des alternatives au ciment portland), dans la fabrication du plâtre, de granules pour revêtements de toiture (kaolinite)… Pour sa rhéologie (thixotropie) : les montmorillonites (bentonites) sont utilisées pour la réalisation d'ouvrages de travaux publics principalement le creusement des tunnels par tunneliers à pression de boue et l’exécution des excavations dites à parois moulées. En raison de sa rhéologie, la bentonite a un comportement thixotrope. En effet, de petites quantités de bentonite en solution aqueuse forment un mélange visqueux, dont la viscosité baisse lorsque l'effort mécanique qui lui est appliqué augmente. Aussi, elle est capable de laisser sa place rapidement et facilement aux bétons coulés au niveau des parois. Les montmorillonites (bentonite) servent également aux préparations des fluides de forage pour la tenue des parois et l'évacuation des matières forées (forages d'eau, forages géothermiques, forages pétroliers ou d’extraction du gaz). Produit d’étanchéification grâce à ses propriétés de gonflement ce qui induit une faible perméabilité. Les bentonites sont utilisées pour former des bouchons de scellement des galeries et des puits en contact avec les aquifères encaissant. Ce matériau sert d’obturateur d'urgence lorsqu'un forage traverse accidentellement le plancher d'un aquifère et que des pertes d’eau importantes (potentiellement polluantes pour les nappes) ont lieu dans les terrains sous-jacents. Les montmorillonites (bentonites) sont utilisées comme matériaux d’imperméabilisation des bassins pour retenir l’eau (notamment avec le développement et la commercialisation de géosynthétiques bentonitiques). Les argiles gonflantes se retrouvent dans la construction de digues ou les cœurs de barrage (noyau recouvert d’enrochement), ou bien en produit d’injection pour combler les vides souterrains (ex. : carrières de Paris). Il s’agit dans ce cas de coulis de ciment et de bentonite (pouvant atteindre 10%). Enfin, l'emploi des argiles gonflantes (bentonite) est très étudié pour le remplissage des galeries des dépôts souterrains de déchets radioactifs de haute activité. La faible perméabilité à l'eau et la forte sorption des radionucléides à la surface des minéraux argileux en font un matériau de choix pour le confinement des 6 déchets radioactifs. Parallèlement à la technologie des barrières perméables réactives (BPR) positionnées sur le trajet d’un panache de pollution dans le sol, les bentonites en mélange avec le sol (technique du tranch mixing) peuvent être utilisées comme produit de scellement pour assurer une barrière physique contre un écoulement d’eau. La vermiculite possède quant à elle des propriétés d'expansion sous l'effet de la chaleur (exfoliation), et est principalement utilisée pour ses propriétés d’isolation et de faible densité. On la retrouve comme additif pour l'ignifugation de plâtres, mortiers, bétons mais également comme substrats pour les terres de culture ou en hydroponie. La palygorskite a été utilisée comme additive au mortier de chaux avec du métakaolin pour la restauration de mortier sur des monuments anciens (Andrejkovičová et al. 2013). Enfin, les billes d’argile expansée sont couramment utilisées comme granulats légers (bétons légers et végétalisation) ou comme isolants (mélangée à du ciment pour former des dalles de plancher), ou comme matériau drainant. Ce ne sont que quelques utilisations des argiles dans le domaine du génie civil. Cependant de par leurs propriétés remarquables exploitées dans de nombreuses applications industrielles, les argiles (et notamment les argiles gonflantes) sont à l’origine également de nombreux désordres. En effet, les matériaux argileux, sensibles aux variations hydriques, peuvent causer des désordres tant au niveau des constructions bâties sur sols argileux que des infrastructures de type remblais, des couches bitumineuses ou des bétons incorporant des sables argileux. Comprendre et remédier aux pathologies initiées par les argiles dans le génie civil constituent le fil conducteur dans la plupart des études que je vais présenter dans ce mémoire. Mon approche des problèmes 9 engendrés par les argiles reste assez ‘naturaliste’ car elle est basée sur l’observation des phénomènes avec une approche expérimentale à plusieurs échelles des matériaux. La difficulté réside dans leur complexité avec des matériaux polydisperses et polyphasiques. Je tente d’expliquer la cause des phénomènes observés à partir des données recueillies dans la littérature, des notions fondamentales souvent interdisciplinaires en physico-chimie des matériaux, des surfaces et des solutions. VII. Rappels de quelques paramètres physiques du sol 7 Representation conventionnelle d’un volume de sol ( Poids et volumes des différentes phases) Notations conventionnelles : 8 1. Paramètres sans dimension === caractérisation de l’état du sol relations volumiques 9  2. Les poids volumiques W : weight, w pour water, d pour dry. 10 11 3. Les relations entre les paramètres 12  Valeurs du poids volumiques, indice des vides et porosité de certains sols Huogh, 1957 Hansbo, 1975 4. Effet de l’eau et de l’air sur les propriétés d’une terre 13 14