Programme UE Construction en Terre 1 PDF

UE CONSTRUCTION EN TERRE 1 PROGRAMME Chapitre I: le matériau terre 1.1 Définitions 1.2 Genèse de la formation de la terre 1.3 Constituants du sol 1.4 Rappels de caractéristiques physiques 1.5 Effets de l’eau et de l’air 1.6 Caractéristiques mécan...

UE CONSTRUCTION EN TERRE 1 PROGRAMME Chapitre I: le matériau terre 1.1 Définitions 1.2 Genèse de la formation de la terre 1.3 Constituants du sol 1.4 Rappels de caractéristiques physiques 1.5 Effets de l’eau et de l’air 1.6 Caractéristiques mécaniques 1.7 Avantages et inconvénients du matériau Chapitre II: Essais d’identification Chapitre III: Stabilisation Chapitre IV: Mode d’utilisation de la terre Chapitre V: Procédés de fabrication, technologie et construction Chapitre VI: Dispositions constructives BIBLIOGRAPHIE 1. Matériaux et éléments de construction, A.KOMAR (ed.Mir, MOSCOU, Russie, 539p) 2. Produits de terre cuite, Jean Sigg, ed. SEPTINA-Paris 3. Toitures en terre, tome 1 et tome 2, M. Olivier 4. Traité de la construction en terre, HUGO HOUBEN et Hubert GUILLAUD (Ed. Parenthèses, Marseille 1989) Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 1 CHAPITRE I: LE MATERIAU TERRE Définitions Genèse de la formation de la terre Constituants du sol Rappels de caractéristiques physiques Effets de l’eau et de l’air Caractéristiques mécaniques Avantages et inconvénients du matériau 1.1 Introduction/Définitions  Le sol supporte les fondations d’ouvrages  Contient des ouvrages souterrains (tunnels)  Reçoit des matériaux à stocker (déchets industriels et nucléaires)  Sert à extraire des minérales et autres ressources de production de l’énergie et des matériaux  Sert comme matériau de construction (ELEMENTS DE CONSTRUCTION ; barrages, remblais) Terre comme matériau de construction : 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 Il existe de très nombreuses variantes dans l’utilisation de la terre comme matériau de construction, qu’on peut diviser en deux grandes familles: la terre cuite (sous forme de briques et de tuiles) et la terre crue. La terre cuite est une matière obtenue par la cuisson d'argile (ou glaise). Elle est utilisée pour réaliser des poteries, des sculptures et comme matériau de construction pour la fabrication de briques, tuiles ou carreaux. La terre crue est le terme utilisé pour désigner la terre, utilisée avec le moins de transformations possible en tant que matériau de construction. La terre crue se décline suivant les types suivants: Le pisé; Le torchis; l'adobe, le bloc de terre comprimé (BTC). Le pisé consiste à battre, lit par lit, entre des planches, à l’épaisseur des murs ordinaires, de la terre préparée à cet effet procédé d’après lequel on construit la maison, sans aucune pièce de bois (structure), et sans la mélanger de paille ni de bourre. Torchis: technique de construction du type ossature en bois - remplissage en terre, qui permet la réalisation de constructions à pan de bois Adobe ou banco : 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). Le bloc de terre comprimé (BTC): terre mélangée éventuellement à une certaine quantité de stabilisant, homogénéisée et comprimée dans un moule puis démoulée (résistance assez élevée, peut être immédiatement superposés les uns sur les autres, économie de la surface de séchage et de stockage. Problèmes typiques du matériau terre  Faible capacité de portance (résistance)  Tassement excessif (compressibilité);  Faible perméabilité (conductivité hydraulique) Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 2   Gonflement et retrait (Changement de volume)  Fissuration Le problème de la terre comme matériau de construction pour l'archéologie est qu'il se dégrade plus rapidement que la pierre. 1.2 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. Les sols et les roches se présentent sous forme d’agrégats de particules généralement minérales, mais parfois organiques, de taille et de forme variables. La nature et l’intensité des forces qui lient les particules de l’agrégat dépendent de la nature du matériau. 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) On distingue aussi  Sols résiduels et sols transportés  Formations géologiques des roches tendres. 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: Mécanisme 1 : altération de la roche mère (vents, pluies) Vents, soleil, Altérations froid Roche mère chimiques et Terre, mtx meubles, mécaniques roches et sols désagrégés Pluies Action, biodiversité érosion transport formation de nouveaux sols 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 des ces sols en substances chimiques organiques qui donnent naissance à un nouveau sol qu’on appelle humus. 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. Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 3 1.3 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 montmorillonites. 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. Les constituants solides sont des constituants organiques (formés des végétaux et animaux vivants ou non et non décomposés) ou minéraux (roches mères) insolubles dans l’eau. la fraction solide est constituée de grains: cailloux, de graviers, de sables, de silts, d'argiles, des limons et d'oxydes métalliques qui ont des propriétés colorantes. Classes granulaires : cailloux (taille supérieure à 20mm), de graviers (de 20 mm à 5 mm), de sables (5 mm à 0,06 mm), de silts (0,06 mm à 2 µm), d'argiles (plaquettes de taille inférieure à 2 µm), des limons (entre 0.002 et 0.02 mm) et d'oxydes métalliques (inférieure à 2 µm) Dimension D des particules Fraction du sol Forme des grains Nature des minéraux D > 80 μm grenue régulière minéraux d’origine 2 μm < D < 80 μm fine plaquette ou disque D < 2 μm très fine ou argileuse plaquette ou disque minéraux d’origine ou néo-formés LES CONSTITUANTS SOLIDES proviennent de la pluie et suivant les conditions climatiques, d’apport d’êtres vivants des roches en décomposition, des corps organiques solubles dans l’eau (sucres, alcools, acides organiques) et les corps organiques non solubles dans l’eau.  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. Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 4 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. 1.4 Rappels de Quelques paramètres physiques du sol Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 5 L’accélération due à la pesanteur g, dont la valeur exacte est proche de 9,806 m/s2, souvent arrondie à 9,81 m/s2, est habituellement fixée à 10 m/s2 en mécanique des sols, pour simplifier les calculs. Le poids volumique de l’eau est alors égal à γw = 10 kN/m3. De plus, la masse volumique des minéraux qui constituent les particules de la plupart des sols est en général proche de 2,65 ou 2,7 t/m3 (26 à 27 kN/m3 ; 1kgf=10N). Mais les sols organiques ont des masses volumiques plus faibles. Enfin, on néglige toujours la masse de l’air présent dans le sol : ρa ≈ 0. Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 6 Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 7 Pour caractériser complètement un sol la connaissance de trois paramètres indépendants est nécessaire, le poids volumique de l'eau étant connu par exemple: - un paramètre quantifiant le poids volumique: γ ou γs ou γd, - un paramètre quantifiant I’ importance des vides: e ou n, - un paramètre quantifiant la présence d'eau: w ou Sy (degré de saturation). NB : le poids volumique des particules solides (en dehors des particules organiques et métalliques varie entre des limites assez proches (26 kN/m γ. < 27 kN/m3). On peut donc le considérer pratiquement comme constant (on prend en général γs = 26,5 kN/m3). Dans ce cas les paramètres variables et indépendants d'un sol se réduisent à deux. a) Déterminations de quelques caractéristiques physiques du sol (méthodes expérimentales) Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 8 Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 9  b) Valeurs du poids volumique, indice des vides et porosité de certains sols Poids volumique (KN/m3) Indice des vides e Porosité n (%) Type de sol γd max γd min γ max e max e min n max n min Gravier 23 15 24.3 0.77 0.15 44 13 Grave limoneuse 22 17 23.6 0.57 0.2 36 17 Grave argileuse 21.5 17 23.4 0.57 0.24 36 19 Sable 22 15 23.7 0.77 0.2 44 17 Sable limoneux 20 14 22.5 0.91 0.34 48 25 Sable argileux 20 14 22.5 0.91 0.34 48 25 Limon inorganique 19.5 13 22.1 1.04 0.34 51 26 Limon organique 17 6.5 20.9 3 0.55 75 35 Argile inorganique 19 8 22.9 2.38 0.42 70 30 Argile organique 16 5 20 4.40 0.7 81 41 Hough, 1957, Hansbo, 1975 Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 10  1.5 Effet de l’eau et de l’air sur les propriétés d’une terre L’air ne participe pas à la résistance mécanique de la terre. Il doit être réduit si possible car des microorganismes peuvent se développer et détruire certaines composantes des matériaux de construction. L’eau joue un rôle important dans la détermination des propriétés d’une terre (équivalence de sables, limite de plasticité). Il existe cinq types d’eaux: Type d’eau Mouvance/localisation élimination Eau libre Elle se meut par Gravitation ou capillarité au gré des Températures ambiantes entre mouvements de la nappe phréatique, de la pression 25 et 26 ° C atmosphérique et de la température Eau Très petits corps où les forces de capillarité sont supérieurs aux Températures normales après interstitielle forces hydrodynamiques un long séchage ou à l’étuve entre 50 et 120 °C Eau des Elle se présente sous Forme d’un film autour des particules Températures ambiantes solutions solides et retenues à la surface par des forces polaires électrostatiques Eau adsorbée Elle se présente sous forme d’un film très fin sur les surfaces Entre 100 et 200° C internes et externes des particules, elle est retenue par des forces si puissantes qu’elle ne peut se mouvoir Eau des - 600°C Ce sont des Groupes hydroxydes OH faisant partie du réseau structures des cristallines solides. La présence de l’eau en définitive dans la terre peut conduire à l’augmentation: de la cohésion (en présence des limons/argiles); du gonflement (argiles); du retrait, de la plasticité. Les quatre états hydriques sont: solides, semi-solides, plastiques, liquides (sans importance en construction). Les limites entre les principaux états hydriques (solide, plastique, liquide) sont déterminées par les essais appelés "limites d'Atterberg". 1.6 Résistance mécanique du matériau terre: Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 11  Lors de l’application d’une force sur un élément, un ensemble de forces intérieures naissent pour équilibrer la force extérieure. L’intensité de ces forces est appelée contrainte (compression, traction, cisaillement, flexion) [σ] = kgf/cm2 ou Bar (actuellement MPa) 1MPa= 10 Bars. 1 Pa = 1 N/m² Pascal 1 MPa = 1 N/mm² =10 N/mm² Méga-pascal 6 La terre crue est un matériau s'apparentant aux bétons. Du point de vue mécanique, elle fonctionne comme ces derniers, uniquement en compression. La terre mise en œuvre de manière homogène (pisé) a généralement une résistance à la compression d'environ 20 kg/cm² (2 MPa). Les éléments de maçonnerie (adobes) ont des résistances à la compression pouvant aller de 20 à 50 kg/cm² (2 à 5 MPa). Les valeurs de résistance à la traction, à la flexion et au cisaillement sont très faibles. L'adjonction d'éléments fibreux (paille) permet de conférer au mélange une certaine résistance en traction, flexion et cisaillement, mais qui reste tout de même négligeable. Grandeur sable argiles physique kaolinite Illite (comportement Montmorillonite (stable au intermédiaire) comme latérite (gonflement, contact de (Masse volumique entre 2500 retrait important) l’eau) et 3600 kg/m3) Chaleur 0.191kcal/kg 0.23kcal/kg °C spécifique °C Retrait 3 à 10 % 4 à 11 % 12 à 23% linéaire Resistance 0.71 à 50 bars 15 à70 bars 20 à 60 bars sèche Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 12 Capacité thermique (en kJ/m³.°C) : capacité à emmagasiner de la chaleur par rapport à son volume. Effusivité thermique: (en J/(racine carrée de la capacité thermique).m².°C) : rapidité avec laquelle un matériau absorbe des calories Conductivité thermique ou Conductibilité thermique: est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction, exprimée en watts par mètre par kelvin, (W·m-1·K-1) Pour une terre à 1500 kg/m³: Conductivité (en W/m.°C) = 0,75 ; Chaleur spécifique (en J/kg.°C) = 900 ; Capacité thermique (en kJ/m³.°C) = 1350,Effusivité thermique = 1,00 ; Pour le pisé à 2000 kg/m³, une capacité thermique de 1800 kJ/m³.°C. Pour les blocs de terre cuite, la diffusivité thermique : 2.53x10-3m2/h à 5.92x10-3m2/h 1.7 Avantages écologiques du matériau terre - La terre absorbe et restitue l’humidité. - La terre régule la température par inertie thermique. - La terre est un très bon isolant phonique. - La terre utilise peu d’eau en phase de transformation. - La construction en terre crue n’utilise que 3% de l’énergie employée dans une construction en béton - La terre est une ressource locale abondante et renouvelable (inépuisable). La terre a des vertus thérapeutiques, soigne les affections de la peau, détruit les bactéries et les acariens. En fonction des exigences du projet, les propriétés de la terre peuvent être améliorées. Il est nécessaire de déterminer au préalable à l’identification du matériau. Technologie PISE Adobe BTC BTS ciment Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 13 Teneur en eau Inf A 16% Plastique avec plus Inf A 16% de 13 % d’eau matieres argileuses peu assez Limite de liquidite entre 23 et 40 30 et 50 25 et 50 20 et 50 Indice de plasticitE (%) entre 8 et 30 18 et 35 5 ET 30 Inf A 20 Fuseau 0 et 35 % de matieres 10 et 25 10 et 35 0 et 15 argileuses Le chapitre suivant présente les essais d’identification de la terre. EXERCICES (cf DOC 1-3). Notes de cours CT1 2016/2017-Dr MANJIA Page 14