Materials and Structures / Matériaux et Constructions, Vol. 36, August-September 2003, pp 453-460

1359-5997/03 © RILEM 453

RÉSUMÉCet article présente une étude expérimentale portant sur la

caractérisation de matériaux locaux utilisés dans l’isolation thermique des bâtiments. Ces matériaux sont des briques de terre compressées et stabilisées au ciment. La conductivité thermique et la chaleur spécifique de matériaux à base de latérite incorporant de la pouzzolane et de la sciure de bois a été déterminée. Les résultats montrent que les blocs en latérite + pouzzolane ou en latérite + sciure de bois sont meilleurs isolants thermiques que les blocs en latérite simple. Cependant, ces matériaux composites utilisés pour l’enveloppe du bâtiment doivent avoir des résistances mécaniques suffisantes pour être utilisés dans la construction. La mesure des propriétés mécaniques telles que la résistance à la compression et la résistance à la traction a montré un faible écart entre les résistances des trois types de matériaux étudiés. Les résistances en traction de la latérite et de la latérite + pouzzolane sont voisines et environ deux fois plus élevées que celle de la latérite + sciure de bois. Ces résultats permettent de préciser les conditions d’utilisation optimale de ces matériaux pour l’enveloppe du bâtiment.

ABSTRACTAn experimental study was carried out in order to

determine the properties of local materials used for building thermal insulation. Cement stabilised compressed clay bricks were tested. The thermal conductivity and specific heat of laterite based materials incorporating pouzzolane or sawdust was determined. The experimental results showed that pouzzolane + laterite bricks or sawdust + laterite bricks give better thermal insulation than simple laterite bricks. However, these composite materials used for building shielding must present sufficient mechanical strength to be suitable for constructions. The measurement of mechanical properties such as compressive strength and tensile strength showed little difference between the strength of the three studied materials. The tensile strengths of the laterite and the laterite + pouzzolane bricks were similar. They were about two times that of the laterite + sawdust bricks. The obtained thermal and mechanical results permit to specify the optimal use conditions of the tested materials.

NOMENCLATUREC1 : Coefficient global de perte à travers les parois, W/K E : Épaisseur de l’échantillon, m Fc : Effort de rupture en compression, kN Ft : Effort de rupture en traction par flexion, kN Ftf : Effort de rupture en traction par fendage, kNmh : Masse humide de l’échantillon, kg ms : Masse sèche de l’échantillon, kgR : Résistance de l’émetteur de chaleur, Rc : Résistance en compression, MPaRt : Résistance en traction par flexion, MPa Rtf : Résistance en traction par fendage, MPaS : Surface des faces de l’échantillon, m2

TA : Température ambiante dans la salle, KTB : Température ambiante à l’intérieur de la boîte, K TC : Température de la face chaude, KTF : Température de la face froide, K V : Tension aux bornes de l’émetteur de chaleur, V

j : Puissance calorifique produite par l’élément chauffant, W : Teneur en eau, %

c : Flux conductif à travers l’échantillon, W d : Déperdition thermique de la boîte, W

e : Conductivité thermique de l’échantillon, W/m°C

1. INTRODUCTION

L’un des buts principaux de la construction des bâtiments est de mettre les occupants à l’abri des effets climatiques (chaud, froid) en créant un microclimat intérieur satisfaisant pour l’exercice de diverses activités. L’isolation thermique doit répondre à ce but. Il s’agit de protéger les occupants de manière automatique et passive des facteurs climatiques : pluie, vent, rayonnement solaire direct, rayonnement chaud ou froid de diverses parois. Le concepteur doit aussi faire en sorte que la consommation d’énergie (production de chaud ou de froid) reste dans les limites fixées par les règlements et les possibilités financières des occupants, tout en assurant un niveau de confort défini par le maître d’ouvrage. L’évolution

P. Meukam1, A. Noumowe2, Y. Jannot1 et R. Duval2

(1) Laboratoire d’Energétique. Ecole Nationale Supérieure Polytechnique, Université de Yaoundé, Cameroun (2) Laboratoire de Modélisation, Matériaux et Structures, U.M.R. CNRS N°7143, Université de Cergy Pontoise, France

Caractérisation thermophysique et mécanique de briques de terre stabilisées en vue de l’isolation thermique de bâtiment (Thermophysical and mechanical characterization of stabilized clay bricks for building thermal insulation)

Meukam, Noumowé, Jannot, Duval

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des techniques et le développement de nouveaux matériaux de construction contribuent à l’amélioration du confort thermique des usagers des bâtiments. Certains matériaux naturels encore mal connus peuvent entraîner une diminution des dépenses énergétiques des bâtiments par une meilleure qualité d’isolation et contribuer ainsi à la protection de l’environnement.

La terre est un matériau naturel disponible en abondance et facilement recyclable. Elle n’implique souvent ni achat, ni transport, ni transformation importante. On estime qu’actuellement le tiers de la population mondiale habite dans des maisons à base de terre [1]. L’architecture en terre crue est utilisée assez largement dans les régions sèches de la planète. Par contre, la construction en terre est peu durable dans les régions pluvieuses. Contrairement aux matériaux et produits semi-finis dont la fabrication industrielle exige énormément d’énergie, le matériau terre nécessite très peu d’énergie de production. La fabrication d’un mètre cube de béton requiert 400 à 800 kWh. La terre, matériau naturel, ne requiert que 5 à 10 kWh par mètre cube [2]. Le regain d’intérêt pour le matériau terre a suscité un certain nombre de travaux scientifiques depuis de nombreuses années, et même dans les travaux publics (barrages). Des études ont été faites sur des briques de terre stabilisée (BTS) qui résistent mieux à l’eau que la simple terre comprimée et/ou bien dans les paroisses épaisses intérieures constituants des « volants » thermiques intérieurs exposés aux actions extérieures et fonctionnant par inertie thermique grâce à leur chaleur spécifique. Hakimi et al. [3], Heathcote et al. [4] se sont intéressés aux propriétés mécaniques des blocs de terre comprimée. D’autres auteurs comme Abla Chaker et al. [5] ont mesuré leurs propriétés thermophysiques.

Le but de ce travail de recherche est de caractériser des matériaux naturels disponibles localement en vue de leur utilisation dans l’isolation thermique de bâtiments. L’objectif final étant double : d’une part valoriser des matériaux locaux et d’autre part faire baisser les dépenses énergétiques (climatisation et chauffage), contribuant ainsi à un environnement durable.

Dans les climats tropicaux, il faudrait distinguer les conditions de confort relatives au climat tropical humide et celles relatives au climat tropical sec, qui imposent des conceptions de bâtiments très différentes et donc des matériaux appropriés très différents. Les Tableaux 1 et 2 [6] présentent les conditions intérieures de confort optimal pour des villes en climat tropical humide et en climat tropical sec et des conditions de confort thermique. En climat tropical humide, la ventilation naturelle grâce à des bâtiments largement ouverts sur l’extérieur permet de maintenir les conditions de confort thermique sans recourir à la climatisation artificielle. En effet, du point de vue du confort thermique, l’augmentation de la vitesse de l’air améliore la convection et l’évaporation au niveau du corps humain. Les briques de terre stabilisée sont souvent utilisées pour la construction de bâtiments dans les régions de climat tropical humide.

Les briques de terre sont très utilisées au Cameroun. Leurs propriétés thermophysiques restent assez mal connues. L’étude expérimentale a porté sur des matériaux locaux camerounais : latérite, pouzzolane naturelle, sciure de bois où la terre est stabilisée avec une faible quantité de ciment et/ou de

pouzzolane naturelle. Les propriétés thermiques et mécaniques (résistance en compression et résistance en traction) des matériaux étudiés ont été mesurées lors d’essais sur des éprouvettes confectionnées en laboratoire. Les résultats obtenus permettent d’avancer des hypothèses sur l’utilisation optimale de ces matériaux.

2. CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX UTILISÉS

Les matériaux utilisés pour réaliser les trois types de briques de terre sont : la latérite, le ciment, la pouzzolane naturelle et la sciure de bois. Dans une étude ultérieure une attention devra être accordée aux BTS avec ajout de sciure de bois dans la mesure où les risques de pourrissement et d’attaque des termites existent si les blocs ne sont pas minéralisés.

2.1 La latérite La latérite retenue pour cette étude a été étudiée à l’École

Nationale Supérieure Polytechnique de Yaoundé. Les essais d’identification réalisés par Dongmo [7] ont porté sur l’analyse granulométrique, les limites d’Atterberg et l’essai Proctor. Le pourcentage de fines est de 11 %. Il a donc fallu apporter une correction pour que cette latérite respecte le critère de granulométrie de Remillon et Cratère à savoir : la proportion des fines doit être comprise entre 15 et 30 %. L’indice de plasticité de cette latérite est de 15,46 %.

2.2 Le ciment Le liant hydraulique utilisé est le ciment CIMENCAM

325 de l’usine de Douala. Il est composé de 80 à 85 % de clinker, 10 à 15 % de pouzzolane naturelle de Djoungo (localité faisant partie de la région montagneuse de l’Ouest du Cameroun) et de 5 % de gypse.

2.3 La pouzzolane La pouzzolane naturelle utilisée est issue du site de

Djoungo. D’après l’étude faite par Bidjocka [8], la porosité des grains est de 0,49 tandis que sa masse volumique absolue est de 2850 kg/m3. La teneur en eau varie selon la position du point de prélèvement qui peut se trouver soit en superficie soit en profondeur. La distribution de la taille des pores dans les grains est variable au sein d’un granulat donné. L’essentiel des

Tableau 1 - Conditions intérieures de confort optimal recommandé Zones

climatiquesPays Ville de

référenceTempérature

(°C)Humidité

Relative (%) Cameroun Douala 26 51,3 Côte d’Ivoire Abidjan 24,5 65

Tropical humide

Nigéria Lagos 26 50 Cameroun Garoua 28,5 51,9 Tropical sec Côte d’Ivoire Korghoro 26,5 50

Tableau 2 - Zones de confort thermique Douala 23,9 < T < 28,3 °C HR = 60 % à 28,3 °C HR = 70 % à 23,9 °C Abidjan 24,2 < T < 28 °C HR = 71 % à 28 °C HR = 58 % à 24,2 °C

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pores inclus dans les granulats ont des diamètres qui varient de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres. L’analyse chimique de cette pouzzolane est présentée dans le Tableau 3.

La masse volumique apparente des granulats est utile pour la détermination de la masse des granulats à mettre en œuvre dans la fabrication des bétons. Différentes masses volumiques de la pouzzolane utilisée dans cette étude ont été évaluées ainsi que la teneur en eau à l’état naturel [8]. Les résultats sont présentés dans le Tableau 4.

h : masse volumique apparente des granulats à l’état naturel (les vides intergranulaires sont pris en compte),

g : masse volumique réelle des granulats prémouillés les vides intergranulaires ne sont pas pris en compte),

vhg : masse volumique vraie mesurée au porosimètre à mercure, hg : masse volumique apparente mesurée au porosimètre à

mercure,a : masse volumique absolue des grains mesurée au picnomètre,

e : porosité des grains, w : teneur en eau des granulats à l’état naturel.

La porosité des grains de pouzzolane, volume de vide dans l’unité de volume réel, est donnée par la relation :

a

gae

La pouzzolane naturelle utilisée est constituée de scories basaltiques riches en alcalis et présente une phase vitreuse. Sa teneur en alcalis équivalente Na2O (Na2O + 0,66K2O) % est de 4,46. Cette pouzzolane manifeste une forte activité pouzzolanique et particulièrement à long terme. Les échantillons contenant des granulats de cette pouzzolane semblent manifester un retrait dans les solutions de NaOH et KOH ainsi que dans les bains de nitrites. Cette pouzzolanicité rend leur usage avantageux en cimenterie ou elles serviraient comme ajouts réactifs.

2.4 La sciure de bois La sciure de bois blanc a été choisie en raison de sa

disponibilité. Le bois étant un matériau fibreux et plus léger

que la terre, son incorporation a pour objectif d’obtenir un matériau plus léger et

meilleur isolant thermique que la terre comprimée.

3. CONDUCTIVITÉ THERMIQUE DES MATÉRIAUX ÉTUDIÉS

3.1 Description du dispositif expérimental de mesure

Un schéma de l’équipement utilisé pour la mesure de la conductivité thermique est présentée sur la Fig. 1. C’est une enceinte isotherme dont le fond est muni d’un échangeur de chaleur. Il contient de l’eau glycolée maintenue à basse température par un cryostat.

3.2 Principe de la méthode La mesure de la conductivité thermique est basée sur le

transfert thermique en régime stationnaire. Soit : - l'effet Joule produit par l'élément chauffant C :

RV

J

2

(1)

- les déperditions thermiques à travers la boîte B :

)(1 amBd TTC (2)

- et le flux conductif à travers l'échantillon :

)( FCé

C TTeS

(3)

Le flux J compensant les déperditions d et la conduction C ( J = d + C ), les équations (1), (2) et (3) conduisent à

l’expression de la conductivité thermique sous la forme :

)()( 1

2

ABFC

TTCR

VTTS

e (4)

Pour une boîte en contreplaqué avec du styrodur comme isolant et dont les épaisseurs sont respectivement de 1 et 4 cm, le coefficient de déperdition C1 vaut 0,16 W/K [9].

La conductivité exprimée par l'équation (4) est bien une conductivité thermique mesurée lorsque le régime permanent est atteint. Le quintuplé (TA, TB, TC, TF, V) est mesuré toutes les heures au début de l’essai, puis toutes les cinq minutes dès que le régime permanent est atteint. Un relevé de douze quintuplés en régime permanent permet de déterminer la conductivité thermique du matériau étudié.

Tableau 3 - Analyse chimique de la pouzzolane naturelle de Djoungo Constituants SiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 P.F. Total

% 45,79 15,68 12,83 0,17 6,26 9,60 3,54 1,39 2,84 0,60 0,31 99,01

Tableau 4 - Masses volumiques (kg/m3), porosité et teneur en eau de la latérite utilisée

h g vhg hg a e w (%) 720 1440 2780 1460 2850 0,49 6

Fig. 1 - Vue en perspective du dispositif "des boîtes".

Meukam, Noumowé, Jannot, Duval

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3.3 Fabrication des éprouvettes Le dispositif expérimental de fabrication des éprouvettes

comprend le moule métallique avec ses accessoires et la presse hydraulique. Le moule est fabriqué avec une tôle en acier d’épaisseur 8 mm pour pouvoir supporter la pression de compactage sans déformation. Les ouvertures sur le couvercle et le fond du moule permettent son remplissage et le démoulage de l’éprouvette à la fin du compactage. Deux plaques métalliques coulissant à l’intérieur du moule permettent de bien aplatir les surfaces de l’éprouvette. Deux planches d’épaisseur 8 cm servent de socle.

La presse hydraulique utilisée pour le compactage est adaptable pour les essais de compression, de fendage et de flexion.

TamisageUn double tamisage de la pouzzolane a été effectué afin de

ne retenir qu’une granulométrie de diamètres compris entre 4 mm et 12,5 mm. Cette granulométrie permet d’éliminer les fines de pouzzolane qui ne sont pas assez poreuses. En effet, la présence des pores (remplis d’air) dans les granulats de pouzzolane contribue à abaisser la conductivité thermique du matériau et à en faire un meilleur isolant thermique. Par ailleurs la résistance mécanique augmente avec les fines de pouzzolane du fait de la diminution du volume d’air. Une granulométrie de diamètres compris entre 4 mm et 12,5 mm a été choisie dans le souci de trouver un compromis entre une bonne isolation thermique et une résistance mécanique acceptable pour des bétons.

La granulométrie de la latérite utilisée est inférieure à 12,5 mm.

Préparation du mélange à compacterAprès le séchage des matériaux et pour réaliser le

compactage, de l’eau est ajoutée au mélange de ciment et de latérite jusqu’à la consistance désirée. La quantité d’eau nécessaire pour obtenir cette consistance varie entre 18 et 25 % de la masse totale.

Teneur en eau Avant de procéder au compactage d’une éprouvette, la

teneur en eau du mélange est déterminée. La teneur en eau de chaque éprouvette est également déterminée juste après la mesure de sa conductivité thermique.

Les éprouvettes sont de forme parallélépipédique de dimensions 27 cm x 27 cm x e, avec e l’épaisseur de l’échantillon. L’épaisseur des éprouvettes fabriquées varie entre 3,75 et 5,5 cm. La composition des mélanges est indiquée dans le Tableau 5.

L’essai d’absorption d’eau est destiné à déterminer la quantité d’eau absorbée par capillarité. Cet essai consiste à mesurer l’accroissement de la masse de l’éprouvette placée dans un récipient dont le niveau d’eau est maintenu à 1 cm au dessus de la face inférieure de l’éprouvette. On en déduit le temps au bout duquel l’éprouvette est saturée en eau. Cet essai a permis de fixer la teneur en ciment des matériaux étudiés.

Des essais préliminaires ont permis de déterminer l’évolution du taux d’absorption d’eau en fonction de la teneur en ciment pour différentes durées d’expérimentation. La Fig. 2 présente les résultats. On constate que pour une teneur en ciment allant de 4 à 7 %, le taux d’absorption d’eau diminue fortement. Pour toutes les durées d’exposition, ce taux d’absorption d’eau demeure stable lorsque la teneur en ciment dépasse 7 %. Sa valeur est alors

très faible (entre 0,8 et 1,2 %). Ce qui laisse supposer une meilleure durabilité du matériau pour l’enveloppe du bâtiment. Cette teneur en ciment de 7 % est cependant inférieure à la teneur en ciment minimale, qui est de l’ordre de 10 %, nécessaire pour stabiliser mécaniquement les briques [10, 11].

Les éprouvettes ont été testées à différentes valeurs de pression de compactage afin de prendre en compte l’influence du compactage sur les propriétés mesurées. La Fig. 3 présente une éprouvette de chacun des trois mélanges étudiés. Sur l’une des éprouvettes (latérite + pouzzolane), on peut voir des granulats de pouzzolane entre les fines de latérite.

3.4 Résultats des mesures de conductivité thermique

Il est nécessaire que le régime permanent soit atteint pour relever les températures en vue de la détermination de la conductivité thermique. Dans nos conditions expérimentales, ce régime est atteint environ six heures après le début de l’essai.

La teneur en eau du mélange est préalablement déterminée avant le compactage puis à l’issue de la mesure de la conductivité thermique au sein de l’éprouvette. Pour chacun des mélanges, trois échantillons ont été testés. Le Tableau 6 indique les valeurs obtenues pour la conductivité thermique en fonction des caractéristiques des mélanges et des pressions de compactage variant entre 7 et 20 bars. Il indique aussi la teneur en eau des mélanges avant compactage et celle de l’échantillon après la mesure de conductivité thermique.

Les éprouvettes en latérite + sciure de bois sont plus épaisses que les autres en raison de leur augmentation de

Tableau 5 - Composition des mélanges étudiés Désignation

des mélangesCompositions massiques des mélanges

L 92 % latérite + 8 % ciment LZ 45 % latérite + 45 % pouzzolane + 10 %

cimentLS 81 % latérite + 9 % sciure de bois + 10 %

ciment

Fig. 2 - Taux d'absorption d'eau en fonction de la teneur en ciment pour différentes durées d’expérimentation.

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volume après démoulage. L’eau absorbée par le bois modifie ses propriétés physiques. L’augmentation du volume de l’éprouvette après compactage s’explique par le fait que la limite d’élasticité n’est pas atteinte par la pression exercée sur le mélange et que la sciure de bois a tendance à reprendre ses dimensions initiales dès que cesse l’effort de compression.

En dépit des précautions prises pour obtenir la même épaisseur de 4 cm pour toutes les éprouvettes, cette épaisseur varie après démoulage. La conductivité thermique du matériau étant indépendante de l’épaisseur de l’éprouvette, cette variation d’épaisseur n’a pas d’incidence sur les résultats expérimentaux.

Il apparaît sur le Tableau 2 que la conductivité thermique augmente avec la pression de compactage. Ce résultat est à relier directement à la diminution de porosité en fonction de la pression de compactage.

Au début des essais, les éprouvettes sèches sont placées dans une enceinte humide. On mesure leurs masses au fur et à mesure de leur humidification afin de déterminer leur teneur en eau. On détermine ensuite leur teneur en eau. Les courbes de la Fig. 4 traduisent l'évolution de la conductivité thermique du matériau en fonction de la teneur en eau où PCdésigne la pression de compactage en bars. Elles montrent clairement que la conductivité thermique s’accroît naturellement avec la teneur en eau du mélange. En effet

l’humidification croissante des matériaux se traduit par un remplacement progressif de l’air des pores par de l’eau. La conductivité thermique de l’eau (0,54 W/m.K) étant très largement supérieure à celle de l’air (0,02 W/m.K) à la même température, l’humidification entraîne une augmentation de conductivité thermique des matériaux étudiés.

4. CHALEUR SPECIFIQUE DES MATERIAUX ETUDIES

4.1 Principe de la méthode de mesure Un échantillon solide préalablement chauffé est

plongé dans un calorimètre contenant de l’eau froide. La température maximale atteinte par l’eau du calorimètre est relevée. Le bilan thermique entre

l’instant initial t = 0 (introduction du solide dans le calorimètre) et l’instant t où la température maximale dans le calorimètre est atteinte s’écrit :

t

0aemeoeeeesoss dtTTSUTTcmTTcm

(5) On déduit la chaleur spécifique du solide cs en J/kg.°C :

tdTTTT

mSUcTT

TTmmc

t

0 eso

am

se

eso

eoe

s

es (6)

ms : masse du solide (kg) me : masse de l’eau (kg) Ta : température ambiante (°C) Tm : température moyenne du mélange (°C) Teo : température initiale de l’eau (°C) Te : température d’équilibre (°C) Tso : température initiale du solide (°C) ce : chaleur spécifique de l’eau (J/kg.°C) U : coefficient global de pertes thermiques du calorimètre

(W/m2.K)S : surface d’échange (m2).

Tableau 6 - Conductivité thermique des matériaux étudiés

Teneur en eau (%)

Désignationdes

éprouvettes avant après

Epaisseur

(cm)

Massevolumique

(kg/m3)

Conductivitéthermique(W/m.°C)

L1 19 2,91 3,75 1491 0,75 L2 19 2,91 4,33 1807 0,95 L3 19 2,91 4,85 1966 1, 15

Moyenne 0,95LZ1 16 7 4,5 1329 0,65 LZ2 16 7 4,2 1576 0,69 LZ3 16 7 4,6 1643 0,71

Moyenne 0,68LS1 22 5,2 5,6 1050 0,50 LS2 22 5,2 5,5 1098 0,51 LS3 22 5,2 5,4 1207 0,65

Moyenne 0,55

Fig. 4 - Variation de la conductivité thermique en fonctionde la teneur en eau. Fig. 3 - Eprouvettes de BTS (latérite + ciment).

Meukam, Noumowé, Jannot, Duval

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Dans cette relation donnant la chaleur spécifique cs, lagrandeur me représente la masse de l’eau et la valeur en eau du calorimètre et ses accessoires.

4.1.1 Détermination de la valeur en eau du calorimètre

Une masse mec d’eau chaude à la température Tec est versée dans un calorimètre contenant mef d’eau froide à la température Tef. Si Te est la température maximale atteinte par le mélange, on a l’égalité suivante :

eececefeef TTmTTm (7)

On en déduit

efefe

eceec mTT

TTm (8)

La courbe de la Fig. 5 montre l’évolution de la température de l’eau enregistrée au cours d’un essai. La température maximale atteinte par l’eau du calorimètre est de 50 °C. Une série de mesures a permis de déterminer la valeur en eau du calorimètre et ses accessoires. Cette valeur en eau est de 60 g.

4.1.2 Détermination du coefficient global de pertes thermiques

Après l’ajout d’eau chaude, le calorimètre et l’eau qui s’y trouve sont supposés en équilibre thermique. La variation de température de l’eau est due principalement aux pertes thermiques. En effet, l’eau du calorimètre échange avec la salle d’expérience de la chaleur par conduction, rayonnement et convection. Le bilan thermique qui en résulte s’exprime par la relation suivante :

dtdTmTTU e

ae (9)

En négligeant la variation de la température ambiante de la salle Ta pendant la durée de l’expérience, l’intégration de la relation (9) donne

tmcU

TTT)t(Tln

eaeo

ae (10)

La pente de la courbe expérimentale

)t(fTTT)t(Tlnaeo

ae représentée sur la Fig. 6 permet

de calculer le coefficient U. Cette pente que l’on peut

appeler K s’écrit alors mcUK

e. On en déduit

le coefficient global de pertes thermiques U = mce.K.Les résultats de mesures donnent K = - 4. 10-5 et une surface

d’échange S =0,452 m2. Le calcul donne U = 0,563 W/m2.K.

4.2 Résultats des mesures de température et détermination de la chaleur spécifique

Les échantillons sont séchés dans une étuve avant la détermination de la chaleur spécifique. La chaleur spécifique obtenue correspond alors à celle du matériau sec. La Fig. 7 montre l’évolution de la température de l’eau du calorimètre à partir de l’instant où on y introduit l’échantillon sorti de l’étuve. Cette courbe expérimentale permet d’obtenir les valeurs de température nécessaires pour déterminer la chaleur spécifique du matériau sec.

On déduit de la chaleur massique de l’échantillon sec, celle de l’échantillon humide ayant une teneur en eau connue.

h

eess

mcmcmc

Fig. 5 - Température dans le calorimètre au cours d’un essaide valeur en eau.

y = -4E-05x - 0,012R2 = 0,9503-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

00 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Temps (s)

ln (T

e-Ta

)/(Te

o_Ta

)Fig. 6 - Détermination graphique du coefficient global de pertethermique du calorimètre.

Fig. 7 - Evolution de la température de l’eau dans le calorimètreaprès ajout d’eau chaude.

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La diffusivité a du matériau peut être calculée lorsque la conductivité thermique , la chaleur spécifique c et la masse volumique sont connues à laide de la formule :

ca

Les valeurs de masse volumique, de chaleur spécifique, de diffusivité thermique ainsi que la teneur en eau des échantillons testés sont indiqués dans le Tableau 7. Pour ces matériaux étudiés, les résultats expérimentaux indiquent une diffusivité thermique de l’ordre de 4x10-7 m2/s. Cette diffusivité est faible comparée à celle d’un béton classique qui est de l’ordre de 12x10-7 m2/s. Les matériaux étudiés assureront une meilleure isolation thermique que le béton.

5. PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES

Même si ces matériaux sont utilisés davantage pour leurs propriétés thermiques que pour leurs propriétés mécaniques, un minimum de résistance mécanique apparaît indispensable. En effet, il est nécessaire qu’une enveloppe de bâtiment constituée de briques de terre stabilisée puisse supporter au moins son poids propre. C’est pourquoi des essais de compression simple et de traction simple ont été effectués afin de connaître la résistance mécanique des matériaux étudiés.

5.1 Fabrication des éprouvettes Les éprouvettes utilisées pour les essais de compression et

de traction simple sont de forme parallélépipédique et de dimensions 4 x 4 x 16 cm. Le compactage dynamique du mélange pour la réalisation des éprouvettes se fait sur une table à chocs normalisée, en deux couches et 60 coups par couche. Le dosage en ciment des matériaux étudiés est de 8 %.

5.2 Résistance à la compression La résistance à la compression des géobétons est très

variable. Elle est influencée par plusieurs facteurs et en particulier par la teneur en liant hydraulique. La Fig. 8 présente l’évolution de la résistance à la compression des mélanges latérite – ciment en fonction de la teneur en ciment.

Les résultats des essais de compression obtenus sur les différents mélanges sont présentés dans le Tableau 8. La résistance en compression est une moyenne de résistances obtenues sur un minimum de 6 échantillons dosés à 8 % de ciment et âgés de 28 jours. La résistance à la compression de la BTS en latérite + pouzzolane est la plus faible. Ainsi, la résistance à la compression est divisée par deux lorsqu’on remplace la moitié de la latérite par de la pouzzolane naturelle. Par contre, le remplacement de 9 % de latérite par de la sciure de bois améliore sensiblement la résistance à la compression mais les résultats sont relativement dispersés.

Notons aussi que des essais conduits par Attoh-Okine B. [12] sur des briques composées de sols latéritiques stabilisés à la

Tableau 7 - Chaleur spécifique et diffusivité thermique des matériaux étudiés

Chaleur spécifique

(kJ/kg.°C)

Diffusivité thermique

humide

Désignationdes

échantillons

Massevolumique

humide

(kg/m3)

Teneuren eau

(%)Échantillon

secÉchantillon

humide (10-7 m2/s)L1 2023 3,45 1,013 1,12 4,19 L2 1930 3,41 0,898 1,01 4,87 L3 2070 3,34 1,1 1,20 3,82 Moyenne 3.40 1,00 1,11 4,30 LZ1 1734 2,71 0,951 1,04 3,79 LZ2 1777 2,82 0,909 1,0 3,85 LZ3 1772 2,38 0,969 1,04 3,71 Moyenne 2,64 0,94 1,03 3,78 LS1 1220 3,25 0,816 0,922 4,92 LS2 1274 3,69 0,905 1,02 4,26 LS3 1241 3,76 0,912 1,03 4,33 Moyenne 3,57 0,88 0,99 4,50

Tableau 8 - Résistance à la compression des mélanges latérite – ciment pour des éprouvettes âgées de 28 jours et un dosage en ciment de 8 %

Echantillon Fc (kN) Rc (MPa) Moyenne Rc (MPa)

L1 3,6 2,25 L2 4,1 2,56 L3 3,6 2,25 2,34 L4 3,7 2,50 L5 4,0 2,19 L6 3,5 2,31

LZ1 1,6 1,0 LZ2 1,5 0,94 LZ3 1,6 1,0 1,01 LZ4 1,6 1,0 LZ5 1,7 1,06 LZ6 1,7 1,06 LS1 2,0 1,25 LS2 2,4 1,5 LS3 3,4 2,12 2,59 LS4 4,5 2,8 LS5 6,0 3,7 LS6 6,7 4,2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

2 7 12

Teneur en ciment (%)

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(bar

s)

7 jours

28 jours

60jours

Fig. 8 - Résistance à la compression des mélanges latérite – ciment en fonction de la teneur en ciment.

Meukam, Noumowé, Jannot, Duval

460

chaux ont montré que la résistance en compression de tels matériaux est de l’ordre de 1 à 1,4 MPa. Tandis que d’autres essais effectués par Solomon et al. [13] sur de la latérite stabilisée avec 8 % de ciment ont conduit à des résistances allant jusqu’à 3,5 MPa.

Le Tableau 9 permet de comparer les valeurs de résistance à la compression des bétons étudiés à celles de la bibliographie. Les faibles valeurs de résistance à la compression peuvent être expliquées par le faible dosage en ciment. En effet, comme expliqué au paragraphe I.3, le dosage en ciment minimal pour avoir des blocs mécaniquement stables est de 10 %.

5.3 Résistance en tractionLes résultats des essais de traction sont présentés dans le

Tableau 10. A partir de la charge de rupture de l’éprouvette, la résistance à la traction est déterminée. La résistance à la traction est une moyenne de résistances obtenues sur au moins trois éprouvettes. Globalement ces résistances sont faibles et avoisinent les 0,5 MPa en moyenne.

6. CONCLUSION

Globalement, les résultats expérimentaux indiquent que les briques en latérite incorporant de la pouzzolane naturelle ou de la sciure de bois présentent une meilleure isolation thermique que les briques en latérite simple. Les trois matériaux présentent des résistances à la compression et à la traction moyennes variant entre 1 et 3 MPa pour la compression et entre 0,4 et 0,6 MPa pour la traction.

La substitution de la latérite par une quantité équivalente de pouzzolane naturelle (50 % en masse) se

traduit par une meilleure isolation thermique mais aussi par une diminution de la résistance à la compression. La porosité élevée de cette pouzzolane explique largement ces résultats.

L’introduction d’une quantité limitée de sciure de bois améliore également les caractéristiques thermiques du mélange tout en conservant les résistances mécaniques en compression. Par contre, la résistance à la traction diminue légèrement en comparaison des briques de latérite simple.

Ces résultats montrent que la brique de latérite stabilisée avec substitution de pouzzolane et/ou de sciure de bois présente un intérêt certain notamment en matière d’isolation.

L’utilisation répond à plusieurs objectifs : préservation de l’environnement (faible énergie de production), valorisation de matériaux locaux (latérite, pouzzolane naturelle) et recyclage de déchets (copeaux de bois).

Toutefois des essais complémentaires prenant en compte les variations volumiques de produits (gonflements et retraits) sont nécessaires pour assurer une large utilisation de ces matériaux, ainsi que le contrôle de la durabilité.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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[8] Bidjocka, C., ‘Conception de bétons légers isolants porteurs - Applications aux pouzzolanes naturelles du Cameroun’, Thèse de doctorat, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 1990.

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[12] Attoh-Okine, B., ‘Stabilising effect of locally produced lime on selected lateritic soils’, Construction and Building Materials 4 (2) (1990).

[13] Solomon-Ayed, K.A., ‘Studies of strength of stabilized laterite blocks and rebdering mortars’, Building Research and Information 22 (3) (1994).

Paper received: July 5, 2001; Paper accepted: August 13, 2002

Tableau 9 - Résistance à la compression des mélanges latérite–ciment pour des éprouvettes âgées de 28 jours

Auteurs Matériau Rc (MPa) BTS avec 8 % de ciment 3 – 3,5 Solomon-

Ayed [13] BTS avec 4 % de ciment 2 – 3,5 Terre non stabilisée 1,99 – 2,35Hakimi [3] BTS avec 4 % de ciment 2,47 – 3,10Latérite + 8 % de ciment 2,2 – 2,6 Latérite + Pouz + 8 % de ciment 1,0 – 1,1

Présenteétude

Latérite + Sc. bois + 8 % de ciment 2 – 4,2

Tableau 10 : Résistance à la traction des mélanges latérite - ciment

Echantillons Ft (kN) Rt (MPa)

MoyenneRt (MPa)

L1L2L3

200215210

0,510,540,52

0,52

LZ1LZ2LZ3

225230235

0,540,560,58

0,56

LS1LS2LS3

195190180

0,490,460,45

0,47