Étude des paramètres de fabrication d`un béton de bois à matrice

TECHNICAL NOTES
Materials and Structures/Matériaux et Constructions, Vol. 29, October 1996, pp 514-518
Étude des paramètres de fabrication d’un béton de bois
à matrice argileuse
(Study of parameters in making clayey concretes lightened with wood aggregates)
K. Al Rim, A. Ledhem, M. Quéneudec-t’Kint de Roodenbeke
Équipe Gestion Technique du Bâti-IUT-Département Génie Civil, Rue du clos Courtel – BP 1144 – 35014 RENNES Cedex – France
R É S U M É
A B S T R A C T
Les résultats présentés par les auteurs concernent la
valorisation de la fraction argileuse résultant de l’exploitation de carrières de granulats par leur utilisation dans
des bétons argileux légers. L’allègement de la pâte
d’argile-ciment est obtenu par addition de granulats de
bois, eux-mêmes déchets d’exploitation.
Les auteurs rendent compte de l’influence des constituants sur les caractéristiques mécaniques des bétons
durcis et sur le comportement du matériau frais. Ils proposent une formulation permettant d’obtenir un matériau de masse volumique sèche 800kg/m3 et une résistance en compression à l’état d’équilibre hydrique égale à
2,5MPa en restant dans des conditions de coulabilité
satisfaisantes. De plus, des essais de traitement des granulats de bois ont montré la nécessité d’une étude systématique prenant en compte la spécificité de l’argile.
The subject of the present study is to highlight the use
of clay waste resulting from the operations of aggregate
quarries through developing lightened clayey concretes. The
lightening is achieved by adding wood aggregates, which
are waste materials from woodworking activities.
The authors account for the influence of components
on the mechanical characteristics of hardened concretes and
on the behaviour of the material just after mixing. They
propose a formulation allowing the development a dry
material with a volumic weight equal to 800 kg/m3 and a
compressive strength, at hydrous stability, equal to 2.5 MPa
offering the possibility tof being poured easily. Attempts at
treating wood aggregates have proved the necessity for a
systematic study to take into account the specificity of clay.
1. INTRODUCTION
2. MATÉRIAUX UTILISÉS
L’idée de réduire la masse volumique d’un béton argileux peut être une solution économiquement et techniquement intéressante. Dans des travaux précédents [16] nous avons montré que la création de cellules dans
une pâte d’argile-ciment conduisait à des matériaux dont
les performances permettaient leur utilisation comme
matériaux de construction et en particulier comme isolants, porteurs ou non, suivant la formulation.
Une autre méthode couramment utilisée pour l’allégement des bétons hydrauliques consiste à ajouter à la
pâte de ciment des granulats légers. C’est cette seconde
voie que nous avons, dans ces travaux, voulu explorer
pour des pâtes argileuses.
Les granulats légers utilisés dans ce travail sont des
déchets de scieries que nous désignerons par le terme
général de copeaux (les parties fines, la sciure, ne sont
pas prises en compte). Ils correspondent aux essences
généralement utilisées dans la construction et on peut
apprécier la répartition comme suit : 60% de sapin du
nord et 40% de bois exotiques. Le matériau argileux utilisé est un déchet d’exploitation de carrières. Le matériau
exploité est un paléosol ferralitique de l’ère tertiaire,
remanié. Les graviers et sables sont commercialisés, la
fraction < 70 µm, jusqu’à présent inutilisée, est constituée de kaolinites pratiquement pures [7, 8] Leur surface
spécifique déterminée au bleu de méthylène (NF P 18-
Editorial note
Madame Quéneudec-t’Kint de Roodenbeke est Membre Effectif de la RILEM.
0025-5432/96 © RILEM
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Al Rim, Ledhem, Quéneudec-t’Kint de Roodenbeke
592) a conduit à une valeur voisine de 35 m2/g. Les
valeurs des limites d’Atterberg sont : Wp = 48%, WL =
36 %, I p = 12 % et la densité absolue est : ρ = 2,65
g/cm3. Le ciment utilisé est un CPA 55 ( NF P 15-301).
3. TECHNIQUES OPÉRATOIRES
Un malaxage préalable à sec des constituants minéraux et des copeaux est effectué avant l’addition d’eau de
gâchage. Le mélange homogénéisé est ensuite introduit
dans des moules 4 x 4 x16 cm3 conservés, après remplissage et jusqu’au démoulage dans une salle à température
et hygrométrie contrôlée(Θ = 20°C, HR = 90%).
4. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
4.1 Formulation
4.1.1 Influence de la quantité de ciment
Les proportions des différents constituants, exprimées en pourcentages massiques, étaient : A = 85% ;
Cop = 15% ; E = 90% de (A + Cop). Le pourcentage
pondéral de ciment par rapport au mélange (A + Cop.)
varie de 10 à 35%.
La Fig. 1a montre l’évolution de la masse volumique
sèche en fonction du pourcentage de ciment ajouté. Ceci
peut être expliqué par la densité absolue plus élevée du
ciment, mais aussi par le fait que le ciment consomme de
l’eau lors de son hydratation. Pour une même quantité
d’eau, une quantité supérieure de ciment conduit donc à
une quantité d’eau excédentaire plus faible et donc à une
plus grande compacité.
Les Figs. 1b et 1c montrent l’évolution des caractéristiques mécaniques avec la quantité de ciment ajoutée. On
peut constater que, pour un pourcentage C/(A + Cop) =
25%, on obtient un matériau ayant des caractéristiques
satisfaisantes dans l’hypothèse de l’utilisation en éléments
de cloisons. Soit : d = 0,90, Rf = 1,2 MPa, Rc = 3,4 MPa,
Rc eq = 2,5 MPa, avec : Rf, résistance à la flexion à l’état
sec ; Rc, résistance à la compression à l’état sec ; Rc eq,
résistance à la compression à l’état d’équilibre hydrique.
De plus, l’ajout de ciment influence le rapport Rc/Rf
qui devient quasi constant, et égal à 3, à partir de 20% de
ciment (Fig. 1d)
4.1.2 Influence du pourcentage de copeaux
Cette étude a été réalisé avec une matrice dont la composition est fixée comme suit : (A + x) = 80% et C = 20%
où x est le pourcentage de copeaux. La Fig. 2 montre la
baisse de densité obtenue en fonction du pourcentage de
copeaux. On peut constater que, pour un pourcentage
massique de copeaux variant de 0 à 50%, l’abaissement de
densité augmente jusqu’à 65%
Fig. 1 - Influence du ciment sur les caractéristiques physico-mécaniques d’un béton argileux à granulats de bois
(A = 85%, Cop = 15%, E = 90%).
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Materials and Structures/Matériaux et Constructions, Vol. 29, October 1996
Fig. 2 - Baisse de la densité sèche d’un béton argileux à granulats de bois, en fonction du pourcentage de granulats. (C = 20%, A + x =
80%, E = 0,35C + 0,7A + 1,8 x).
4.1.3 Influence de la quantité d’eau
L’étude de l’influence de l’eau a été effectuée sur un mélange sec de composition pondérale : A = 50%, C = 25%,
Cop = 25%.
– 4.1.3.1 Influence de l’eau sur le comportement rhéologique du
béton frais
Dans ce travail, nous nous sommes limités à une
étude expérimentale de l’ouvrabilité . Des essais ont été
effectués au cône d’Abrams, pour une quantité d’eau
variant de 70 à 100% du mélange sec. Sur la Fig. 3 nous
avons représenté les valeurs d’affaissement en fonction de
la quantité d’eau de gâchage.
Si 70% < E < 80%, on observe une phase de comFig. 3 - Affaissement au cône d’Abrams en fonction de la
portement analogue à celui d’un béton ordinaire ferme :
quantité d’eau de gâchage (C = 25%, A = 50%, Cop = 25%,
l’affaissement est nul ou reste inférieur à 1 cm.
E = 0,35 C + 0,70 A + Wcop. Cop).
Si 90% < E < 100%, le comportement est
analogue à celui d’un béton mou : l’affaissement
Tableau 1 – Influence de l’eau de gâchage
est compris entre 12,5 et 17,5 cm. Dans ce cas, la
(A = 50%, C = 25%, Cop = 25%,
pâte est assez liquide pour bien enrober les
soit
A
=
450
kg/m3,
C = 225 kg/m3, Cop = 225 kg/m3 pour d = 0,9)
copeaux. Le malaxage est facile et provoque la
formation de mousses, quelle que soit la vitesse
Eau en %
70
75
80
85
90
95
de malaxage. La mise en moule est facilitée non
3
945
911
873
806
761
644
Mv humide en Kg/m
seulement par l’eau mais aussi par l’air entraîné.
880
834
798
739
699
596
Mv sèche en Kg/m3
Toutefois, en raison de la quantité importante
Cl humide en m/s
1470 1295 1201 1144 1060 989
d’eau, le durcissement de la pâte argile-ciment
est retardé.
Cl à sec en m/s
1315 1164 1076 1022 950
868
Un compromis entre la facilité de mise en
Ed* à 28j H.en MPa
2061 1528 1259 1055 855
630
moule, le démoulage et les caractéristiques
Ed à 28j à sec. en MPa 1522 1130 924
772
631
449
mécaniques conduit à se situer dans une fourRf à sec en MPa
1,81 1,38 1,13 0,77 0,63 0,39
chette d’eau allant de 80 à 90%.
– 4.1.3.2 Influence de l’eau sur les caractéristiques
mécaniques du béton durci
Le Tableau 1 regroupe les valeurs expérimentales pour un mélange sec de composition
pondérale : A = 50%, C = 25%, Cop = 25%.
100
532
496
877
756
409
283
0,22
Rc à sec en MPa
4,18
3,65
2,77
2,06
1,58
0,88
0,44
Rc. s./Rf.s.
2,31
2,64
2.45
2.68
2,51
2,26
2,02
Rc éq. en MPa
3,98
3,26
2,59
1,95
1,35
0,73
0,42
95,21 89,32
93,5
94,66 85,44 82,95 95,45
3,18
3,5
3,74
Rc éq./Rc s. en %
W éq en %
516
3,25
3,69
4,36
4,84
Al Rim, Ledhem, Quéneudec-t’Kint de Roodenbeke
Fig. 4 - Résistance en compression en fonction de la densité sèche
(C = 25%, A = 50%, Cop = 25%, E variable).
À teneur en copeaux égale, l’augmentation de la
quantité d’eau de 70 à 100% fait varier la masse volumique sèche de 880 à 496 kg/m3, et la relation entre Rc
et d suit les courbes représentées en Fig. 4.
En plus des modules d’élasticité majoré E*d, plus
grands à l’état humide qu’à l’état sec, les résistances en
compression du matériau humide toujours inférieures
aux résistances à l’état sec, montrent la supériorité de la
capacité du matériau humide à la déformation. L’eau est
donc un élément important des caractéristiques du
matériau et de la mise en œuvre qu’il faut donc déterminer avec précision.
L’étude du seuil de cisaillement a permis de déterminer la quantité d’eau nécessaire à une bonne coulabilité
dans le cas d’une pâte d’argile ciment [10]. Soit :
E = 0,35C + 0,70A où C et A représentent respectivement les quantité massiques de ciment et d’argile. Nous
avons montré plus haut que la quantité totale d’eau ajoutée était comprise entre 80 et 90% de la masse sèche, soit
un supplément d’eau nécessité par l’introduction de
copeaux estimé à 1,5 < Wcop < 1,8 si l’on veut rester
dans des conditions de coulabilité satisfaisantes et de
résistances mécaniques suffisantes. Nous adopterons
donc la formulation générale suivante :
E = 0,35C + 0 70A + (1,5 à 1,8)Cop.
Ce dosage en eau permet d’obtenir des caractéristiques
mécaniques acceptables sans addition prohibitive de
ciment. Considérons, par exemple, un matériau de masse
volumique sèche égale à 800 kg/m3 obtenu avec E = 80%
(soit Wcop = 1,5). Un dosage en ciment de 200 kg/m3 et
l’introduction de 200 kg de copeaux par m3, permettent
d’obtenir une résistance en compression à l’état d’équilibre
hydrique égale à Rceq = 2,5 MPa.
particulier un effet retardateur de prise plus important
pour les feuillus que pour les résineux, ainsi qu’une
variation en fonction de la composition du ciment et en
particulier de sa teneur en silicates tricalciques. Les
auteurs sont, en général, unanimes à souligner la complexité des phénomènes et l’insuffisance des connaissances sur ces problèmes. Toutefois, on suppose en
général que certains composés hydrosolubles et, en particulier, les sucres et l’hémicellulose, sont responsables de
l’effet retardateur du bois sur la prise du ciment. Des
traitements parfois très élaborés ont été proposés pour
éviter la libération de ces composés hydrosolubles en
milieu alcalin : imprégnation, traitements thermiques,
traitements chimiques...
Une étude systématique du traitement des granulats
utilisés dans ce travail est en cours mais on peut signaler
dès à présent quelques résultats partiels.
Traitement à l’eau bouillante
Les copeaux ont été soumis à un traitement à l’eau
distillée bouillante afin d’éliminer une partie des composés hydrosolubles. Le dosage en ciment utilisé est un
dosage extrême (350 kg/m3 de matière sèche) de l’ordre
de ceux habituellement utilisés dans les bétons de bois.
Le reste de la matière sèche est composé de 2/3 d’argile et
1/3 de copeaux. La masse volumique sèche est voisine de
900 kg/m3.
La Fig. 5 montre l’évolution du retrait dans le temps
pour des durées de traitement allant de 0 à 6 heures. Les
résistances mécaniques reportées en Fig. 6a montrent
une action positive du traitement. On peut également
constater une action positive du traitement à l’eau
bouillante sur le retrait. Toutefois, celle-ci n’apparaît que
vers 14 jours et semble donc plus liée à des phénomènes
physiques consécutifs à la pénétration du mélange matriciel dans les pores des granulats de bois.qu’à la cinétique
d’hydratation du ciment. Les résistances mécaniques
subissent également une augmentation.
Fig. 5 - Influence du traitement des copeaux à l’eau bouillante sur
le retrait du béton argileux à granulats de bois.
4.2 Influence du traitement des copeaux
Le problème de l’interaction bois-ciment a déjà été
étudié [11] en fonction, d’une part, de l’essence des bois
et, d’autre part, de la nature des ciments. On signale en
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Materials and Structures/Matériaux et Constructions, Vol. 29, October 1996
très complexe de l’interaction matrice-granulat de bois
signalé dans la bibliographie. En effet, dans le cas des
bétons de granulats de bois à matrice argileuse,l’argile est
majoritaire en masse, sa prise se superpose à la prise
hydraulique du ciment, et elle intervient fortement dans
les variations dimensionnelles. Son rôle ne pourra être
déterminé qu’au terme d’une étude systématique en
cours actuellement.
RÉFÉRENCES
[1] Al-Rim, K., Al Cheikh, N., Queneudec, M., et Decamps, E.A.,
‘Modernisation des géomatériaux locaux : propriétés physiques
de matériaux argileux légers’, ‘Colloque Franco-Maghrébin :
Construire en matériaux locaux’, Marseille 15-17, Octobre
(1991) 14p.
[2] Al-Rim, K., Queneudec, M., T’kint De Roodenbeke, A. et
Decamps, E.A., ‘Valorisation des déchets argileux de carrières de
granulats dans la perspective des constructions en terre du futur’,
‘Congrès Mondial du Bâtiment, CIB 92’ Montréal-Canada, (1822 Mai 1992) 2 p.
[3] Morteveille, M.-A., Al-Rim, K. et Queneudec, M., ‘Utilisation
de la poudre d’hémoglobine animale dans la conception d’un
nouveau béton léger à base d’argile stabilisée à froid :
l’HémoBAL’, ‘Colloque international Énergie-HabitatEnvironnement’ COMPLES 93, Rennes (1-2 Avril 1993).
[4] Al-Rim, K., Morteveille, M-A. et Queneudec, M., ‘Influence de
l’addition d’un entraîneur d’air protéinique sur un mélange
argile-ciment : l’Hémobal et ses caractéristiques mécaniques’,
Rev. Internationale d’héliotechnique, 9 (Avril 1994) 26-36.
[5] Al-Rim, K., Bouguerra, A., Cheik-Kassem, N.A., Queneudec,
M. et T’kint De Roodenbeke, A., ‘The thermal conductivity of
lightweight clay concrete’, à paraître.
[6] Queneudec, M., ‘Béton argileux léger obtenu par l’ABC
Proteolith’, Rapport de recherche, (Mars 1994) 64 p.
[7] Esteoule-Choux, J., ‘Contribution à l’étude des argiles du Massif
Armoricain. Argiles des altérations et argiles des bassins sédimentaires tertiaires’, Thèse de Doct. ès Sciences, Université de
Rennes (1967) 319 p.
[8] Esteoule-Choux, J., ‘Contribution à l’étude des argiles du Massif
Armoricain’, et notamment : ‘Gisements des Côtes-du-Nord-22
(Plémet-carrière d’Illifaut)’ pp. 77-79, Mém. Soc. Géol. Min.
Bretagne, Rennes (1970) 14, 271 p.
[9] Al-Rim, K., L’Haridon, B. et Queneudec, M., ‘Application des
différentes méthodes d’allègement des argiles à la préfabrication
d’éléments de construction’, Revue Internationale d’Héliotechnique
10 (1994) 33-47.
[10] Al-Rim, K. ‘Étude de l’influence de différents facteurs d’allègement des matériaux argileux : Le Béton Argileux Léger.
Généralisation à d’autres fines de roches et Applications à la
conception d’éléments de construction préfabriqués’, Thèse de
Doctorat, Université de Rennes, (1994).
[11] Pimentia, P., Chandellier, J., Rubaud, M., Dutruel, F. et
Nicole, H., ‘Étude de faisabilité des procédés de construction à
base de béton de bois’, Cahiers du CSTB - 346- (Janvier-Février,
1994). Cahier 2703.
Fig. 6 - Influence du traitement des copeaux sur les résistances
mécaniques des granulats de bois, (a) traitement à l’eau
bouillante, (b) influence des ions Cl-.
Ajout d’ions Cl - (Fig. 6b)
Afin de compenser les effets retardateurs de prise des
composés hydrosolubles du bois, il est parfois conseillé
d’ajouter des accélérateurs de prise. Dans l’étude présente, le choix s’est porté sur les ions Cl - ; on peut
constater que les variations de résistances mécaniques
sont trop faibles devant l’erreur expérimentale (∆R ∼
0.05MPa) pour pouvoir conclure dès à présent.
5. CONCLUSION
L’étude de l’inf luence des différents constituants
nous a permis de proposer une formule empirique permettant de déterminer la quantité d’eau de gâchage
nécessaire pour obtenir un matériau léger, de performances mécaniques suffisantes pour des éléments autoporteurs à partir de densités voisines de 0,8.
L’amélioration des résistances mécaniques par traitement des granulats de bois a été envisagée. Il s’agit d’un
vaste travail, car une inconnue s’ajoute au problème déjà
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