BETONS RENFORCES DE FIBRES NATURELLES

Variations volumiques dues à l’hydratation

Lorsqu’un échantillon est protège de toute dessiccation, on parle alors de conditions endogènes, il subit des variations volumiques uniquement liées à la réaction d’hydratation. Celles-ci sont principalement de deux natures, une est d’origine chimique et l’autre est un processus purement physique. [Monge 2007] I.2.2.1. Le retrait endogène I.2.2.1.1. Mécanismes La contraction Le Chatelier : C’est au début du siècle dernier, qu’Henri Le Chatelier mit en évidence la célèbre contraction qui porte désormais son nom. Lors de la réaction d’hydratation du ciment, le volume des hydrates formes est inférieur à la somme des volumes de ciment anhydre et de l’eau consommée. Cette diminution globale est de l’ordre de 8 à 10 % pour une pâte de ciment et elle est aussi bien due à des phénomènes entrainant plutôt une contraction (hydratation du C3S ou du C2S) qu’un gonflement (C3A et gypse formant de l’éttringite ou du monosulfoaluminate) [Barcelo 2001]. Notons que cette diminution de volume absolu (qui prend seulement en compte les volumes des phases liquides et solides) ne se traduit pas systématiquement par une diminution de volume apparent de l’éprouvette [Tazawa 1995], mais par un gonflement parfois comme la constate Le Chatelier. En effet, si l’échantillon est placé dans l’eau, la diminution de volume absolu peut être compensée par la pénétration de celle-ci dans les capillaires

L’autodessiccation 

La conséquence physique de ces mécanismes chimiques (hydratation et contraction Le Chatelier) est appelée auto dessiccation. Elle se produit dans des conditions isothermes et sans échange hydrique entre l’éprouvette et le milieu extérieur. Rapidement, la rigidification du squelette d’hydrates s’oppose à la contraction et créée une dépression de l’eau dans les pores qui provoque un changement de phase liquide=vapeur, c’est l’auto dessiccation [Hua 1992]. Le réseau gazeux ainsi formé conduit à la création d’interfaces liquide=gaz qu’on appelle plus communément ménisques, synonymes de tensions capillaires. Il en résulte la mise en compression du squelette solide qui provoque un retrait.

Facteurs influents 

Le rapport E/C

Est un paramétré clé dans la résultante des déformations causées par le retrait endogéne. Plus ce rapport est faible, plus l’amplitude et la cinétique de ce retrait sera importante. A contrario, les mortiers et bétons à fort rapport E/C ne subissent quasiment pas de déformations de retrait endogène mais un gonflement dans les premiers instants de l’hydratation. L’hypothèse généralement avancée pour expliquer une telle différence de comportement est que la diminution d’humidité relative interne causée par l’auto dessiccation est non seulement plus rapide mais plus intense lorsque la porosité est fine. La théorie de Kelvin Laplace prédit alors une réduction de la taille des ménisques, donc des dépressions capillaires plus Chapitre I Recherche bibliographique Chapitre : I 35 importantes qui conduisent à un retrait plus conséquent. D’après [Mounanga 2003], la température a également un effet important sur la cinétique et l’amplitude des déformations endogéne, notamment sur la contraction Le Chatelier. On rajoutera que dans les bétons traditionnels ainsi que dans les mortiers à fort rapport E/C, les déformations endogènes sont négligeables devant celles induites lors du séchage [Davis 1940].

Effet de la concentration granulaire

L’influence de la concentration de granulats sur le retrait a été étudiée par plusieurs chercheurs : [Baron 1971] a montré que le retrait d’un béton est de 6 à 10 fois plus petit que celui de la pâte de ciment correspondante. [Tazawa 1995], ont montré que le retrait dépend de la fraction volumique de la pâte de ciment dans la matrice cimentaire. En effet, l’augmentation de la fraction volumique desgranulats provoque une diminution de la fraction de la pâte dans la même section, et donc une diminution du retrait. Lesétudes de [Holt 2001] ont montré que le retrait d’une pâte de ciment est supérieur au retrait d’un mortier qui est luimême supérieur au retrait d’un béton(Figure I.3 et Figure I.4). Il faut cependant noter que, la comparaison de la déformation absolue d’une pâte de ciment et d’un mortier n’est pas significative. En effet, partant du principe que les granulats sont très peu déformables, il est évident que l’augmentation de la fraction granulaire dans l’échantillon diminue le retrait endogène absolu exprimé en μm/m. Nous proposons dans la suite de notre étude, d’exprimer la déformation par g de ciment anhydre initialement présent dans l’échantillon. Figure I.3 : Retrait endogène de la pâte et du mortier (même rapport E/C=0,35) [Holt 2001]. Chapitre I Recherche bibliographique Chapitre : I 36 Figure I.4 : Retrait endogène du mortier (volume de la pâte = 57%) et du béton (volume de la pâte = 34%) pour un même rapport E/C=0,30. [Holt 2001].

Le retrait thermique

Le retrait thermique est dû à un gradient thermique important entre le cœur d’une structure, où régné une température élevée et la peau exposée à l’air ambiant. Par conséquent, il est d’autant plus important que la pièce (pile de pont, barrage, bloc de fondation etc.) est massive. La réaction d’hydratation exothermique est la cause inévitable de montée en température du béton ou du mortier, mais on peut également invoquer les conditions climatiques ainsi que les traitements thermiques qui sont parfois effectués sur les ouvrages. Toutefois, la réaction d’hydratation produit suffisamment de chaleur pour induire des montées en température allant jusqu’à 80°C au cœur d’une pièce en béton. Des fissures apparaissent lorsque la contraction opérée en peau et opposée à la dilatation au centre de la pièce, engendre des contraintes dépassant la limite en traction du béton. Par ailleurs, ce problème se pose d’autant plus dans le cas des reprises de bétonnage pour lesquelles la contraction est gênée par la rigidité de la pièce déjà coulée et cause une fissuration localisée plus profonde mais également plus espacée. Pour les structures en couches minces de mortier, ce type de retrait est négligeable devant ceux présentés par la suite. [Monge 2007] I.2.3. Conséquences de l’exposition aux conditions extérieures Lorsque l’on soumet un échantillon aux conditions climatiques externes (température et humidité relative principalement), des échanges thermiques, hydriques et chimiques se produisent entre celui-ci et le milieu extérieur. 

Le retrait plastique

Le retrait plastique est le premier à se manifester car il a lieu avant la prise. Il est la conséquence d’une différence de flux entre l’eau évaporée `a la surface du béton et l’eau ressuée, particulièrement pendant la période de pré-prise lorsque le matériau est encore déformable et que le flux d’eau ressuée diminue fortement. La contraction du solide provoque une fissuration peu profonde en surface. De nombreux paramètres influencent la cinétique et l’amplitude de ce retrait, citons par exemple la contraction Le Chatelier, le ressuage, le taux d’évaporation ou la taille des pores [Turcry 2004]. Ce retrait peut assez facilement être évité en protégeant la surface du béton de tout séchage brutal avant la prise.

Le retrait de dessiccation

Le retrait de dessiccation ou retrait de séchage est la conséquence directe de l’évaporation de l’eau vers l’extérieur du matériau. Il est donc entièrement dépendant des conditions en température, vent et humidité relative extérieure. L’évaporation de l’eau sous forme vapeur et sa diffusion au travers de la structure va quant à elle, dépendre de la distribution de la taille des pores et de leur connectivité au sein du matériau, mais également de la dimension de l’échantillon et de la taille de la surface exposée au séchage. [Monge 2007] 

Retrait de carbonatation

Retrait de carbonatation est un phénomène très récemment reconnu. Le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère réagit en présence de l’eau avec du ciment hydraté. L’hydroxyde de calcium est converti en carbonate de calcium, et aussi certains composés du ciment d’autres sont décomposés. Une telle décomposition complète de composé de calcium dans le ciment hydraté est chimiquement possible, même à la basse pression du dioxyde de carbone dans atmosphère normale. Carbonatation pénètre au-delà de la surface exposée du béton que très lentement. Le taux de pénétration du dioxyde de carbone dépend aussi de la teneur en humidité du béton et de l’humidité relative du milieu ambiant. La carbonatation est accompagnée par une augmentation du poids du béton et par le retrait. Retrait de carbonatation est probablement Chapitre I Recherche bibliographique Chapitre : I 38 causée par la dissolution des cristaux d’hydroxyde de calcium et le dépôt de carbonate de calcium à sa place. Comme le nouveau produit est moins en volume que le produit remplacé, le rétrécissement a lieu. La carbonatation du béton entraîne également une résistance accrue et une perméabilité réduite, probablement parce que l’eau libérée par la carbonatation favorise le processus d’hydratation et de carbonate de calcium réduit les vides dans la pâte de ciment. Comme l’ampleur du retrait de carbonatation est très faible par rapport au retrait de séchage terme de long, cet aspect n’est pas de grande importance. Mais carbonatation réduit l’alcalinité du béton qui donne un revêtement de protection pour le renforcement contre la rouille. Si la profondeur de carbonatation atteint jusqu’à renforts en acier, l’acier devient responsable de la corrosion.

Etats connaissance sur les fibres végétales

. Définition de la fibre végétale [Yahiaoui 2011] Les fibres végétales sont des structures biologiques fibrillaires composées de cellulose, hémicelluloses et de lignine. En proportion relativement faible d’extractibles non azoté, de matière protéique brute, de lipide et de matières minérales. Les proportions de ces constituants dépendent énormément de l’espèce, de l’âge et des organes de la plante [[Nenonene 2009], [Michaud 2003]].

Classification des fibres végétales

Il existe plusieurs critères de différentiation des fibres:  Suivant l’organe de la plante dont elles sont issues, les fibres végétales peuvent être classées en fibres de tiges (Kénaf, jute, lin, ramie), et de feuilles (Sisal, abace, paille de graminée) [Nenonene 2009]  Suivant leur teneur en holocelullose (cellulose et hémicellulose) et en lignine, on peut distinguer les fibres ligneuses (dures et rigide provenant de matériels ligneux tels que le bois d’œuvre, les résidus de l’industrie du bois et les fibres non ligneuses (douces, souples, issues de végétaux non ligneux souvent annuels relativement moins riches en lignine tels que le kénaf, le chanvre, le sisal, le jute et le lin) [Michaud 2003]  Suivant leur longueur, les fibres végétales peuvent êtres groupées en deux catégories : fibres longues, dites libérienne, provenant des tiges et d’écorce de tiges de plantes annuelles. Elles sont douces, tandis que les fibres longues issues de feuilles ou de troncs Chapitre I Recherche bibliographique Chapitre : I 39 d’arbre sont plus dures et plus rigides à cause de leur richesse en lignine. et fibres courtes ou étoupes qui sont associées aux fibres longues [Nenonene 2009]

Structure physique

Les fibres végétales sont des expansions cellulaires assimilables à un matériau composite renforcé par des fibrilles de cellulose. La matrice est principalement composée d’hémicellulose et de lignine. L’ensemble est couvert en général avec des cires et des impuretés [Dallel 2012] Les fibrilles cellulosiques sont disposées tout au long de la longueur des fibres, et présentent une structure multicouche complexe, avec une paroi primaire très mince qui entoure une couche secondaire plus épaisse. Cette structure est très similaire à celle de fibres de bois. La paroi cellulaire primaire (externe) est généralement très mince (<1 μm) et très élastique, elle se laisse détendre et déformer. Elle peut ainsi suivre l’augmentation de taille de la cellule en croissance. Les micro-fibrilles contiennent une proportion de cellulose de 8 à 14%, et forment un maillage lâche, un arrangement dit en structure dispersée [Dallel 2012] Chapitre I Recherche bibliographique Chapitre : I 40 La couche secondaire contient la proportion majeure de cellulose et est constituée des trois couches distinctes (S1, S2 et S3). Celle du milieu (également connue comme couche S2) étant de loin la plus épaisse et la plus importante dans la détermination des propriétés mécaniques. Des études ont précisé que dans cette couche, les micro-fibrilles de cellulose sont parallèles mais disposées en hélice suivant un angle nommé angle micro-fibrillaire (MFA). L’angle micro-fibrillaire et la teneur en cellulose [Dallel 2012] Un examen (MEB et/ou MET) des parois cellulaires effectué à différentes échelles montre que celles-ci sont composées de:  Macro-fibrilles de 0,5 μm de diamètre  Micro-fibrilles de 10 à 30 nm de diamètre  Fibrilles élémentaires appelées micelles de 3,5 à 5 nm de diamètre (une micelle est constituée d’environ 50 à 100 macromolécules de cellulose) [Dallel 2012] Les micro-fibrilles sont séparées par des espaces interfibrillaires dont les largeurs sont d’environ 10 nm. Les fibrilles élémentaires sont espacées par des espaces intermicellaires. Contrairement aux fibres chimiques, qui présentent un diamètre constant et une surface quasiment lisse et uniforme tout au long du filament, les fibres végétales ont des irrégularités importantes au niveau de la finesse, nous observons donc des zones parfois plus fines ou plus grosses que le reste de la fibre. Il est également très fréquent de voir de nombreux défauts présents à la surface et dans le volume d’une fibre végétale. Certains sont produits durant la croissance de la plante, mais le procédé d’extraction peut engendrer également des défauts (genoux, noeuds, dislocation). Ces défauts sont répartis de façon hétérogène sur la longueur d’une fibre et jouent un rôle important dans la détermination de son comportement mécanique [Dallel 2012] .