Caractérisation expérimentale du matériau modèle

La terre crue est un matériau hétérogène dont la composition et les propriétés varient grandement en fonction du lieu où elle est prélevée. Pour être capable de modéliser le comportement du matériau, il est nécessaire tout d’abord d’étudier le comportement d’un matériau modèle. Pour que ce matériau soit au plus proche des hypothèses du modèle numérique, il est composé d’une argile pure non gonflante, la kaolinite, d’un sable fin uniforme et d’eau. Les propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques de ce matériau modèle sont déterminées au cours d’une campagne expérimentale. Plusieurs mélanges sont étudiés afin de calibrer, puis de tester le modèle d’homogénéisation. Ce chapitre présente, dans un premier temps, la composition des mélanges et le procédé de fabrication des échantillons. Par la suite, les propriétés physiques des mélanges telles que la masse volumique ou la porosité des éprouvettes sont déterminées. Enfin, les propriétés thermiques, mécaniques et acoustiques de chaque mélange sont étudiées pour deux teneurs en eau différentes.

Choix des matériaux et procédé de fabrication des échantillons

La terre crue est composée essentiellement de sable, d’argile et d’eau. Les proportions du mélange argile-sable peuvent varier en fonction du type de mise en œuvre utilisé : l’adobe nécessite une granulométrie plutôt fine alors que le pisé peut contenir des granulats dont le diamètre peut atteindre quelques centimètres. Selon Delgado et Guerrero [100], il est nécessaire d’avoir une quantité minimum d’argile de 5% pour assurer la cohésion du matériau. Cependant, la quantité maximale d’argile dépend de la méthode de fabrication utilisée. Dans cette partie, le rôle de chacun des éléments composant la terre crue est identifié et les matériaux choisis pour cette étude sont décrits. Les argiles sont des particules très fines, de l’ordre du micromètre, pouvant facilement passer d’un état fluide à un état pâteux ou granulaire en fonction de la quantité d’eau présente dans le matériau [101]. La structure en feuillets des argiles est responsable de leur capacité liante qui permet d’assurer la cohésion entre les grains de sables de la terre crue, mais aussi de la capacité d’un sol à changer de volume en fonction de sa teneur en eau (retrait ou gonflement). En effet, chaque particule d’argile est composée de plusieurs feuillets qui peuvent être assimilés à des disques agglomérés de façon plus ou moins ordonnée en fonction du type d’argile (Figure 2.1).

En fonction du type de feuillet, l’espace interfoliaire est plus ou moins grand, ce qui peut entrainer la présence d’ions dans cet espace. La présence de ces ions ou de défauts dans la structure cristalline charge électriquement les feuillets, ce qui influence la capacité gonflante des argiles et leur capacité à passer d’un état fluide à un état pâteux ou granulaire facilement [101], [103]. D’après Meunier [103], il existe trois structures cristallines principales : Ce feuillet est électriquement neutre car il n’y a pas d’imperfection dans la structure cristalline. Les différentes couches s’empilent régulièrement. Selon Anger [101], les liaisons entre feuillets sont assurées par les liaisons hydrogène et les forces de Van der Waals. L’importance de ces forces diminue l’espace interfoliaire (7,15 Å) et empêche donc la présence d’autres particules telles que l’eau dans l’espace interfoliaire. Le gonflement intercristallin induit par les molécules d’eau ne peut donc pas avoir lieu avec ce type de structure, c’est pourquoi la kaolinite est une argile non gonflante.

Caractéristiques de l’argile sélectionnée

Dans cette étude, le matériau utilisé est un matériau modèle dont le comportement de chacune des phases qui le composent doit être connu. Le comportement des argiles en présence d’eau pouvant varier de façon conséquente en fonction de leur structure cristalline, il a été choisi d’utiliser une argile ne contenant qu’un seul type de structure cristalline afin de ne pas avoir d’effets conjugués entre le comportement d’argiles gonflantes et non gonflantes. Pour limiter les effets de retrait lors du séchage des éprouvettes, l’argile utilisée est la kaolinite. D’après le fournisseur, plus de 99% de l’argile sélectionnée est de la kaolinite. La masse volumique réelle du matériau est de 2,6 g.cm-3 et sa composition chimique, donnée par le fournisseur, est présentée dans le Tableau 2.1. La courbe granulométrique de l’argile, dont la courbe est donnée en Figure 2.4, a été déterminée par sédimentrométrie selon la norme NF EN ISO 17892-4 [105].

Les granulats utilisés dans la terre crue sont le plus souvent des minéraux silicatés ou calcaires déjà présents dans la terre [106]. Cependant, il est possible d’observer sur certaines constructions des granulats issus de recyclage. En effet, De Chazelles [107] a constaté que les murs en terre crue des constructions romaines contenaient souvent des morceaux de céramiques cassées ou bien du charbon de bois. De plus, dans les constructions plus modernes, il est parfois possible de trouver des granulats issus du recyclage du béton, comme dans l’étude de Eid [108] dont le sol est constitué à 80% de sol naturel et à 20% de granulats de béton recyclé. La diversité des granulats exerce une influence non négligeable sur les performances mécanique, thermique et hydrique du matériau.

De nombreuses propriétés géotechniques et hydrogéologiques sont liées à la répartition granulaire du sol étudié, c’est pourquoi la distribution granulométrique est l’un des paramètres les plus importants pour caractériser un sol. L’étude d’Aubert et al. [109] a montré que la distribution granulométrique de la terre crue varie beaucoup en fonction du type de mise en œuvre utilisé. En effet, la Figure 2.5 montre que les briques de terre crue contiennent souvent plus de particules fines que le pisé. Dans le cas des briques de terre crue, la méthode de fabrication des briques (Compressed Earth Block, Extruded Earth Block et Adobe) ne semble pas impacter leur granulométrie. Les compositions des sols étant très diversifiées, il ne semble pas y avoir de granulométrie type en fonction du type de mise en œuvre.