Rapport de PIRD
La construction en terre modulaire
De la brique à l’élément macro constitutif
« S’il n’y a pas de construction sans matériaux, et donc sans destruction et consommation, il n’y a pas de projet juste et économe sans dépense redoublée d’imagination. Nous considérons comme non seulement possible mais nécessaire l’invention d’autres modalités de construction : économiquement et écologiquement sobres, et par là même riches de sens et d’imaginaires nouveaux. Chaque contexte offre mille ressources que seule une analyse fine et systématique peut révéler. Chaque situation regorge d’objets, de mémoires, de matières vives et sédimentées à utiliser comme on magnifie. La justesse d’un projet résulte à nos yeux d’un savoir composer avec ce qui existe ici et maintenant, d’un savoir raconter de nouvelles histoires avec un présent à toujours réexplorer, pour mieux s’y inscrire. »
FOUCAULT ARCHAMBEAUD
La construction en terre modulaire De la brique à l’élément macro constitutif
#
1.
Contexte 10
1.1.
Enjeux environnementaux du secteur de la construction.
13
1.2.
Construire en terre ?
15
1.3.
«La nécessité est mère de l’invention» : le temps de la réaction
1.4.
Définition de la problématique
2.
TECHNIQUE DE LA CONSTRUCTION EN TERRE
18
2.1.
Généralités sur la construction en terre.
21
2.2.
Murs monolithiques
25
2.3.
Murs maçonnés
30
2.4.
Terres de remplissage (sur ossature)
31
2.5.
Terre de recouvrement
31
2.6.
Autres techniques
35
2.7.
Conclusion 35
3.
FORMULATION ET PROPRIÉTÉS DES TERRES DE CONSTRUCTION 36
3.1.
Activité des argiles et distribution granulométrique
39
3.2.
État de consistance
48
3.3.
Teneur en eau, densité et propriétés mécaniques
55
3.4.
Résistance à la compression
62
3.5.
Résistance à la traction
63
3.6.
Rigidité
64
3.7.
Conclusion
73
CONTEMPORANÉITÉ DE LA CONSTRUCTION EN TERRE : FOCUS SUR LES BTC
74
4.1.
Vers une industrialisation de la construction en terre crue
77
4.2.
Production des BTC
77
5.
DE LA BTC À LA MAÇONNERIE.
80
5.1.
Représentativité du fc,vertical de la BTC
83
5.2.
Mécanisme d’endommagement d’une maçonnerie
89
5.3.
Influence du mortier
89
5.4.
Stratégies de modélisation numérique
91
5.5.
Conclusion
95
4.
6. 6.1.
DE LA MAÇONNERIE À LA CONSTRUCTION MODULAIRE 96 Pertinence et actualité de la préfabrication modulaire.
98
#1 Contexte
11
12
#1.1 Enjeux environnementaux du secteur de la construction.
L
e monde de la construction est au premier plan de la crise environnementale que connaissent nos sociétés. Une étude de l’ADEME (ADEME, 2013)
évalue le poids de la consommation énergétique du secteur du bâtiment à 44 % de la consommation totale française, ce qui en fait le premier poste de dépense énergétique devant le secteur industriel (32%). Afin de réduire cette « note » énergétique, des réglementations se succèdent, des labels se multiplient, des solutions techniques émergent. Si cette prise de conscience est à célébrer, la problématique environnementale n’est souvent traitée que selon cet angle énergétique réducteur.
Réducteur, car il ne considère que les émissions liées à la construction et à l’exploitation du bâtiment, alors qu’un autre rapport de l’ADEME (1999) cité par Champire (2018 p. 31) présente la démolition du bâtiment comme étant responsable de 52 % des dépenses énergétiques totales du bâtiment, une fois considérées les dépenses liées au traitement des déchets de fin de vie. Réducteur encore, car il occulte un autre phénomène tout aussi préoccupant : la disparition imminente de ressources fondamentales à la bonne marche de notre société et aujourd’hui indispensables à nos modes constructifs. Or, la débauche de matière nécessaire à la maitrise des ambiances (parois complexes, systèmes de régulation, etc.) imposée par les réglementations contrevient au principe de bon sens qui devrait nous faire tendre vers une réduction de notre consommation en ressources. En plus des nombreux minerais dont la disparition est annoncée pour les années à venir (zinc : 50 ans de réserve ; cuivre : 63 ans de réserve ; Aluminium : 180 ans de réserve), l’accroissement de la difficulté d’approvisionnement en sable qui rentre dans la composition du béton amènera immanquablement une modification des pratiques constructives dans les années à venir.
13
Enjeux environnementaux du secteur de la construction.
En symétrie de la question de l’épuisement des ressources se pose celle de l’accumulation des déchets : le bâtiment représente à lui seul 73% du volume total des déchets produits en France. 90% de ces 73% sont issus de déconstructions et chantiers de réhabilitation (Gobbo, 2015). Dans les années à venir, le renouvellement du parc immobilier vieillissant du territoire européen, dont 40 % a plus de 80 ans (Gobbo, 2015), ne manquera pas de poser la question de la gestion de ces déchets. Si le débat présente les stratégies de valorisation comme alternatives principales à leur incinération et à leur enfouissement, il conviendrait avant tout de remettre en cause le système linéaire actuel, extraire-produire-consommer-jeter, qui conduit à leur production. Face à ces constats intriqués, plusieurs mouvements architecturaux émergents permettent d’espérer une évolution de la pensée constructive contemporaine. Parmi elles, citons le 4Dimensional-design, le réemploi, l’architecture bio-sourcée ou le biomimétisme qui prennent à bras le corps la complexité de la problématique écologique, non sans 14
faux pas et tâtonnements cependant. Le présent rapport s’inscrit dans l’une de ces tendances : la construction en terre crue.
#1.2 Construire en terre ?
L
e béton est perçu comme le matériau de la modernité depuis plus d’un siècle. À ce titre, et pour ses qualités indéniables, il est aujourd’hui encore
plébiscité comme matériau de construction partout dans le monde. Les alternatives de construction-masse (pierre ou terre) qui lui font face restent dans la marge dans les projets contemporains. Pourtant elles ont depuis des millénaires donné la preuve de leur durabilité : un tiers de la population mondiale vit dans un habitat en terre et tous les continents habités sont concernés (Voir "Figure 1. Implantation géographique des construction en terre.", page 16 ).
D’abord réinvestie par des acteurs privés pour le potentiel d’auto-construction qu’elle représente, la construction en terre connait depuis vingt ans un regain d’intérêt de la part des architectes et des maitres d’ouvrages privés . L’enjeux de la construction en terre crue n’est certainement pas de remplacer le béton, qui reste très adapté dans bien des situations, mais d’infuser l’idée que son usage ne devrait pas être aussi systématique qu’il l’est aujourd’hui.
15
Construire en terre ?
16
Figure 1. Implantation géographique des construction en terre. Source : Anger & Fontaine, 2005 : p.8 d’après CRATerre
17
#2 TECHNIQUE DE LA CONSTRUCTION EN TERRE
19
20
Figure 2. SchÊma des horizons d'un sol
#2.1 Généralités sur la construction en terre.
Q
uelle que soit la technique visée, la transformation de la matière première en matériau de construction suit dans les grandes lignes les
règles suivantes (Houben , et al., 2006)
Une terre de construction doit être pauvre en matière organique. Plusieurs raisons à cela : premièrement, les terres organiques qui consitituent la couche supérieure des terres arables sont précieuses. Elles sont généralement utilisées pour enrichir les champs. La deuxième raison est plus technique : l’humus est en effet réputé pour dégrader la résistance mécanique de la terre. Le taux de matière organique dans une terre de construction ne devrait pas excéder 1%, et un taux de 2% la rend absolument impropre à la construction (Houben , et al., 2006 p. 91). La terre doit ainsi être prélevée dans l’horizon B du sol, à partir de trente centimètres sous la surface. Pour rappel, les différents horizons d’un sol décrits par la pédologie sont reportés ci-dessous :
•
Horizon A (Terre arable) - Terre constituée d’un mélange de matières organiques et minérales.
•
Horizon B (ou Illuvial) – Terre de transition entre faiblement organique (B1) et inorganique (B3).
•
Horizon C – Matériau originel à dominante minérale.
Avant de décrire la variété des procédés, abordons ici les règles constructives fondamentales devant être respectées afin de garantir la durabilité d’une construction en terre :
21
Généralités sur la construction en terre.
22
Figure 3. Architecture de terre excavée, Matmata, Turquie ( Source : Wikipédia CC BY-SA 2.0
Figure 4. Bauge : La grande mosquée de Djenné, Mali. Source : ©Francois Xavier Marit / AFP)
•
La première est de prévoir un soubassement en béton ou pierre conséquent afin d’éviter la remontée capillaire de l’humidité du sol dans les murs, ce qui provoquerait immanquablement leur endommagement. Ce soubassement devra être suffisant pour préserver le mur de tout rejaillissement d’eau lors de fortes pluies.
•
La seconde est de surmonter la construction d’une couverture présentant un débord suffisant pour préserver le mur de l’érosion qui serait liée au ruissellement des eaux de pluies.
•
La troisième est de ne jamais entraver les transferts hygrothermiques entre la terre et son environnement. Les enduits mis en œuvre devront être perspirants sans quoi de sévères pathologies risqueraient de survenir, mettant en péril l’intégrité structurelle de l’édifice.
Ces précautions ont largement été décrites dans la littérature, c’est pourquoi nous ne les détaillerons pas plus ici.
A l’échelle architecturale, les angles des constructions en terre ont été identifiés comme étant les zones privilégiées de l’apparition de fissurations, en cas de tassements différentiels notamment (Houben , et al., 2006 p. 259) ou après un épisode sismique. Leur chainage est donc essentiel, que ce soit par le choix d’appareillage adapté ou l’ajout d’une armature.
Citons à présent les principales familles de construction en terre, documentées par (Houben , et al., 2006) et (Paulus, 2015 pp. 29-38) et catégorisées de la manière suivante selon leur fonction dans l’édifice :
•
Monolithique ;
•
Remplissage ;
•
Recouvrement.
23
Généralités sur la construction en terre.
24
Figure 5. Pisé : Architecture contemporaine en pisé : piscine de Toro, Espagne - Vier Architectos Source : ©Hector Fernandez Santos-Diez
Figure 6. Pisoirs manuel en bois ₍a) et pneumatique (b) Source : (Champiré, 2018)
Murs monolithiques Terre excavée L’habitat troglodytique par excavation s’est développé en réponse à des conditions climatiques rudes. Mode d’habitat millénaire dont on retrouve quelques occurrences récentes, notamment à Matmata (Voir "Figure 3. Architecture de terre excavée, Matmata, Turquie (", page 22) en Tunisie. Nous ne reviendrons pas sur ces techniques d’excavation de sols ou talus donnant lieu qui soulèvent avant tout des problématiques appartenant au champ de la géotechnique. Ces techniques ne bénéficient d’ailleurs que d’une faible actualité scientifique (voir tout de même (Gasnier, 2019)).
Bauge La bauge est une technique apparue au dixième millénaire avant J.-C. au Moyen-Orient (Gauzin-Muller, 2016 p. 5) (Paulus, 2015 p. 40). Elle consiste en l’empilement manuel dynamique de boules de terre à l’état plastique, sans mortier ni coffrage. La terre est généralement mélangée à une fibre destinée à limiter le retrait qu’implique le séchage de l’importante quantité d’eau ajoutée à la terre. Les murs ont une épaisseur supérieure à 40 cm, et généralement inférieure à 60 cm (Gauzin-Muller, 2016 p. 5). Au fur et à mesure de la superposition des lits, la terre est battue de sorte à refermer les fissures et joints qui auraient pu apparaitre. Une égalisation à la scie (ou autre outil) de la surface du mur est ensuite réalisée avant l’application (facultative) d’un enduit (Champiré, 2018). La première phase de séchage du mur dure environ deux semaines, mais une pause doit être respectée entre chaque lit afin d’éviter l’affaissement de la terre plastique.
Un mur en bauge nécessite un entretien très régulier qui consiste dans le rebouchage des fissures qui ne manquent pas d’apparaitre. Comme beaucoup d’autres architectures en bauge, la grande mosquée de Djenné intègre en
25
26
Figure 7. – Terre coulée : Impression en 3D d'un mur en terre crue coulée par l'entreprise WASP Figure 8. Blocs de terre découpés (source : photo de (Paulus, 2015 p. 32) )
sailli des bois qui servent d’échafaudage lors de son entretien (voir Figure 5).
Pisé
T
echnique largement plébiscitée par les architectes depuis une vingtaine d’année pour sa puis-
sance esthétique et son intérêt architectonique mais existant depuis des millénaires, le pisé consiste en un damage de couches successives de terre entre deux banches qui seront ensuite retirées. Simple en pre-
mière approche, le pisé nécessite pourtant savoir-faire et main d’œuvre : le damage est réalisé à l’aide de « fouloirs » ou « pisoirs » plus ou moins élaborés, plus ou moins automatisés, sur une terre dont les caractéristiques doivent être maitrisées pour éviter tout endommagement postérieur au chantier. Les fouloirs peuvent être manuels ou pneumatiques, ces derniers assurant une plus grande homogénéité des lits. Le pisé bénéficie d’une grande actualité : son potentiel de préfabrication a fait l’objet de plusieurs projets qui conduiront à l’actualisation de cette technique ancestrale à l’aune des enjeux économiques environnementaux contemporains.
Terre coulée
L
a terre coulée, également désignée par « béton d’argile » ou « béton de terre » est apparue ces dernière année (P'kala, 2002) en réponse à la trop
grande technicité du pisé dont il est une déclinaison. Une juste formulation de la terre et un dosage adapté en eau permettent de conférer à la matrice argileuse une liquidité suffisante pour une mise en œuvre identique à celle du béton de ciment, ce qui rend sa mise en œuvre accessible à tous maçons. Cette technique n’a connu que peu d’applications concrètes (voir tout de même le projet GAIA de la Start-Up WASP qui propose d’imprimer de petits édicules en impression 3D), mais fait l’objet d’un grand intérêt de la part de la communauté scientifique et des professionnels de la construction en terre, architectes ou constructeurs.
27
Murs monolithiques
28
Figure 9. – BTC : Mur de parement d'un bâtiment contemporain d'exposition, site hydraulique SIG, Vessy, Suisse. Achitectes ar-ter Source : © Olivier Zimmermann
29
Figure 10. Les gratte-ciel de Shibam, au Yémen
Source : https://www.flickr.com/photos/ twiga_swala/2286365829 CC BY-SY 2.0
Murs maçonnés
Murs maçonnés Blocs de terre découpés
D
es blocs de terre sont extraits de carrières comme le seraient des blocs de pierre (Pioches, burin, scie). Technique largement employée au Bur-
kina Faso, Mexique, Libye (Paulus, 2015) dont le sol contient de la plinthite qui durcit et s’imperméabilise après un contact prolongé avec l’air, ce qui en fait un matériau de construction pertinent malgré l’hétérogénéité de la résistance mécanique d’une brique à l’autre.
Briques de terre comprimée Technique de construction récente qui sera traitée dans la suite, la BTC met en œuvre une terre non végétale (Champiré, 2018) comprimée par des presses manuelles ou mécaniques pour for-
30
mer des briques, a priori homogènes en forme et en performances mécaniques qui après cure peuvent être maçonnées comme des briques de terre cuite, c’est-à-dire posées sur joints de mortier. Il existe néanmoins des BTC dont la forme rend superflu l’usage de mortier.
Adobe Les adobes sont des « briques de terre crue, façonnées à la main ou moulées à l’état plastique, séchées à l’air libre » puis assemblés en murs de 50 cm environ (Gauzin-Muller, 2016 p. 4), (Paulus, 2015 p. 36), (Champiré, 2018). Contrairement à la brique de terre manuel, qui permet une plus grande variété de formats (on parle alors d’adobon). En plus de l’ajout de sable, la terre peut être amendée de fibres végétales pour limiter la fissuration lors du séchage. Les premières
constructions en adobe façonnées à la main datent de 8000 avant J.-C. et ont été retrouvées en Cisjordanie et en Syrie.
Terres de remplissage (sur ossature) Torchis Le torchis consiste en la mise en œuvre d’un mélange terre-paille à l’état plastique sur un lattis en bois lui-même fixé à une ossature qui assure la descente des charges. La terre utilisée est souvent limoneuse-argileuse (Gauzin-Muller, 2016 p. 3) et donc très cohésive. Les murs de torchis font entre 15 et 20 cm, soit approximativement l’épaisseur de l’élément de structure. Il est intéressant de constater que malgré la prédominance des ossatures en bois, des architectes comme Marcelo-Cortes proposent des alternatives en ossatures métalliques pour répondre à un risque sismique important.
Terre allégée
E
ntre le pisé et le torchis se trouve la terre allégée, technique non porteuse d’isolation phonique et thermique pour laquelle la terre n’a qu’un rôle de
liant.
Terre de recouvrement Enduit de terre
L
es enduits de terre comptent parmi les techniques de construction terre les plus utilisées, notamment en auto-construction, mais ils ne sont que
peu mis en avant par les constructeurs et les architectes (Gasnier, 2019 p. 55) qui y voient sans doute une technique moins expressive que le pisé et les BTC. L’enduit est composé d’une terre visqueuse de 2 à 3 cm appliquée à la taloche avant d’être recouverte d’une terre de finition silteuse plus fine.
31
Terres de remplissage (sur ossature)
32
Figure 11. Enduit terre de l'Omicron Living Room, Martin Rauch & Anna Heringer Source : http://www.anna-heringer.com/index. php?id=82 Š Stephano Mori
33
Figure 12. - Sacs de sable Source : (Anger, 2011 p. 57)
Terres de remplissage (sur ossature)
34
Figure 13. Une mairie en torchis, SaintLaurent-des-Hommes, France
Source : https://www.communes.com/photo-saint-laurentdes-hommes,178290, Š Maryanick Gaultier
Figure 14. Torchis anti-sismique contemporain sur lattis et armature en acier - Marcelo Cortes Source : http://eartharchitecture.org/?p=285
Autres techniques
L
es techniques présentées précédemment sont les techniques les plus fréquemment citées dans la littérature et les plus mises en œuvre. Mais
la liste n’est en aucun cas exhaustive car la construction terre peut se décliner de bien d’autres manières pour s’adapter aux ressources, savoir-faire et contraintes de ceux qui la pratiquent. Citons certaines de ces déclinaisons : la construction en sac de terre et sa variante « boudin », la brique de terre extrudée (BTE) (diffère de la BTC par son mode de production, identique à celui des briques destinées à la cuisson), les pains de terre, le remplissage de parpaings creux, les murs creux, la terre projetée, les « fusées » de terre… (Doat, et al., 2006 pp. 161-190)
Conclusion
L
e terme « construction en terre » crue recouvre quantité de procédés différents, partageant leur principe constructif de base (« de bonnes bottes
et un bon chapeau », mais pas de K-way !) mais se distinguant les uns des autres par leur fonction structurelle dans le bâtiment (porteur/remplissage/ cloisonnement/finition). La grande variété de ces techniques répond à la grande variété des terres utilisées : les artisans savent empiriquement évaluer la technique la plus adaptée pour la terre à leur disposition et doivent parfois la remanier pour faciliter sa maniabilité lors du chantier, ou améliorer ses performances. De nombreuses études menées ces 30 dernières années ont tenté de comprendre scientifiquement ces connaissances empiriques dans l’optique de les optimiser. Nous dresserons dans la partie suivante un panorama de cette production scientifique fondamentale pour comprendre la construction en terre.
35
#3 FORMULATION ET PROPRIÉTÉS DES TERRES DE CONSTRUCTION
37
38
Figure 15. Classification reposant sur le diamètre moyen des grains Source : cours 3GCU INSA
Figure 16. Capillarité entre feuillets d'argile Source : Van Damme, 2013, cité par Paulus, 2015
Composition de la terre et role des argiles
#3.1 Activité des argiles et distribution granulométrique Composition de la terre et role des argiles
L
a terre est un matériau poreux constitué d’un squelette granulaire, d’un réseau de pores plus ou moins saturé en eau liquide, et de gaz (Champiré,
2018). Le squelette solide se compose lui-même de grains de tailles variables, allant du gravier (2 mm à 2 cm) au feuillet d’argile (< 2 µm). La dénomination de ces composantes selon un critère de taille est reportée"Figure 15. Classification reposant sur le diamètre moyen des grains", page 38.
Le matériau terre est souvent assimilé à un béton de terre. Un béton se définit comme étant un mélange entre des agrégats (le squelette granulaire) et un liant. Traditionnellement, un ciment portland est utilisé comme agglomérant mais dans le cadre d’un béton de terre, c’est l’argile qui remplit cette fonction capitale. Une grosse nuance est cependant à souligner entre le béton de terre et le béton de ciment : lors de son séchage le ciment durcit de manière irréversible quand l’argile n’a besoin que d’être hydratée pour retrouver sa malléabilité.
Il existe des terres plus adaptées que d’autres à la construction en terre. Deux critères principaux sont à considérer : la composition minéralogique des liants et la granulométrie.
La classification minéralogique désigne sous le terme « argile » plusieurs variétés de microcristaux, dont trois principales sont co-présentes (en proportions variables d’une terre de construction à une autre) : la kaolinite, l’illite et la montmorillonite. Ces particules en forme de feuillets se distinguent notamment par leur structure moléculaire, leurs dimensions et leur distance interfoliaire (espacement entre les feuillets) qui, ensemble, déterminent leur affinité à l’eau. Cette dernière est appelée « activité de l’argile » : plus une ar-
39
Activité des argiles et distribution granulométrique
40
Figure 17. Feuillet de Kaolinite (à gauche) et cristal de kaolinite formé d’un empilement de plusieurs feuillets (à droite)
Source : http://virtual‐museum.soils.wisc.edu. dans (Anger, 2011 p. 104))
Figure 18. Capture au microscope électronique à transmission à haute résolution de feuillets et de leur distance interfoliaire Source : Ma et Eggleton (1999) dans (Anger, 2011 p. 111))
Composition de la terre et role des argiles
gile est active, plus elle sera rendue instable par hydratation ce qui se traduira par son gonflement. Nous comprenons alors aisément que la faible activité des argiles composant une terre est déterminante dans son adéquation à la construction.
La distance interfoliaire très faible (7Å ) (Couvreur, 2012 p. 16) d’une kaolinite et sa surface spécifique réduite (10 à 30 m2/g ) (Houben , et al., 2006 p. 207) en font une argile stable à l’eau. Les molécules d’eau ne peuvent être accueillies par un espace interfoliaire aussi réduit et la surface d’interface relativement faible limite les forces d’attraction entre les molécules d’eau et les feuillets. Corolairement, une moins grande quantité d’eau que pour les autres argiles est nécessaire pour « enrober » les feuillets et donc liquéfier la terre. La kaolinite est donc très adaptée à la construction en terre (Anger, 2011 p. 111). A l’autre extrême du spectre des argiles, la distance interfoliaire des montmorillonites peut atteindre 20 Å, pour une surface spécifique de 80 m2/g (Houben , et al., 2006 p. 37). Ce sont des argiles très actives, soumises au gonflement et l’on cherchera donc à en limiter la présence dans une terre de construction.
En plus de sa composition minéralogique, une terre de construction bien formulée doit permettre un agencement des grains tendant vers l’empilement apollonien (Doat, et al., 2016), décrit par la figure page 50, qui désigne la distribution granulométrique théorique idéale dans laquelle chaque taille de grain est présente dans une juste proportion pour combler le vide laissé par les grains de taille supérieure. Cet empilement très compact confère une grande densité aux BTC en minimisant les vides et en maximisant le contact entre les grains (Moevus-Dorvaux, et al., 2016). Dans la pratique, les terres excavées présenteront des distributions granulométriques très variées, s’éloignant parfois considérablement de l’empilement apollonien théorique. Il peut alors être nécessaire de corriger leur composition par l’ajout ou le retrait de sable par tamisage. Ce remaniement adapte la terre à l’usage qui lui est destiné, le rendant plus ou moins liquide, plus ou moins maniable . Plus radicale, une recomposition granulaire complète peut être opérée à partir de terres homogènes de différentes granulométries (Gasnier, 2019 p. 44). Le matériau terre ainsi formulé est alors parfaitement maitrisé.
41
Activité des argiles et distribution granulométrique
42
Figure 19. Fuseaux granulométrique des différentes techniques constructives
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
Si l’on adopte une logique d’optimisation de la terre pour certains usages, il peut être intéressant de formuler des terres qui s’éloignent de l’empilement apollonien : la terre coulée développée dans le cadre du projet de recherche B.A.E. : Béton d’argile environnemental (Doat, 2013) est basée sur le modèle d’empilement espacé utilisé pour produire des bétons auto-nivelant, faciles à mettre en œuvre. Dans cet empilement, les grains sont espacés les uns des autres par un enrobage d’eau qui leur permet de glisser et donc de s’étendre à la manière d’un liquide, sans pour autant que la teneur en eau à la mise en œuvre soit supérieure à celle d’une terre classiquement utilisée (autour de 10% dans le cadre du projet BAE). La "Figure 19. Fuseaux granulométrique des différentes techniques constructives", page 42 montre les fuseaux granulaires de différentes techniques dans lesquels une terre doit se trouver pour une résistance optimale. Notons tout de même qu’une terre n’appartenant pas au fuseau ne sera pas totalement impropre à l’usage prévu, il s’agit seulement d’un optimum constaté empiriquement. De nombreux autres facteurs interviennent pour déterminer la résistance d’une terre, comme la nature des argiles qui la composent.
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
S
i les exigences du chantier le permettent, des tests préalables seront réalisé pour évaluer le potentiel de la terre à être mis en œuvre dans une
construction. La plupart des tests sont identiques à ceux réalisés en géotechnique, ou en sont des déclinaisons. Sans rentrer dans le détail de leur réalisation, nous présenterons dans la suite leurs grands principes :
L’activité de l’argile est évaluée via l’essai au bleu de méthylène. Il permet de déterminer l’activité d’une terre ainsi que la quantité de sa fraction argileuse. Il consiste à relever la quantité de bleu de méthylène nécessaire pour saturer l’échantillon. Le bleu de méthylène étant absorbé préférentiellement par les argiles, plus la quantité de bleu absorbée est importante, plus il y aura d’argile, et plus le sol sera considéré comme actif. Une fois la valeur de bleu saturante (VBS) obtenue, on la positionne par rapport à sept seuils, qui qualifient
43
Activité des argiles et distribution granulométrique
44
Figure 20. Seuils de caractérisation de l'activité de l'argile
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
l’activité du sol ( voir"Figure 20. Seuils de caractérisation de l'activité de l'argile", page 44).
En ce qui concerne la granulométrie, l’essai le plus courant consiste en une analyse par tamisage (NF EN ISO 17892-4) : le refus des différents tamis est pesé après dessiccation. La sédimentométrie en laboratoire est une méthode complémentaire à réaliser sur la portion fine de la terre (<0,1mm). On déduit de ces deux tests la courbe granulométrique caractéristique de la terre étudiée (voir"Figure 21. Fuseau granulaire (hachures) d'une BTC et courbe granulométrique apollonienne (en noir).", page 46) qui représente la distribution pondérale de chacun de ses composants.
Les conditions d’un chantier ne permettent pas toujours de réunir le matériel nécessaire à ce travail de caractérisation de la terre par tamisage. Des tests simplifiés aisément réalisables in-situ avec peu de moyens peuvent alors leur être substitués et donnent une bonne idée de la composition de la terre. Ils sont couramment utilisés par les maçons pour évaluer la composition d’une terre. Parmi eux, le test dit « de la bouteille » consiste à séparer les composants de la terre par sédimentation : la terre est introduite dans un bocal préalablement rempli d’eau. Le tout est secoué, puis laissé au repos pendant quelques heures afin de laisser les particules la composant se déposer en plusieurs couches. On pourra alors estimer la proportion volumique de fines, de sable et de limon dans le sol, et donc évaluer sa convenance pour une construction en terre.
Les essais dits « de lavage » et « de l’éclat » sont encore plus rapides à réaliser, mais sont moins fiables que les tests précédemment décrits. Ils devront être utilisés à défaut de pouvoir mettre en place un protocole de caractérisation plus rigoureux. Le premier consiste à se frotter les mains avec une terre modérément mouillée et d’observer les traces laissées : une terre sableuse se lavera très facilement quand une terre argileuse laissera des traces difficiles à rincer (Houben , et al., 2006 p. 302). Pour le test de l’éclat, une boule de terre humide est coupée au couteau, et l’aspect de la section renseigne sur la prédominance de limon (tranche terne) ou d’argile (tranche brillante). On pourra
45
Activité des argiles et distribution granulométrique
46
Figure 21. Fuseau granulaire (hachures) d'une BTC et courbe granulométrique apollonienne (en noir). Source : (Houben , et al., 2006)
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
47
Figure 22. - Empilement apollonien
Source : Guillaume Jacquenot Gjacquenot — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia. org/w/index.php?curid=5840285)
État de consistance
également citer les essais de l’odeur et de la morsure qui renseignent sur la présence de matières organiques (information déterminante car, comme précisé plus haut, une terre comportant plus de 2% de matière organique est impropre à la construction).
État de consistance Seuil de consistance
A
utre élément de classification d’une terre : son état de consistance. La consistance n’est pas une caractéristique intrinsèque de la terre
puisqu’elle correspond à un état d’hydratation de la terre à un instant t . Elle dépend donc directement de la teneur en eau du sol. Progressivement hydraté, une terre initialement à l’état solide voit sa cohésion augmenter et peut être aisément façonnée manuellement. On parle alors d’état plastique. Passé un certain seuil d’hydratation, la terre s’écoule et il n’est plus possible de la 48
façonner, ce qui marque son passage à l’état liquide. Les teneurs en eau « limites » d’Atterberg (Voir figure "Organisation des particules pour différents états de consistance", page 50) qui déterminent le passage d’un état de consistance à un autre sont caractéristiques de chaque terre. La terre est généralement mise en œuvre à l’état plastique.
Caractérisation de l’état de consistance Ces seuils peuvent être évalués rapidement par des tests simples : l’appareil de Casagrande (NF P94-051) permet d’obtenir la limite de liquidité, et la limite de plasticité est la teneur en eau pour laquelle un petit rouleau composé de la portion fine du sol se brise en tronçons de 1 à 2 cm pour un diamètre de 3mm. Des valeurs de ces deux limites, de liquidité (Wl) et de plasticité (Wp), on peut déduire l’indice de plasticité Ip qui caractérise l’état de consistance plastique
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
49
Figure 23. Rhéogrammes de différentes familles de comportement ( Newtonien (a), Rhéo-fluidifiant (b), rhéoépaissisant (c), de Bingham (d), psoeudo plastique (e)) Source : Azevedo
Figure 24. Fuseaux optimums pour différentes techniques de construction en terre
État de consistance
50
Figure 25. Organisation des particules pour différents états de consistance Source : Cours d’Irini Djeran Maigre, INSA Lyon
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
51
Figure 26. - Appareil de Casagrande
Source :http://www.sols-mesures.com/?product=limite-deliquidite-casagrande-wl)
Figure 27. Mesure de la limite de plasticité par boudin
Source :http://wikhydro.developpement-durable.gouv.fr/index. php/Wikigeotech:Limites_d%27Atterberg
État de consistance
de la terre et renseigne sur les risques de déformation à l’humification (gonflement) et au séchage (retrait) de la terre. Plus Ip est élevé, plus les déformations seront grandes (Houben , et al., 2006 p. 66).
La Figure 45 donne le fuseau acceptable de l’Ip en fonction de la limite de liquidité de la terre pour des BTC En plus de la mesure des seuils caractéristiques, un état de consistance peut être caractérisé en laboratoire par l’étude du comportement rhéologique de la terre. Alves de Azeredo (2005) a démontré que la terre à l’état plastique suivait avait le comportement d’un fluide de Bingham (voir le rhéogramme Figure 32), caractérisé par son seuil d’écoulement τ_y (contrainte de cisaillement minimale pour initier l’écoulement), sa viscosité plastique η_p (dérivée du rhéogramme en Pa.s) et son seuil de Bingham τ_f. Les mortiers de ciment classiques suivent également ce comportement. Il a alors caractérisé un mortier de terre préparé par un maçon, pour obtenir les ordres de grandeurs suivants : 52
Il démontre également qu’une augmentation du taux d’argiles gonflantes et une diminution de la teneur en eau de la terre augmentent le seuil d’écoulement et la viscosité plastique de cette dernière, la rendant de fait moins maniable.
Dans la pratique, des tests normalisés de chantier permettent de caractériser plus simplement la consistance d’une terre (Moevus-Dorvaux, et al., 2016 p. 105) :
Le test au cône d’Abrams [NF P18-451] - Couramment utilisé pour évaluer l’état de consistance d’un ciment frais en mesurant son affaissement sous poids propre, il peut être adapté au matériau terre si l’on relève un temps
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
d’affaissement intermédiaire (DeLarrard, 1998 cité par (Moevus-Dorvaux, et al., 2016)). Un affaissement compris entre 50 et 90 mm (classe S2) indique un état plastique à maniabilité moyenne, un affaissement compris entre 100 et 150 mm indique un état très plastique et très maniable. L’essai de la table d’étalement [NF 413-2] - Mesure de l’étalement d’une portion de terre disposée sur table à coup. Permet de caractériser l’état des terres liquides. Essai du plongueur [NF 413-2] – Essai le plus reproductible d’après (Alves de Azeredo, 2005). Une mesure de la pénétration d’un cylindre lâché au-dessus du mélange permet d’estimer sa consistance. Une pénétration comprise entre 1,2 et 2 cm correspond à un état de consistance adapté pour une mise en œuvre plastique de la terre (Alves de Azeredo, 2005).
Une terre naturelle non retravaillée présente généralement un état plastique avec une teneur en eau proche de la limite de plasticité (Djeran-Maigre, 2017). Il est ainsi parfois nécessaire d’ajouter de l’eau. En effet, lors de la mise en œuvre de la terre, il est important de veiller à ce qu’elle ait la consistance adaptée à la technique visée : dans le cadre du pisé par exemple, une terre trop sèche n’aurait aucune cohésion et une terre trop humide - trop liquide s’affaisserait lors du décoffrage (Doat, et al., 2016). L’importance de trouver une juste teneur en eau n’est pas seulement liée aux exigences de mise en œuvre : ce n’est qu’au terme de son séchage que la terre acquiert ses pleines propriétés mécaniques (Doat, et al., 2016). Or, en s’évacuant, l’eau libère les pores qu’elle occupait lors du compactage. (Pirat et Filloux, 2012) Plus il y a d’eau, plus il y a de pores lors du séchage, moins la densité est élevée, ce qui se traduit, nous l’avons vu, par une résistance moindre. Enfin, la dessiccation d’une trop grande quantité d’eau risquerait d’entrainer un retrait important et des fissurations.
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État de consistance
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Figure 28. Résultats obtenus sur des éprouvettes cylindriques PROCTOR Source : Mollion, 2009, lu dans (Champiré, 2018)
Figure 29. Evolution de la résistance à la compression du mélange 532 compacté en fonction de la teneur en eau résiduelle Source : Moevus et al.,2013, p.11
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
Teneur en eau, densité et propriétés mécaniques Impact de la teneur en eau sur les propriétés mécaniques De nombreux auteurs se sont penchés sur la relation entre la teneur en eau de l’échantillon (généralement corrélée à sa densité) et ses propriétés mécaniques. Il en ressort le constat d’une corrélation positive entre densité et résistance mécanique à la compression. Chaque expérimentation concerne une terre bien spécifique testée dans des conditions variables ce qui interdit de tirer en toute rigueur des conclusions chiffrées de la comparaison des études. Nous pouvons cependant considérer qu’elles nous informent sur des ordres de grandeurs et des tendances. Par la suite, nous reviendrons plus spécifiquement sur les propriétés mécaniques des BTC.
La nature des argiles présentes dans la terre, leur proportion et les conditions de compactage ont une influence sur les propriétés hygrométriques du matériau terre, dont les principales caractéristiques sont les suivantes (Moevus et al., 2013) :
•
Sorption ;
•
Rétention d’eau ;
•
Perméabilité à la vapeur d’eau ;
•
Absorption capillaire ;
•
Retrait et gonflement.
Ces paramètres, qui ne seront pas détaillés ici, déterminent en partie la quantité d’eau présente dans le réseau poral à un instant t. L’eau a un effet direct sur les propriétés cohésives du matériau - l’effet de succion à l’échelle du grain induit par l’eau entrainant une résistance au glissement - et donc sur son comportement mécanique. Cet effet a été étudié par plusieurs auteurs, qui ont démontré que la résis-
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Teneur en eau, densité et propriétés mécaniques
56
Figure 30. Mesure de la T.E.O. par compactage statique Source : (P'kala, 2002 p. 40)
Figure 31. Evolution de E élastique avec la teneur en eau pour trois séries d'éprouvettes Source : Mollion, 2009, lu dans (Champiré, 2018)
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
tance en compression d’une éprouvette cylindrique de terre comprimée diminue lors de l’augmentation de sa teneur en eau (Champire, 2018, p. 37 ; Mollion, 2009 ; Moevus et al., 2013, p. 11), de même que l’angle de frottement et la cohésion de la terre (Champiré, 2018). Le coefficient de poisson, lui a tendance à légèrement augmenter, s’accompagnant d’une accentuation des déformations de l’éprouvette sous charge pour des teneurs en eau élevées. Dans le cadre de l’éprouvette de terre à pisé étudiée par Moevus et al. (2013), la courbe de résistance à la compression présente une asymptote à environ 0,5 MPa pour une teneur en eau supérieure à 7% (voir "Evolution de la résistance à la compression du mélange 532 compacté en fonction de la teneur en eau résiduelle", page 54). On notera que, toujours d’après Moevus, la teneur en eau d’un mur en terre est généralement comprise entre 0, 5 et 5% en fonction de la mise en œuvre et de l’humidité relative de l’environnement de stockage.
La teneur en eau d’une terre impacte également la rigidité du matériau à travers son module d’Young statique E, mesuré dans le domaine élastique. Les études de Mollion (voir "Figure 31. Evolution de E élastique avec la teneur en eau pour trois séries d'éprouvettes", page 56) montrent qu’après un pallier entre 0 et 4% environ de teneur en eau, le module d’Young diminue avec l’augmentation de la teneur en eau. Les changements de régime observables aux alentours de 4 ou 5% de teneur en eau dans les études de Moevus et Mollion peuvent résulter du fait qu’une trop grande quantité d’eau a un effet lubrifiant sur les grains et réduit la capillarité (Moevus, 2013). Les grains « baignent » dans l’eau qui n’assure plus la cohésion de la terre et limite les interactions de van der Waals (Doat, et al., 2016). Pour des hautes teneurs en humidité, des pathologies s’ajoutent à la dégradation de la résistance mécanique du matériau et mettent en péril A l’extrême inverse, une déshydratation absolue à 200°C de la terre aurait pour effet de rompre les liaisons capillaires liées à la présence d’eau, et la résistance à la compression de la terre s’en trouverait amoindrit (Champiré, et al., 2015). Mais un environnement naturel n’atteint jamais une telle condition de température, et l’attention ne se portera que sur un surplus de teneur en humidité.
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Teneur en eau, densité et propriétés mécaniques
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Figure 32. Synthèse des résistance à la compression trouvées dans la littérature Source :
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
59
Figure 33. Résistance à la compression en fonction de la teneur en humidité (Source : PIrat et Fouilloux, 2012, p.55)
Teneur en eau, densité et propriétés mécaniques
Teneur en eau optimale (T.E.O.) Il existe une teneur en eau optimale (T.E.O) à respecter pour laquelle la résistance mécanique de la terre est maximale après compactage. L’essai dynamique PROCTOR tel que décrit dans la norme NF P 94-093 qui permet d’obtenir cet optimum pour des sols pulvérulents n’est pas satisfaisant dans le cadre de la caractérisation d’une terre argileuse car il entraine une saturation (et donc une masse volumique) non homogène de l’éprouvette (P'kala, 2002 p. 26). Les résultats sont faussés par ces saturation locales qui font atteindre le point d’incompressibilité sans laisser le temps de l’évacuation des surpressions interstitielles. De plus, l’essai PROCTOR devant être réalisé par compactage dynamique pour une énergie fixée, il n’est en rien représentatif du compactage quasi-statique et de l’énergie d’origine manuelle déployée dans la réalisation de BTC, par exemple. La teneur en eau optimale. P’Kala (2002 p. 39) propose une procédure adaptée à la mesure de la teneur en eau optimale par compactage quasi-statique, avec la presse qui sera utilisé pour produire 60
les blocs :
1. Fixer un état initial de la terre. La compacter ; 2. Augmenter progressivement par incrément de poids arbitraire la quantité de terre introduite dans le moule de la presse jusqu’à la limite de capacité du moule ; 3. Augmenter la teneur en eau, et itérer 1 et 2 en notant à chaque fois la densité sèche correspondante. 4. La T.E.O. correspond à la plus grande densité sèche mesurée (tracer la courbe densité sèche % teneur en eau).
Pkala trouve une T.E.O. de fabrication de 12,5% (resp.13,5%) pour un bloc non stabilisé (resp. stabilisé à 4% de ciment) (P'kala, 2002 p. 40). Pirat et Filloux ont démontré que l’évolution de la résistance à la compression d’éprouvettes cylindriques en fonction de la teneur en eau suivait une loi de la forme σc=A.wB
avec A=1,99 et B= -0,59. Cette tendance en loi puissance
semble confirmée par Heath (2009, cité par (Moevus-Dorvaux, et al., 2016 p.
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
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Figure 35. Différents corps d'essai Source : P'kala, 2002
Figure 36. Evolution des modules statiques et dynamique en fonction de la teneur en eau Source : Pirat et Folloux, 2012, p. 55
Résistance à la compression
135)) pour 12 éprouvettes prismatiques de composition différentes, avec A = la résistance à la compression en MPa pour 1% de la teneur en eau et -0.32 < B < -0.47. Si elle venait à être confirmée par d’autres essais, cette tendance serait assez robuste car valable quelle que soit la géométrie de l’éprouvette.
Résistance à la compression Protocole d’essai À chaque géométrie ses contraintes expérimentales : afin de pouvoir négliger l’effet du frettage, l’éprouvette doit présenter au minimum un élancement de 2 (P’Kala, 2002). Malgré cette précaution, Mollion dit que ce n’est pas suffisant, puisqu’en posant des jauges au centre de l’éprouvette pour mesurer localement la déformation, on trouve un E bien différent de ce qu’on aurait eu par une mesure « globale » de la déformation, ce qui prouve l’influence d’effets 62
de bords, même pour des élancements considérés comme suffisant. Les procédés d’anti frettage sont également d’efficacité très variable. P’kala (2002, p.91) a comparé le comportement en compression d’éprouvettes réalisées avec deux terres différentes, avec ou sans frettage. Il ressort que le frettage conduit à une surestimation de la résistance en compression de 20% environ, ce qui ne vas pas dans le sens de la sécurité. Il est donc primordial de choisir avec soin les dispositifs anti-frettage.
Valeurs caractéristiques Peu de données généralisables existent quant aux performances mécaniques du matériau terre (Moevus-Dorvaux, et al., 2016 p. 158). La synthèse bibliographique de (Moevus-Dorvaux, et al.) met en lumière la très grande dispersion des résistances en compression mesurées par les auteurs ayant traité le sujet : de 0,4 (Anger, et al., 2009) pour des terres naturelles à 4,5 MPa (Kouakou, 2009). D’autres auteurs non référencés dans cette
Caractérisation de la granulométrie et de l’activité des argiles
synthèse avancent même des résistance allant jusqu’à 45 MPa (Walter Bruno, et al., 2015) . En plus des très nombreux paramètres qui influencent la résistance mécanique du matériau (densité, granulométrie, teneur en eau, activité des argiles) les dispositifs expérimentaux mis en place par chaque auteurs sont très variables et rendent délicate toute comparaison de résultat, comme la "Synthèse des résistance à la compression trouvées dans la littérature", page 58 l’illustre. Le graphique ci-dessous reprend également les plages de résistance pour plusieurs techniques de construction.
Résistance à la traction La construction en terre faisant travailler le matériau essentiellement en compression, la résistance à la traction n’a bénéficié d’aucune recherche dédiée. Les essais utilisés pour le béton sont considérés comme valables. L’essai par fendage est considéré comme valide dans nombre d’études. Il permet de générer un effort de traction indirect à partir d’un effort de compression. La résistance est alors exprimée en fonction de la charge maximale :
Bui et al (2016 p. 2) ont réalisé un essai par fendage (ou essai brésilien) sur éprouvette cylindrique, qui semble confirmer l’usage courant donnant une résistance en traction égale à dix-pour-cent de la résistance à la compression. Pourtant très souvent utilisé sur chantier car facile à réaliser, l’essai de flexion 3 points n’est pas pertinent dans le cadre de la construction en terre car les hypothèses de RDM qui autorisent sont application
63
Rigidité
ne sont pas vérifiées (notamment la condition d’élancement). P ‘Kala (2002) propose alors un modèle qui permet de tirer parti des résultats de l’essai de flexion 3 points. Ce modèle est éprouvé et validé par une modélisation de type éléments finis. Il permet de ramener à 20% l’écart avec les résultats de l’essai par fendage (contre 175% avec le modèle « classique ») (P'kala, 2002)
Rigidité Il est délicat d’obtenir une valeur de E réellement représentative du matériau, les précautions d’anti-frettage et un élancement élevé ne suffisant généralement pas à supprimer totalement les effets de bords (Moevus-Dorvaux, et al., 2016 p. 133). En réalisant une mesure locale des déformations afin de limiter ces effets de bords, Mollion (2009), trouve un E compris entre 1277 et 2081 MPa. Pour ne pas avoir à traiter ces effets de bords, (Fontaine, 2004) et (Pirat & 64
Filloux, 2012) ont utilisé un appareil de mesure de la fréquence fondamentale de résonnance : le Grindo Sonic. À partir d’une expression liant les paramètres géométriques et la masse volumique de la brique, il est possible de remonter au module d’Young dynamique. Pirat et Filloux trouvent alors un E_dyn compris entre 1500 et 5500 Mpa. Nous vérifierons par la suite ces valeurs sur des briques de terre crue. Aucune relation entre le module d’Young dynamique et le module d’Young statique n’est cependant avancée.
Améliorations Comme nous l’avons vu, le matériau terre peut être envisagé comme un béton de terre. Il est alors naturel de penser que les avancées technologiques dont bénéficient le béton de ciment peuvent être transposées à la construction en terre pour en améliorer les performances. Les enjeux d’une telle amélioration sont les suivants (D’après (Construction en terre : l'amélioration par la stabilisation, 2005)):
•
La réduction de la porosité ;
Améliorations
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Figure 37. Stratégies de stabilisation Source : Guillaud & Houbem ,1995 : p.81
Figure 38. Effet d'une stabilisation chimique au ciment sur la résistance en compression de BTC Source : Morel et al.,2007, p.308 cité par (Paulus, 2015 p. 58
Rigidité
•
La diminution du gonflement ou du retrait de la terre ;
•
L’amélioration de la résistance à l’érosion et l’imperméabilisation de surface ;
•
L’obtention de meilleures performances mécaniques.
En réponse à ces objectifs, (Houben , et al., 2006) dégagent trois grandes stratégies d’amélioration de la terre, aussi appelée stabilisation, qui sont repris dans le tableau ci-dessous et que nous détaillons dans la suite :
La stabilisation chimique Consiste en l’ajout d’un ou plusieurs adjuvants destinés à modifier une ou plusieurs propriétés du sol par réactions physico-chimique. L’incorporation de ciment, de chaux aérienne ou hydraulique ou de bitume au mélange argileux créé après séchage un squelette qui reprend les efforts, limite les mou66
vements de gonflement et de retrait et limite l’érosion (Construction en terre : l'amélioration par la stabilisation, 2005). De nos jours et sous nos contrées occidentales, la stabilisation chimique consiste essentiellement en l’ajout de ciment à la terre (Voir "Figure 38. Effet d'une stabilisation chimique au ciment sur la résistance en compression de BTC", page 65 ), mais de nombreuses alternatives ont recours à des ressources locales. La bouse de vache est notamment fréquemment utilisée car les ruminants digèrent uniquement la lignine, laissant les fibres intactes.
L’intérêt de la stabilisation chimique est à modérer. En effet, l’atout majeur de
Améliorations
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Figure 39. Binder intensity index bi
Source : Houben & Van Damme, d'après Damineli & al.
Figure 40. Carbon intensity index ci
Source : Houben & Van Damme, d'après Damineli & al.
Rigidité
la construction en terre crue est la facilité avec laquelle la terre-matériau de construction retourne à sa condition de terre-composante du sol. S’ils améliorent la durabilité et la résistance des constructions en terre, ces procédés de stabilisation ont pour effet de « polluer » la terre, rendant son réemploi difficile voire impossible. De plus, même après stabilisation, la terre reste un matériau de construction aux performances modestes. Aussi est-il important de mettre dans la balance les bénéfices en terme de résistance et les inconvénients environnementaux d’une stabilisation.
A titre d’exemple, le Tableau ci-dessus montre qu’une terre à pisé sans adjuvant présente un potentiel de réchauffement global (PRG) exemplaire de 23 g de CO2 par kg de terre, contre 64 à 106 g de CO2 par kg pour un mélange à pisé stabilisé au ciment Portland comprenant 5 à 10 % de ciment. Ce dernier n’est donc pas très éloigné du PRG d’un béton ordinaire (130 g de CO2 par kg) ce qui, à performance moindre et à impact environnemental équivalent, relativise grandement l’intérêt d’une terre stabilisée. 68
Pour évaluer l’impact environnementale d’une terre par rapport au gain mécanique permis par l’apport de ciment, deux indicateurs ont d’abord été mis en place par (Damineli et al.) avant d’être repris par (Houben, et al., 1995) : le binder intensity index (Indicateur d’intensité du liant) et le carbon intensity index (Indicateur d’intensité carbone) :
Où :
b est la consommation totale de liant (kg de liant par m3 de terre) ;
c est l’émission total de CO2 (kg de Co2 émis par m3 de terre) ;
s est la résistance à la compression à 28 jours de séchage (MPa).
L’étude de l’indicateur d’intensité du liant revient à se demander « combien de ciment dois-je ajouter pour obtenir une résistance à la compression de 1MPa ? ». Plus les valeurs de bi sont basses, moins la quantité de ciment nécessaire à l’amélioration du matériau est grande. On constate sur la Figure 40 que
Améliorations
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Figure 41. Comparaison de résistances mécaniques de différents matériaux de construction, dont une terre compactée à haute pression non stabilisée. Source : Walter Bruno, et al., 2015 p. 7
Rigidité
l’usage du ciment est très pertinent pour du béton haute performance (pour une résistance de 60 MPa, le bi est à 8kg.m^3.MPa^(-1) environ) mais inefficace comparativement dans le cadre d’une terre à pisé (pour une résistance de 2,5 MPa, le bi est à 35 kg.m^3.MPa^(-1) environ) et absolument inefficace dans le cadre des adobes (pour une résistance de 1 MPa, le bi est à 45 kg.m^3.MPa^(-1) environ). L’utilisation du ciment reste cependant acceptable pour des terres comprimées (pour une résistance de 8 à 20 MPa, le bi est compris entre 6 et 17 kg.m^3.MPa^(-1) environ).
L’étude de l’indicateur d’intensité carbone revient à se demander « combien de CO2 dois-je émettre pour obtenir une résistance à la compression de 1MPa ? ». Les résultats visibles sur le graphique précédent trouvent un écho dans le diagramme d’intensité carbone ci-contre. L’ajout de ciment s’accompagne d’une forte hausse de l’impact carbone du matériau. Or l’amélioration observable de la terre est faible au regard de l’apport de ciment important qu’elle nécessite (par rapport à un béton) : la stabilisation n’est pas pertinente du 70
point de vue de la résistance mécanique du matériau. Seuls les BTC et terres compactées conservent des performances environnementales acceptables, mais restent près de dix fois moins résistantes que le béton. Le principe à appliquer est donc « le bon matériau au bon endroit ». À ce sujet, Olivier (1969) énonce :
“À une époque où toutes les possibilités offertes par l’acier ou le verre, les plastiques et autres matériaux nouveaux n’ont pas encore été réalisés ou appliqués, l’emploi adéquat des matériaux traditionnels d’une manière qui fasse plein usage de leurs propriétés, constitue une morale et un étalon applicables aux nouveaux matériaux. L’architecture vernaculaire offre une autre règle morale : l’application adéquate d’un matériau à son usage, en étendant sa portée et en exploitant sa capacité, mais sans l’obliger à se comporter contrairement à sa nature.” P. Olivier, 1969
Améliorations
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Figure 42. Variation du retrait volumétrique en fonction de la proportion de fibres intégré Source : Ouhicha et al., 2005
Figure 43. La bauge avec et sans fibre lors de la mise en œuvre humide et après séchage. En l’absence de fibres, des fissures sont visibles après séchage. Source : Addison Greer, 1996
Figure 44. Architecture en pisé non stabilisé : Source : Bui Quoc, p.34
Rigidité
La stabilisation mécanique Elle ne nécessite pas quant à elle d’adjuvant. Elle consiste en une densification du matériau par compactage haute pression. Dans leur article Brique de terre crue : procédure de compactage haute pression, (Walter Bruno, et al., 2015) ont démontré que ce procédé de stabilisation permet d’atteindre des performances en compression analogues à celles obtenues par une stabilisation chimique. Mieux, pour une énergie de compactage de 100MPa, elles vont jusqu’à dépasser les valeurs de résistances minimales requises pour des briques de terres cuites couramment employées en maçonnerie (voir Tableau 4). Avant même la confection des BTC, le compactage ou le pétrissage mène à la saturation en eau des pores jusqu’à consolidation de la terre, « processus par lequel la teneur en eau d’un sol saturé diminue, sans remplacement de l’eau par l’air » . L’eau, qui reprenait une partie des efforts est évacuée, ce qui a pour effet d’augmenter sa densité en diminuant sa porosité. L’effet coro72
laire est une diminution de la porosité de la terre et donc une amélioration de la tenue à l’eau (Paulus, 2015).
La stabilisation mécanique opérée par (Walter Bruno, et al., 2015) entraine en outre une rigidification du matériau : entre un compactage à 25 MPa et un compactage à 100 MPa, le module d’Young se trouve augmenté de 50%.
La stabilisation physique A également pour objectif de densifier la terre en agissant cette fois-ci sur la composition du sol pour faire tendre sa distribution granulométrique vers le modèle apollonien. Une telle terre sera dite « remaniée ». D’après (Champiré, et al., 2015), la composition de la terre a d’ailleurs plus d’influence sur sa densité que l’énergie déployée lors du compactage. Une démarche analogue sur la composition du béton a conduit à la formulation de super-bétons dont les performances à la compression se sont vues multipliées par dix (Anger, 2005 p. 72). Remanier une terre n’est cependant pas toujours la méthode la
Améliorations
plus évidente à mettre œuvre lorsque l’on souhaite exploiter in-situ les terres d’excavation d’un chantier de construction. Une stabilisation physique peut également correspondre à l’ajout de fibres végétales, minérales ou animales destinée à créer une armature inerte omnidirectionnelle qui s’oppose à tout mouvement (Houben , et al., 2006), qu’il soit de retrait ou de gonflement. De tels mouvements induisent des efforts de tractions et de cisaillement auxquels le matériau terre est sensible, et qui sont ici repris par les stabilisants inertes. Addison (1996) explique que les fibres distribuent le retrait dans tout le volume du matériau. Les phénomènes de fissuration et de retrait en sont très largement réduits, et ce pour tout type de sol, comme l’illustre la Figure 43 et la Figure 44 lues dans (Phung, 2018). En France, la paille est le matériau fibreux le plus couramment utilisé pour la construction terre en France, mais de nombreuses alternatives existent et ont fait l’objet d’études : les fibre de coco, de sisal, de palmier ou encore de jute (Phung, 2018 pp. 23-25). 73
Conclusion Les performances d’une construction en terre crue dépendent fortement de la formulation de la terre mise en œuvre. La proportion de chaque taille de grain doit tendre vers les proportions de l’empilement théorique « apollonien », où chaque taille de grain vient remplir les vides laissés par les grains de taille supérieure. Cet empilement théorique correspond à une terre de densité maximale qui maximise les frottements et donc les interactions de Van der Walls entre les atomes de particules. Ces interactions, en plus de la cohésion de la terre liée à sa teneur en eau devant être inférieure à 5 % pour ne pas dégrader la terre et ses performances mécaniques, participent à la résistance mécanique de la terre.
#4 CONTEMPORANÉITÉ DE LA CONSTRUCTION EN TERRE : FOCUS SUR LES BTC
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Figure 45. Résistance en compression minimale admissible pour les BTC pour différentes normes à travers le monde Source : Canas et al., 2012, p. 739 cité par Paulus, 2015
Figure 46. Diagramme de plasticité de Casagrande pour BTC
Source: Djeran-Maigre, 2018, Cours de géotechnique 3GCU, INSA Lyon
Améliorations
4.1 Vers une industrialisation de la construction en terre crue Avec le béton d’argile et le pisé, les BTC incarnent le renouveau de la construction en terre de ces dernières années. De la Crécise, presse à vin modifiée au XIXe siècle pour le compactage de terre à l’invention de CINVA RAM qui servit dans les années 1950 à réactualiser la construction en terre en Inde et en Amérique, la modernisation des modes de fabrication des BTC nous a conduit aujourd’hui à une forme d’industrialisation de la production de BTC (P'kala, 2002). Cette industrialisation répond au besoin d’augmenter significativement les rendements pour construire des projets d’envergure accrues en des délais et des couts raisonnables. La BTC s’y prête particulièrement bien en raison de ses dimensions réduites qui assurent un séchage 3D rapide (Paulus, 2015) quand le pisé, en raison de son élancement et de son épaisseur, ne peut bénéficier que d’un long séchage 1D. L’industrialisation répond aux exigences techniques des normes européennes qui imposent des valeurs de résistances planchers (comprises entre 1,25 MPa pour la norme Espagnole UNE41410 et 3,5 MPa pour la norme Néo-Zélandaise NZS, 2 MPa pour la norme française XP P13-901) et qui réclament une grande maitrise des propriétés des produits. Les presses modernes déploient de hautes énergies de compactage ce qui augmente la résistance en compression des briques (Walter Bruno, et al., 2015) tout en uniformisant leurs propriétés.
4.2.
Production des BTC Les caractéristiques des différentes technologies de presses sont reportées dans le Tableau 5 construit d’après (Doat et al., 1979), (Guillaud & Houben, 1995) et (Garnier et al., 1996) cités par (Paulus, 2015). On constate que les presses industrielles (50.000 blocs/jour pour de la vibro-compaction) les plus efficaces autorisent des rendements plus de 40 fois supérieurs à ceux d’une presse manuelle (au plus 1.200 blocs/jour). Les pressions de compac-
77
Vers une industrialisation de la construction en terre crue
78
Figure 47. Caractéristiques des différentes presses à BTC Source : D’après Doat et al., 1979 ; Guillaud & Houben, 1995 ; Garnier et al., 1996.
Figure 48. Résultats obtenus sur des éprouvettes cylindriques PROCTOR
Améliorations
tage respectent un facteur 20. Le propos n’est pas de hiérarchiser les modes de fabrication des BTC, mais de mettre en valeur l’éventail des procédés qui s’adaptent à toutes les échelles et les natures de chantier. Il existe même des presses tractables qui sont amenées directement sur chantier et sont un bon compromis entre efficacité et adaptabilité. L’industrialisation des modes de production des briques ne va ainsi pas à l’encontre du sens premier de la construction en terre qui est d’exploiter localement une ressource en limitant les frais et les émissions de GAES liées au transport. Bien qu’onéreuses à l’achat et en entretien, les presses motorisées garantissent une plus grande uniformité des briques produites que les presses manuelles En augmentant la densité du matériau, une haute pression de compactage a un impact positif sur la résistance mécanique de la brique, on comprend donc l’intérêt d’une presse offrant une pression de compactage 40 MPa quand vient la nécessité d’augmenter leurs performances.
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Production des BTC
#5 DE LA BTC À LA MAÇONNERIE.
80
Améliorations
L’étude des blocs n’a d’intérêt qu’en ce qu’elle nous informe sur le comportement des maçonneries dont ils seront constitutifs. Plusieurs stratégies existent pour évaluer le comportement mécanique d’un muret à partir des caractéristiques d’un bloc. L’analyse du comportement du muret devra dépasser la simple étude des charges de ruines pour rendre notamment compte de ses modes de fissuration. Le changement d’échelle implique en effet d’embrasser la totalité les problématiques qui se posent à une échelle architecturale, non seulement dans une approche performancielle mais également en considérant les enjeux esthétiques. Nous tenterons dans cette partie de saisir ce qu’implique ce changement d’échelle, que ce soit du point de vue de la représentativité des résultats expérimentaux ou du point de vue de la compréhension global du comportement d’une maçonnerie.
81
82
Figure 49. Triplet maçonné Source : P'kala, 2002 p. 157
Améliorations
5.1 Représentativité du fc,vertical de la BTC Une fois les caractéristiques du bloc connues, (Khalid, 2000) propose de remonter aux performances à la compression d’une maçonnerie. Une maçonnerie est l’assemblage de plusieurs de ces éléments unitaires par une couche de mortier. (Khalid, 2000) donne l’expression suivante :
Confirmant cette tendance, les expérimentations menées par (P'kala, 2002) ont démontré que :
Devant cette faible représentativité, (P'kala, 2002) s’est également penché sur la recherche d’une corrélation entre les performances de BTC et celles de triplets (assemblage de 3 blocs, voir Figure 50) maçonnés censés être plus représentatifs de maçonneries de plus grande envergure. La présence de mortier dans cet assemblage permettrait d’obtenir des résultats plus fiables que sur une BTC seule, en plus des économies réalisées par rapport à la construction d’un muret entier. Dans ces conditions, les études expérimentales de (P'kala, 2002) montrent :
Ainsi, un les essais sur triplets surestiment la résistance réelle d’un muret. Même si un triplet est plus représentatif qu’un simple bloc, l’intervalle est trop étendu pour considérer les valeurs trouvées pour un triplet comme étant également substituables à celle d’une maçonnerie. Ainsi, les essais sur triplets permettront uniquement de vérifier des tendances. Dans le cadre d’une maçonnerie « courante » en blocs de béton sur lit de ciment de l’Eurocode 6, proposait la relation suivante :
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Représentativité du fc,vertical de la BTC
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Figure 50. Résultats sur murs en BTC Source : Olivier (1994) cités par (P'kala, 2002)
Améliorations
Ou :
f_k est la résistance caractéristique en compression de la maçonnerie
;
K est un coefficient dépendant du groupe de bloc ( caractérisé par
volume de trou et présence ou non de joint) ;
fb et fm sont les résistances caractéristiques en compression des
blocs et du mortier.
Si l’on assimile le mortier de terre à un mortier d’usage courant, et si l’on admet que les BTC sont des blocs de type 1 (blocs pleins), l’expression devient :
(P'kala, 2002 p. 178) conclu à l’invalidité de cette formule appliquée à des maçonneries en terre crue. Elle conduit à la sous-estimation (hormis pour un essai qui ne sera pas considéré) de la résistance à la rupture et à la fissuration en compression des murets avec des rapports σc/σr compris entre 0.47 et 0.78, ce qui ne semble pas constituer une approximation satisfaisante. Une piste de recherche serait donc de transposer cette formule de l’Eurocode 6, à des blocs de terre crue.
Walker (1995) montre que murs BTC ont comportement similaire à « maçonnerie classique », avec des blocs qui sont soumis à un effort horizontal de traction responsable de la rupture et le mortier est dans un effort de compression triaxiale. Aussi que le module de compression d’un muret BTC et de l’ordre du 1/3 de celui des murets en briques cuites avec mortier sable/ ciment. Avec déformation à la rupture 3 ou 4 fois plus grande. Olivier (1994) a étudié 2 murets de 1,07x0,87x0,14 m3 en BTC stabilisées (4% bloc + 8% mortier) ou non stabilisées (0% bloc + 4%) au ciment.
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Représentativité du fc,vertical de la BTC
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Figure 51. Fissuration d'un muret en BTC sous chargement vertical simple Source : (P'kala, 2002 p. 139)
Améliorations
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Figure 52. - Influence du rapport du rapport de résistance bloc/mortier (a) (b) (c)
Mortier plus résistant que les blocs Mortier moins résistant que les blocs Blocs et mortier de résistance équivalente
Figure 53. Rupture en compression simple sur éprouvette cylindrique et éléments de maçonnerie pour différents taux de mortiers. Source : P'kala, 2002 p. 95
Représentativité du fc,vertical de la BTC
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Figure 54. Influence de la position des blocs sur les déformations pour deux murets soumis à sollicitation verticale. Figure 55. Différentes formes de BTC
Source : (Houben, et al., 1995) lu dans (Paulus, 2015)
Améliorations
Mécanisme d’endommagement d’une maçonnerie Selon Olivier (1994) citées dans (P'kala, 2002) les premières fissures interviennent respectivement à 50% (muret stabilisé au ciment à 4% dans les blocs et 8% dans le mortier) et 30% (Blocs non stabilisés et 4% de ciment dans le mortier) de la charge de ruine. P’Kala (2002) et Miccoli (2015) ont également étudié ce phénomène de fissuration pour un muret d’un mètre carré sous compression verticale simple. Les premières fissurations apparaissent par décollement du mortier (voir Figure 49) sur les lits supérieurs et se prolongent verticalement dans les briques jusqu’à la ruine du muret.
Influence du mortier Cette constatation laisse à penser qu’outre la résistance intrinsèque des produits de construction, plusieurs facteurs majeurs influencent la résistance d’une maçonnerie et ses modes d’endommagement. Certains sont cités par (P'kala, 2002 p. 146):
•
Nature du mortier – Le rôle du mortier est d’absorber les défauts de planéité des faces, de transmettre les efforts entre les blocs et de les lier mécaniquement (Paulus, 2015). Khalid (2000) et Shrinivasa (1995) cités par (P'kala, 2002) ont réalisé des essais démontrant que le rapport entre la résistance du bloc et l’épaisseur des joints impacte la résistance en compression du triplet. Des tests réalisés sur des triplets par (P'kala, 2002) montrent en effet que si la résistance à la compression du mortier est inférieure à la résistance des blocs, la résistance de la maçonnerie décroit quand l’épaisseur des joints augmentent. Si les résistances sont équivalentes, la résistance globale de la maçonnerie augmente quand l’épaisseur du joint augmente. Il faut donc privilégier un mortier de caractéristiques équivalentes à celles des blocs afin de garantir une résistance du muret
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Influence du mortier
optimale. Paulus (2015 p. 57) affine cette conclusion en avançant qu’un mortier trop résistant conduirait à une stagnation de l’humidité dans les blocs, entrainant à terme leur dégradation par érosion. Elle conclut en préconisant des joints de mortier compris entre 1 à 1,5 cm d’épaisseur pour éviter une dessiccation trop rapide qui provoquerait des retraits importants. La formulation même du mortier joue également un rôle dans la résistance de la maçonnerie : moins il y a de ciment dans le mortier, plus le mur résiste à la compression, malgré l’apparition de fissures lors de la cure. Cela pourrait s’expliquer par les échanges d’eau entre blocs non stabilisés et mortier sans ciment qui assurent une succion importante et donc une bonne adhérence. (P'kala, 2002 p. 96). Dans la pratique, les mortiers de terre sont systématiquement amendés de ciment (généralement 4%) afin de satisfaire à des exigences de maniabilité, mais les maçonneries testées présentaient alors des performances réduites de 80% (voir Figure 52). Enfin, la qualité de l’interaction entre le mortier et la BTC est à considérer. Parmi les tests qui permettraient de l’évaluer, P’kala cite les essais de cisaillement et de flexion. On peut en effet supposer ces tests
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pertinents car nous avons déjà décrit les modes de rupture des murets, dont la première phase d’endommagement consiste en un décollement entre le mortier vertical des lits supérieurs et les blocs.
•
Position des blocs - Pour une typologie de blocs de caractéristiques géométriques données, plusieurs configurations d’assemblage existent : c’est l’appareillage. Que les blocs soient montés à plat ou sur chant, le module de compression varie fortement (du simple au triple) en raison de l’influence du positionnement des blocs sur le taux volumique de BTC dans le muret. Dans le cadre des essais menés par P’kala sur des murets de 1m2, les blocs sur chant représentent 90% du volume total contre seulement 81 % quand ils sont placés à plat. Les blocs ayant un module de compression (à confirmer) supérieur à celui du mortier, on comprend aisément que cette différence dans l’appareillage s’accompagne d’une variation du module de compression du muret (P'kala, 2002 p. 148).
•
Conditions de cure.
Améliorations
A ces facteurs s’ajoutent ceux relevés par Shi et d’Ayala (2006) cité dans (AlHout , 2016 p. 26), évalué ici dans le cadre d’une sollicitation latérale :
•
Géométrie du mur ;
•
Nombre de briques dans les deux directions ;
•
Forme des briques.
A l’échelle architecturale, il est également important de prendre en compte le confinement induit par la descente de charges d’une charpente ou des murs des étages supérieurs sur un mur en BTC, puisque Lourenço et al. (2005) cités par (Al-Hout , 2016 p. 25) font état de l’amélioration des résistances au cisaillement (sous sollicitation latérale dans le plan) si l’on y ajoute un chargement vertical. Cette donnée est à considérer dans le cadre de conception parasismique d’architecture en terre.
Stratégies de modélisation numérique Dans l’optique de prédire précisément le comportement d’une maçonnerie à partir des caractéristiques de ses composants, on peut procéder à une modélisation numérique. Cette approche permet d’anticiper les modes de ruine sous charge dynamique, ce qui est très pertinent au regard des zones d’implantation de la construction en terre qui présentent souvent une activité sismique. Il n’y a cependant guère que les laboratoires de recherches qui disposent les compétences nécessaires à une telle approche. Et encore, aucune approche de modélisation n’est pour le moment universellement reconnue comme pertinente. Plusieurs études dont (Al-Hout , 2016) et (Miccoli, et al., 2015) ont évalué la pertinence de trois stratégies de modélisation, décrit par (Asteris, et al., 2015) :
•
La macro-modélisation consiste à synthétiser les propriétés du mortier et de la terre dans un matériau « équivalent » continu et homogène. Lourenco et al. (1998), Papa et al. (2000) ont prouvé la pertinence de cette ap-
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Stratégies de modélisation numérique
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Figure 56. Trois approches pour la modélisation de maçonneries Source : Asteris et al., 2015 cité par Al Hout, 2016, p. 32
Figure 57. Légère surestimation de la charge de ruine par UDEC(MED), mais surestimation de la rigidité par CAST3M2000 (MEF) Source : Giordano et Al. (2002) d’après Al-Hout (2016)
Améliorations
proche pour une maçonnerie chargée dans son plan. Cette stratégie est appropriée à l’analyse du comportement global d’une maçonnerie mais ne conviendra pas pour une analyse plus détaillée des mécanismes de rupture qui s’opèrent souvent au niveau des joints. El-Dakhakhni et al. (2006) cité par (Al-Hout , 2016 p. 32) ont cependant raffiné cette méthode en intégrant à leurs modèles des plans de ruptures privilégiés pour simuler les joints.
•
La micro-modélisation simplifiée propose de respecter la géométrie des blocs réelle, mais de substituer aux joints des lois régissant l’interface. Généralement, la loi d’interface retenu est celle du critère de Mohr-Coulomb (Bui, 2011), (Al-Hout , 2016) et autres qui prend en compte à la fois les ruptures par traction et par cisaillement. Par hypothèse, en cisaillement, le joint suit un comportement élastique jusqu’à la contrainte de ruine Compléter avec bui 2013 page 4 et 5. En compression, le comportement ….
La méthode des éléments discrets (MED) employée par Bui (2012) et AlHout (2016) repose sur le schéma explicite de la méthode des différences finies. Chaque bloc est représenté par un milieu continu homogène et peut-être considéré comme déformable ou indéformable. Un bloc indéformable est un prisme présentant six degrés de liberté quand un bloc déformable est décrit par ses nœuds disposant de trois degrés de liberté. Hypothèse est généralement faite de l’indéformabilité des blocs, d’abord parce que prendre en compte la déformabilité n’a qu’un impact mineur sur les résultats, ensuite parce que les temps de calcul s’en voient considérablement réduits (Al-Hout , 2016).
Les grandes étapes du code
aux éléments distincts sont les suivantes (Al-Hout , 2016 ) : 1.
Identification des blocs voisins ;
2.
Détection des contacts ;
3.
Mécanique du contact (Mohr-Coulomb) ;
4.
Détection des ruptures ; )
La méthode des éléments finis (MEF) est une alternative au calcul par éléments discrets. Giordano et al. (2002) cités par Al-Hout (2016) comparent
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94
Figure 58.â&#x20AC;&#x2021;Comparaison des modes de ruine Source : Bui et al., 2011
les résultats issus d’un code MED et d’un code MEF (voir "Légère surestimation de la charge de ruine par UDEC(MED), mais surestimation de la rigidité par CAST3M2000 (MEF)", page 92) à leurs résultats expérimentaux : la MEF surestime légèrement la rigidité du muret quand le MED surestime la charge de ruine. On peut cependant conclure à la validité des deux approches (Bui, 2013) (Al-Hout , 2016) . Bui et al. (2013) démontrent en outre que la méthode aux éléments distincts est représentative des modes de rupture expérimentaux (Bui, et al., 2011 p. 6)
•
La micro-modélisation représente fidèlement la géométrie et les propriétés de tous les composants du muret, (blocs et joints de mortier) sans simplification. Elle est dans la pratique peu employée puisqu’elle complique significativement la modélisation et augmente les temps calcul. On y fera cependant appel pour avoir un aperçu détaillé des modes de rupture, qu’ils surviennent dans les joints ou dans les blocs.
Conclusion Nous l’avons vu, connaitre les caractéristiques de l’élément BTC seul ne peut être suffisant quand il s’agit de prédire précisément le comportement d’une maçonnerie. Les essais sur BTC et triplet échouent à rendre compte du comportement réel d’une maçonnerie à l’échelle 1. Le passage de l’unité-bloc à l’échelle architecturale implique donc de considérer les interactions qui existent entre tous les composants de la maçonnerie. Une piste pertinente serait de trouver un équivalent à la relation proposée par l’Eurocode 6 qui sous-estime pour le moment la résistance réelle d’un muret en BTC. Peu d’études ont été dédiées à cette question, l’accent étant plus couramment porté sur la caractérisation des éléments distincts (bloc ou mortier) ou sur des murets maçonnés, sans proposer une corrélation entre les deux.
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Conclusion
#6 DE LA MAÇONNERIE À LA CONSTRUCTION MODULAIRE
96
AmĂŠliorations
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6.1. Pertinence et actualité de la préfabrication modulaire. Par une augmentation de l’échelle du bloc unitaire, nous passons de la BTC au pisé préfabriqué. Cette technique a été inventée en 1986 par Nicolas Meunier, artisan piseur, pour répondre aux exigences économiques et techniques de la construction contemporaine. Les blocs sont construits artisanalement au sol, avant d’être contrôlés puis posés à l’aide d’appareils de levage ce qui a pour intérêt de rationaliser la circulation des terres et des outils. La technique de Nicolas Meunier portait sur des modules de 2,2 x 1 x 0,5m pesant 2,5 tonnes chacun.
Depuis leur invention en 1986, les techniques de pisé préfabriqué ont largement évolué pour adopter jusqu’à une logique semi-industrielle qui permet de produire des blocs à la qualité très maitrisée et 98
économes en énergie humaine. Les modules sont réalisés et mis en cure en usine, hors d’eau et d’air, ce qui permet de s’affranchir de la saisonnalité, très contraignante pour un chantier. Le temps de chantier est fortement réduit jusqu’à se rapprocher de celui d’un chantier classique. En revanche, cette approche de confection ex-situ implique l’acheminement des blocs sur des distances parfois contradictoires avec l’intérêt de la construction en terre qui est de limiter les rejets de CO2 en faisant appel à des ressources locales. La mécanisation du damage conduit en outre à une banalisation du procédé, qui, s’il rend accessible la construction en terre, conduira à terme à une perte de certain savoir-faire. Dans les usines de son entreprise Lehm Ton Erde, Martin Rauch, a mis en place une chaine de production de murs préfabriqués en pisé non stabilisé : un long mur continu de 50 m sur 3m de haut et 50cm d’épaisseur est produit, puis scié en tronçons et entreposé avant d’être mis en œuvre. L’approvisionnement des banches en terre est automatisé et le compactage est mécanique. Ce procédé permet une grande
homogénéité des murs, en résistance et en esthétique. Une fois les blocs (336 x 130 x 45 cm dans le cadre du Ricola herb center, voir Figure 55) assemblés, le jointoiement est réalisé manuellement. La préfabrication permet également de confectionner les modules avec un soin et une précision qu’il est difficle d’atteindre In-situ. Selon Martin Rauch, l’arche en terre non stabilisée de la Figure 58 travaille exclusivement en compression et n’aurait jamais été réalisable si les blocs la composant avaient dû etre confectionnés sur place
La préfabrication ouvre la voie à de nombreuses expérimentations sur des méthodes d’assemblage et d’amélioration des performances : Le projet de TPF ingéniérie et l'agence Mil pour l’IUT de Tarbes propose des modules de 4,5m² de terre compactée avec coffrage perdu en bois. Les chants du coffrage consituent un cadre destiné à fixer les tiges filetées de précontrainte dont l’objectif est d’améliorer la résistance aux séisme des modules (Tarbes se situant en zone sismique 4 où le risque est le plus élevé de France). Le montage des blocs se fait donc par un assemblage bois-bois qui permet de contourner les faiblesses liées habituellement au mortier.
Figure 59. Un module bois-terre
Source : tpf ingéniérie et Mil lieux architecture
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100
Figure 60.â&#x20AC;&#x2021;Arches de terre, Lehm ton Erde
Source : https://www.lehmtonerde.at/en/projects/project. php?pID=101
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Figure 61. Ricolas herb center, 2012. Laufen, Suisse - Concepteur : Herzog & de Meuron / Constructeur : Lehm Tom Erde
Source : http://www.lehmtonerde.at/en/projects/project.php?pID=87 © Benedikt Redmann, Markus Bühler-Rasom, Derek Li Wan Po
Figure 62. Portions de mur préfabriqués en attente de mise en place pour le Ricola herb center
Source : http://www.lehmtonerde.at/en/projects/project.php?pID=87 © Benedikt Redmann, Markus Bühler-Rasom, Derek Li Wan Po
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103
Pertinence et actualité de la préfabrication modulaire.
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AmĂŠliorations
105
TABLE DES ILLUSTRATIONS Figure 1. Implantation géographique des construction en terre.
16
Source : Anger & Fontaine, 2005 : p.8 d’après CRATerre Figure 2. Occurence des recherches
17
Source : Anger et Fontaine, 2005 : p.8 Figure 3. Schéma des horizons d'un sol
20
Figure 4. Architecture de terre excavée, Matmata, Turquie (
22
Source : Wikipédia CC BY-SA 2.0 Figure 5. Bauge : La grande mosquée de Djenné, Mali.
22
Source : ©Francois Xavier Marit / AFP) Figure 6. Pisé : Architecture contemporaine en pisé : piscine de Toro, Espagne - Vier Architectos
24
Source : ©Hector Fernandez Santos-Diez Figure 7. Pisoirs manuel en bois ₍a) et pneumatique (b)
24
Source : (Champiré, 2018) Figure 8. – Terre coulée : Impression en 3D d'un mur en terre crue coulée par l'entreprise WASP 26 Figure 9. Blocs de terre découpés (source : photo de (Paulus, 2015 p. 32) ) 26 Figure 10. – BTC : Mur de parement d'un bâtiment contemporain d'exposition, site hydraulique SIG, Vessy, Suisse. Achitectes ar-ter 28
Source : © Olivier Zimmermann Figure 11. Les gratte-ciel de Shibam, au Yémen
29
Source : https://www.flickr.com/photos/twiga_ swala/2286365829 CC BY-SY 2.0 Figure 12. Enduit terre de l'Omicron Living Room, Martin Rauch & Anna Heringer 32
Source : http://www.anna-heringer.com/index. php?id=82 © Stephano Mori Figure 13. - Sacs de sable
33
Source : (Anger, 2011 p. 57) Figure 14. Une mairie en torchis, Saint-Laurent-des-Hommes, France 34
Source : https://www.communes.com/photosaint-laurent-des-hommes,178290, © Maryanick Gaultier Figure 15. Torchis anti-sismique contemporain sur lattis et armature en acier - Marcelo Cortes 34
Source : http://eartharchitecture.org/?p=285
Figure 16. Classification reposant sur le diamètre moyen des grains
38
Source : cours 3GCU INSA Figure 17. Capillarité entre feuillets d'argile
38
Source : Van Damme, 2013, cité par Paulus, 2015 Figure 18. Feuillet de Kaolinite (à gauche) et cristal de kaolinite formé d’un empilement de plusieurs feuillets (à droite)
40
Source : http://virtual‐museum.soils.wisc.edu. dans (Anger, 2011 p. 104)) Figure 19. Capture au microscope électronique à transmission à haute résolution de feuillets et de leur distance interfoliaire 40
Source : Ma et Eggleton (1999) dans (Anger, 2011 p. 111)) Figure 20. Fuseaux granulométrique des différentes techniques constructives 42 Figure 21. Seuils de caractérisation de l'activité de l'argile
44
Figure 22. Fuseau granulaire (hachures) d'une BTC et courbe granulométrique apollonienne (en noir). 46
Source : (Houben , et al., 2006) Figure 23. - Empilement apollonien
47
Source : Guillaume Jacquenot Gjacquenot — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=5840285) Figure 24. Rhéogrammes de différentes familles de comportement ( Newtonien (a), Rhéo-fluidifiant (b), rhéo-épaissisant (c), de Bingham (d), psoeudo plastique (e)) 49
Source : Azevedo Figure 25. Fuseaux optimums pour différentes techniques de construction en terre 49 Figure 26. Organisation des particules pour différents états de consistance 50
Source : Cours d’Irini Djeran Maigre, INSA Lyon Figure 27. - Appareil de Casagrande
51
Source :http://www.sols-mesures. com/?product=limite-de-liquidite-casagrande-wl) Figure 28. Mesure de la limite de plasticité par boudin
51
Source :http://wikhydro.developpementdurable.gouv.fr/index.php/ Wikigeotech:Limites_d%27Atterberg Figure 29. Résultats obtenus sur des éprouvettes cylindriques PROCTOR 54
Source : Mollion, 2009, lu dans (Champiré, 2018)
Pertinence et actualité de la préfabrication modulaire.
Figure 30. Evolution de la résistance à la compression du mélange 532 compacté en fonction de la teneur en eau résiduelle 54
Source : Moevus et al.,2013, p.11 Figure 31. Mesure de la T.E.O. par compactage statique
56
Source : (P'kala, 2002 p. 40) Figure 32. Evolution de E élastique avec la teneur en eau pour trois séries d'éprouvettes 56
Source : Mollion, 2009, lu dans (Champiré, 2018) Figure 33. Synthèse des résistance à la compression trouvées dans la littérature 58
Source : Figure 34. Résistance à la compression en fonction de la teneur en humidité (Source : PIrat et Fouilloux, 2012, p.55) 59 Figure 36. Résistance à la compression en fonction de la teneur en humidité 61
Source : PIrat et Fouilloux, 2012, p.55 Figure 37. Evolution des modules statiques et dynamique en fonction de la teneur en eau 61
Source : Pirat et Folloux, 2012, p. 55 108
Figure 38. Stratégies de stabilisation
65
Source : Guillaud & Houbem ,1995 : p.81 Figure 39. Effet d'une stabilisation chimique au ciment sur la résistance en compression de BTC 65
Source : Morel et al.,2007, p.308 cité par (Paulus, 2015 p. 58 Figure 40. Binder intensity index bi
67
Source : Houben & Van Damme, d'après Damineli & al. Figure 41. Carbon intensity index ci
67
Source : Houben & Van Damme, d'après Damineli & al. Figure 42. Comparaison de résistances mécaniques de différents matériaux de construction, dont une terre compactée à haute pression non stabilisée. 69
Source : Walter Bruno, et al., 2015 p. 7 Figure 43. Variation du retrait volumétrique en fonction de la proportion de fibres intégré 71
Source : Ouhicha et al., 2005 Figure 44. La bauge avec et sans fibre lors de la mise en œuvre humide et après séchage. En l’absence de fibres, des fissures sont visibles après
Améliorations
séchage. 71
Source : Addison Greer, 1996 Figure 45. Architecture en pisé non stabilisé :
71
Source : Bui Quoc, p.34 Figure 46. Résistance en compression minimale admissible pour les BTC pour différentes normes à travers le monde 76
Source : Canas et al., 2012, p. 739 cité par Paulus, 2015 Figure 47. Diagramme de plasticité de Casagrande pour BTC d’après et cours INSA 76 Figure 48. D’après Doat et al., 1979 ; Guillaud & Houben, 1995 ; Garnier et al., 1996. 78 Figure 49. Résultats obtenus sur des éprouvettes cylindriques PROCTOR (Mollion, 2009) 78 Figure 50. Triplet (Source : (P'kala, 2002 p. 157)
82
Figure 51. Résultats sur murs en BTC (Olivier (1994) cités par (P'kala, 2002))
84
Figure 52. Fissuration d'un muret en BTC sous chargement vertical simple
86
Source : (P'kala, 2002 p. 139)
109
Figure 53. - Influence du rapport du rapport de résistance bloc/mortier 87 Figure 54. Rupture en compression simple sur éprouvette cylindrique et éléments de maçonnerie pour différents taux de mortiers. 87
Source : P'kala, 2002 p. 95 Figure 55. Influence de la position des blocs sur les déformations pour deux murets soumis à sollicitation verticale. 88 Figure 56. Différentes formes de BTC (Source : (Houben, et al., 1995) lu dans (Paulus, 2015) ) 88 Figure 57. Trois approches pour la modélisation de maçonneries
92
Source : Asteris et al., 2015 cité par Al Hout, 2016, p. 32 Figure 58. Légère surestimation de la charge de ruine par UDEC(MED), mais surestimation de la rigidité par CAST3M2000 (MEF) 92
Source : Giordano et Al. (2002) d’après Al-Hout (2016)ww Figure 59. Comparaison des modes de ruine
94
Source : Bui et al., 2011 Figure 60. -
100
Figure 61. Ricolas herb center, 2012. Laufen, Suisse - Concepteur : Herzog & de Meuron / Constructeur : Lehm Tom Erde 101
Source : http://www.lehmtonerde.at/en/projects/ project.php?pID=87 © Benedikt Redmann, Markus Bühler-Rasom, Derek Li Wan Po Figure 62. Portions de mur préfabriqués en attente de mise en place pour le Ricola herb center 101
Source : http://www.lehmtonerde.at/en/projects/ project.php?pID=87 © Benedikt Redmann, Markus Bühler-Rasom, Derek Li Wan Po
110