Memoire Online - Valorisation des géo ressources argileuses de la région de Kinshasa pour améliorer la qualité et la durabilité des matériaux de construction utilisés dans l'habitat périurbain.

A cause de leurs diverses propriétés physico-chimiques (adsorption, absorption, adhésion, émulsion, malléabilité, résistance,...), les argiles connaissent de nos jours un essor d'utilisation notamment dans l'industrie (Chavanne, 2011 ; Ragouilliaux et al., 2007 ; Elsass, 2005) :

- de la céramique grossière ou de construction pour la fabrication des briques et tuiles, des tuyaux en grès, des produits réfractaires et des granulats d'argile expansée ; et de la céramique fine pour la fabrication des carreaux pour sols et murs, des céramiques ornementales, des appareils sanitaires, des abrasifs inorganiques,...

- papetière où les argiles telles les kaolins sont utilisées comme charge dans la masse du papier et comme revêtement de surface ;

- pétrolière pour la fabrication des boues de forage ou des catalyseurs argileux,...

La terre crue est un terme employé pour désigner la terre utilisée en construction avec moins de transformation possible. Selon le département de l'énergie américain, 50% de la population mondiale vit dans une construction en terre crue (Fontaine et Anger, 2009). Aujourd'hui, les techniques de construction en terre sont très variées, et découlent en grande partie des états hydriques du matériau terre lors de sa mise en oeuvre (Houben et Guillaud, 1995).

Les principales techniques de construction traditionnelles en terre crue sont (Doat et al., 1979) : - le torchis ou colombage : dans cette construction, la terre, le plus souvent mélangée à de la paille ou à d'autres fibres, est placée à l'état plastique sur une structure porteuse en lattis de bois appelée colombe.

- le pisé : la terre humide et pulvérulente est compactée dans des coffrages, puis décoffrée immédiatement. Il s'agit d'une construction en murs massifs avec une mise en oeuvre longue. Ce qui fait qu'il demeure un matériau haut de gamme dans les pays industrialisés (Fontaine et Anger, 2009). Ce mode de construction peut supporter même des terres caillouteuses (Fontaine et Anger, 2009). - l'adobe ou brique crue : est une brique de terre crue moulée à l'état plastique ou façonnée à la main, souvent mélangée de paille, qui se solidifie en séchant à l'air libre.

- la bauge : est une construction faite en empilant les unes sur les autres des boules de terre malléables entièrement façonnée à la main. La terre est mélangée à l'eau et éventuellement à des fibres végétales pour éviter la fissuration.

- les Blocs de Terre Comprimée (BTC) : blocs fabriqués dans des presses qui compriment de la terre humide et pulvérulente. Les blocs obtenus sont immédiatement démoulés et stockés de manière à laisser les faces principales en contact avec l'air afin de favoriser le séchage. La résistance mécanique peut être augmentée par addition de sable, de ciment ou de chaux.

- le Bloc de Terre Allégée (BTA) : la terre est mélangée à des fibres végétales (paille, chènevotte), puis moulée ou comprimée de manière à obtenir une brique légère.

- le mortier : terme généralement utilisé pour désigner une terre de granulométrie inférieure à 400 um. Il permet d'assembler les blocs en maçonnerie.

- les enduits en terre : il s'agit d'une terre tamisée, mélangée avec de l'eau et appliquée sur un support préalablement humidifié. Les enduits en terre sont un matériau prêt à l'emploi disponible sur le marché de la construction, et qui présente une étendue de couleurs et de textures. Les enduits en terre sont utilisés comme couche de finition ou pour boucher les trous afin de réaliser une surface plane. Du sable et/ou des fibres végétales sont ajoutés le plus souvent afin d'éviter la fissuration. Avantages

La terre crue présente les avantages liés à (Doat et al., 1979 ; Fontaine et Anger, 2009) :

- la simplicité de sa réalisation : la terre est mélangée à de l'eau, et souvent à d'autres liants, malaxée avec les pieds ou des outils simples (pelle, bêche,...) jusqu'à ce qu'elle atteigne l'état plastique souhaitée ; puis préparée dans des moules ou manuellement.

- sa rentabilité économique : la terre crue permet la réalisation d'un habitat économique pour les populations les plus démunies.

- son faible impact environnemental : la terre crue nécessite peu d'énergie et d'eau pour sa mise en oeuvre. Elle est le plus souvent issue d'une ressource locale, et réduit les problèmes liés aux transports. Elle est également réutilisable.

Les normes d'utilisation des argiles dans la construction en terre crue varient d'un pays à l'autre, et reposent souvent sur la granulométrie, la composition chimique et/ou minéralogique, caractéristiques dont dépendent le comportement des produits finaux (Khalfaoui et Hajjaji, 2009).

La composition granulométrique des argiles (obtenue par tamisage et sédimentométrie) intervient pour une part importante dans leurs aptitudes au façonnage et au séchage. La connaissance de la granulométrie est une indication importante mais non suffisante à la sélection d'un sol. Avec la plasticité (limites d'Atterberg), ils constituent les paramètres principaux pour déterminer la convenance d'une terre. Les figures IV.1 et IV.2 illustrent les recommandations usuelles concernant la granulométrie et la plasticité des terres pour la construction. Cette synthèse a été faite par Jiménes et Guerrero (2007) sur base des normes et guides de construction en terre de plusieurs pays (AFNOR. XP P13-901, 2001 ; CRA Terre-EAG, 1998 ; Houben et Guillaud, 1994 ; Rigassi, 1995, MOPT, 1992).

Fig. IV.1 : Enveloppes de courbes granulométriques conseillées pour construire en pisé, en BTC et en BTM (BTM = Brique de Terre Moulée = adobe, mortier, bauge, enduit) (Jiménes et Guerrero, 2007).

Nous remarquons que selon le type de construction les normes granulométriques varient. La terre nécessitant plus de restriction en ce qui concerne la granularité est le pisé et la BTC en raison de la

compression et de la possibilité de fissuration (Jiménes et Guerrero 2007). La terre la moins restrictive est l'adobe, avec une teneur en argile de plus de 10 %.

La figure IV.1 suggère comme bonne terre pour la construction, celle avec une distribution de taille des particules comprise entre les 2 enveloppes (supérieure et inférieure). Il est admis que beaucoup de terres qui ne s'inscrivent pas dans la zone recommandée peuvent donner des bons résultats, en fonction des stabilisants utilisés. Cette zone sert de guide à l'utilisateur et non de spécification rigide (Moevus et al. 2012).

La plasticité est la capacité des matériaux de maintenir une déformation sans rupture. Pour une terre, elle dépend directement de sa minéralogie, et donc de la teneur en argiles, et de leur capacité d'adsorption d'eau. Ainsi, une smectite par exemple peut adsorber beaucoup plus d'eau qu'une kaolinite, parce qu'elle a une plus grande surface spécifique et que l'eau peut pénétrer l'espace interfoliaire (Moevus et al. 2012).

Les limites d'Atterberg (liquidité et plasticité) sont les indicateurs de plasticité couramment employées. Les limites de liquidité (WL) et plasticité (WP) minimales et maximales recommandées, déduites des abaques (AFNOR. XP P13-901, 2001 ; CRA Terre-EAG, 1998 ; Houben et Guillaud, 1994 ; Rigassi, 1995) sont présentées à la figure IV.2. Elles doivent être prises avec prudence parce que les valeurs sont corrélées aux objectifs visés par la construction (Jiménes et Guerrero, 2007). Jiménes et Guerrero (2007) recommandent une terre pour toutes les constructions, celle avec un WL et WP compris entre la zone partagée par tous les abaques proposés et présentées à la figure IV.2, soit WP compris entre 16 et 28 et WL compris entre 32 et 46.

Fig. IV.2 : Diagramme de plasticité et convenance des terres. (BTM = Brique de Terre Moulée = adobe, mortier, bauge, enduit) (Jiménes et Guerrero, 2007).

D'après les autres références examinées, la plasticité des sols appropriés pour la BTC et le pisé est similaire, alors que l'adobe nécessite des sols plus plastiques, parce que les minima recommandés des limites de liquidité et de plasticité sont plus grands.

Les minéraux argileux, du fait de leurs forces de surface élevées, donnent au sol sa cohésion et l'essentiel de sa résistance mécanique en agissant comme une sorte de liant entre les éléments plus grossiers qui constituent le squelette. Signalons que la cohésion des argiles n'est présente qu'à des teneurs d'eau inférieures à la limite de liquidité. Pour des teneurs d'eau élevées, les argiles perdent toute cohésion et acquièrent une consistance liquide (Doat et al. 1979).

La présence de kaolinite et d'illite dans l'échantillon de terre va influencer les propriétés de gonflement et de fissuration de la terre crue. Les cristaux de kaolinite et d'illite ne peuvent accueillir de molécules d'eau entre leurs feuillets du fait de l'étroitesse de leur espace interfoliaire. Ils ne peuvent donc présenter aucun gonflement intercristallin lorsqu'ils sont plongés dans l'eau. La quantité d'eau nécessaire pour liquéfier une boue de kaolinite ou d'illite est ainsi beaucoup plus faible que celle nécessaire pour liquéfier une boue d'argile gonflante de type smectite. Au séchage, une boue de kaolinite ou d'illite présente ainsi beaucoup moins de retrait (Tardy, 1993 ; Andrate et al., 2011).

Le tableau IV.1 illustre les principaux constituants minéraux de la terre et leurs propriétés physiques. Aucune recommandation sur la teneur en kaolinite et en illite pour une terre crue n'a été trouvée dans la littérature.

Tableau IV.1 : Principaux constituants des sols et leurs propriétés physiques (Doat et al. 1979).

La matière organique est en règle générale considérée comme « nocive » dans les constructions en terre crue. Elle retarde la prise et provoque une baisse de résistance. Il est déconseillé d'utiliser une terre contenant plus de 2 % de matière organique. Néanmoins, l'ajout de la chaux ou du chlorure de calcium peut réduire l'influence néfaste de la matière organique (CRA Terre-EAG, 1998).

L'eau renforce la cohésion naturelle de la terre en intensifiant l'interaction entre les particules d'argiles. Sans elle, il serait impossible de construire un mur en terre (Fontaine et Anger, 2009). Mouiller un sol modifie sa cohésion et sa plasticité, selon le type de sol (Tableau 2). Les venues d'eau (principalement d'origines météoriques, ou par ajout de matériau frais), sont à réduire dans le cas de construction en terre crue non ou mal stabilisées.

Tableau IV.2 : Effet de l'eau sur la cohésion des sols (d'après Rigassi, 1995).

La masse volumique va influencer le comportement physique du matériau terre. Plus la masse volumique de la terre est élevée, plus sa porosité diminue, et moins l'eau y pénètre (Doat et al., 1979).

Les propriétés physiques de la terre crue utilisée comme matériau de construction sont encore mal connues. Les normes publiées sont peu nombreuses, partielles et concernent souvent les blocs de terre comprimées (BTC) stabilisés au ciment. Pourtant il existe comme nous l'avons vu, beaucoup d'autres techniques de construction en terre crue fiables. Moevus et al. (2012) ont publié un rapport faisant un état des lieux des connaissances concernant les propriétés rhéologiques, mécaniques, thermiques et hygrométriques de la terre crue, sur base des documents du laboratoire CRATerre-EAG et des revues scientifiques. Ils se sont intéressés uniquement à la terre crue sans stabilisants hydrauliques (ciment, chaux ou plâtre) (tableau IV.3).

Propriétés	Unité	Terre comprimée	Terre moulée	Terre allégée
Teneur en argile	%	5 à 30	20 à 40
Indice de plasticité IP	%	5 à 30	15 à 35
Teneur en eau initiale Win	%	5 à 15	15 à 35
Masse volumique sèche ñ	kg/m³	1600 à 2200	1200 à 2100	300 à 1200
Teneur en eau ambiante w	%	0 à 5
Retrait de séchage	%	1 à 3	1 à 20	Proche de 0
Coefficient résistance à la vapeur u		5 à 20
Module de Young E	GPa	1,0 à 6,0		< 1,0
Résistance compression Rc	MPa	0,4 à 3,0	0,4 à 5,0
Résistance traction Rt	MPa	0,1 à 0,5
Capacité thermique massique c	J/kg.K	600 à 1000
Capacité thermique volumique C	kJ/m³.K	960 à 2200	720 à 2100	180 à 1200
Conductivité thermique ë	W/m.K	0,5 à 1,7	0,3 à 1,5	0,1 à 0,3

Tableau IV.3: Synthèse des principales propriétés de la terre (Moevus et al., 2012).

L'analyse chimique sert à identifier les principaux groupes d'atomes exprimés en pourcentage massique d'oxydes. Ces éléments justifient plusieurs propriétés des argiles dont la couleur, le degré d'interaction avec des liants,... La composition chimique de la kaolinite, fait qu'elle se lie plus aisément à la chaux que l'illite (Konan et al., 2008). Aucune recommandation sur la teneur en pourcentage d'oxydes pour une terre crue n'a été trouvée dans la littérature.

La stabilisation sert à améliorer les propriétés physiques (texture, granulométrie), chimiques ou mécaniques de la terre. Elle doit être compatible avec la conception des bâtiments, la qualité du matériau, l'économie du projet et la durabilité. La stabilisation n'est pas nécessaire lorsque le matériau n'est pas exposé à l'eau (mures enduits, murs intérieurs, murs protégés) mais devient indispensable dans le cas contraire (Houben et Guillaud, 1989).

L'ajout du ciment permet d'améliorer en particulier la résistance à l'eau de la terre en créant des liens entre les particules les plus grosses. De ce fait, il est souhaitable d'utiliser des terres peu argileuses (< 30 %), et pas trop d'eau (Doat et al. 1979).

L'ajout de la chaux provoque une diminution de la plasticité de la terre. D'où l'on conseille de l'appliquer de préférence aux sols plastiques à très plastiques. Une proportion optimale de chaux existe pour chaque terre, mais les meilleurs résultats sont obtenus avec des terres argileuses (30 à 40 %, voire 70 %). La terre stabilisée à la chaux doit contenir une partie argileuse non négligeable, puisque c'est sur elle que la chaux va réagir (Doat et al., 1979).

L'ajout de la chaux renforce également le matériau terre et le liquéfie. Ce qui réduit la quantité d'eau nécessaire pour atteindre l'état visqueux (Fontaine et Anger, 2009). La résistance à la compression (surtout pour les terres riches en kaolinite), subit une importante augmentation à moyen et à long terme (Doat et al., 1979). La stabilisation à la chaux donne des résultats qui varient fortement selon la composition minéralogique de la terre (Doat et al. 1979 ; CRA Terre-EAG, 1998).

Ces stabilisants réduisent la fissuration au séchage et dans le cas des fibres (paille, chènevotte, etc.), ils augmentent la résistance à la traction. Ils contribuent à la résistance de la terre à l'échelle du grain, c'est- à- dire de l'ordre du millimètre ou du centimètre ; mais ils n'interagissent pas directement avec les plaquettes d'argile, à l'échelle microscopique (CRAterre-EAG, 1998).

Il existe une multitude de biopolymères, d'origine animale ou végétale, pour stabiliser la terre crue comme matériau de construction. Ceux-ci apportent à la terre une meilleure résistance à la fissuration lors du séchage, une meilleure résistance à l'eau de pluie ou à l'érosion, une meilleure résistance mécanique, ou peuvent en faciliter l'application, par une texture plus souple ou une meilleure capacité d'adhésion (CRA Terre-EAG, 1998). Ils sont généralement regroupés en quatre parties distinctes : les polysaccharides, les lipides, les protéines et une catégorie comprenant d'autres molécules complexes. Ces substances libèrent des molécules qui, elles, interagissent avec les feuillets des argiles (CRA Terre-EAG, 1998).

La balle de riz est la partie externe recouvrant le grain de riz (paddy). Elle est sujette à des nombreuses valorisations : aliment pour le bétail, fertilisant en agriculture, additif dans le ciment ou la chaux comme matériau pouzzolanique (voir ci-dessous), combustible,... en raison de son problème de traitement ainsi que son faible coût (Sabuni, 1995). La balle de riz a une masse moyenne de 20% de

celle du paddy brut. Sa masse et sa composition dépendent de la variété du riz cultivé, de la zone géographique, de la saison, des méthodes de cultures, etc. (Della et al, 2002). La balle de riz est composée de 70 à 80 % de matières organiques (principalement la cellulose, la lignine, le pentosane et une petite quantité de protéines et de vitamines) et de matières minérales non organiques dont la silice. Cette dernière est dispersée dans les matières organiques et concentrée sur la partie externe de l'enveloppe (Zhou et al, 2002). Si on calcine la balle de riz à une température bien définie, elle est transformée en une cendre possédant une haute teneur en silice amorphe réactive. Cette dernière peut ainsi être utilisée comme pouzzolane (voir ci-dessous) favorisant la durabilité et la résistance des composites à base de ciment (ou de chaux) (Della et al, 2002).

Dans le cadre de ce mémoire, la stabilisation se fera avec de la cendre de balle de riz (CBR) et de la chaux. La CBR n'est pas un matériel produit dans la région de Kinshasa, mais son choix se justifie par : la faible quantité de matériau terre disponible : la stabilisation par un stabilisant local tel que la paille aurait nécessité une quantité d'échantillon plus importante, qu'avec la CBR ; son intérêt scientifique : ces dernières années ont vu un intérêt grandissant pour la valorisation de la balle de riz dans le domaine de la construction. La science a donc trouvé un autre moyen pour valoriser ce déchet. En plus, le remplacement d'une proportion de ciment par de la cendre de balle de riz permet de réduire les coûts de la construction. Les caractéristiques de la CBR utilisée sont présentées au point V.2.

Valorisation des géo ressources argileuses de la région de Kinshasa pour améliorer la qualité et la durabilité des matériaux de construction utilisés dans l'habitat périurbain.

IV. Essai de valorisation