# INCORPORATION DE DÉCHETS ARGILEUX DANS LES BÉTONS DE BOIS
## PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES ET THERMIQUES

Ahmed Bouguerra*, Ali Ledhem*, Amaury t'Kint de Roodenbeke*, Michèle Quéneudec**

Équipe gestion technique du bâti, Université de Rennes, Laboratoire de bâtiment : matériaux, structures, thermique-IUT d'Amiens

Les auteurs étudient la possibilité d'introduire des déchets argileux dans les bétons de bois au lieu du sable siliceux généralement utilisé. Ils montrent qu'avec une quantité de ciment relativement faible par rapport à celle qui est généralement utilisée dans les bétons de bois, on atteint des résistances mécaniques équivalentes sinon supérieures et que les performances thermiques ne sont pas altérées par le caractère hygroscopique de l'argile.

The authors have developed technologies to recycle clay waste by making insulating materials. In this paper they give mechanical and thermal performances. The influence of thermohygrometric conditions has also been studied and it showed that in normal conditions of working, the thermal conductivity is not considerably moved by the thermohygrometric conditions. The experimental results compared to those obtained for aerated autoclaved concrete and plaster show the possibility to design technically good materials from clay waste.

On désigne par le terme bétons de bois, des matériaux composites généralement constitués par une matrice minérale éventuellement adjuvantée et des granulats végétaux. Ces granulats végétaux ont des granulométries comparables à celles des granulats minéraux traditionnels avec toutefois des limites granulaires inférieures en ce qui concerne les plus gros (en général, granulométrie maximale de 20 mm). Les matrices les plus courantes sont des mortiers de ciment Portland, mais aussi de ciments magnésiens, de plâtre, de chaux, de laitier¹. Les matrices argileuses n'ont été étudiées que depuis ces dernières années²,¹⁴. Les déchets argileux provenant du lavage des granulats constituent pourtant un gisement important. Dans certaines régions, il existe peu de gisements de sable « propre ». C'est le cas de l'ouest de la France. Jusqu'à la dernière décade, les gisements de sable marin fossile de la fin de l'ère tertiaire ont été très sollicités et ainsi, les « bons » gisements, c'est à dire sans quantité importante d'argile, sont maintenant sur le point d'être épuisés. Ceci conduit à utiliser des sables de plus en plus argileux. Par conséquent, les déchets d'exploitation constituent des quantités de plus en plus importantes qu'il faut valoriser.

La proposition faite dans ce travail est de les incorporer à des bétons de bois. Il faut alors déterminer les propriétés mécaniques et thermiques dans le but de les utiliser dans des éléments isolants ou isolants porteurs.

## MATÉRIAUX ÉTUDIÉS

L'argile utilisée est un déchet d'exploitation de carrières de granulats alluvionnaires. Le matériau exploité en carrière, est un paléosol ferralitique de l'ère tertiaire, remanié. Il s'agit d'un sol sablogranuleux contenant des blocs de quartz et de grès ferrugineux. Le paléosol tout venant est tamisé par voie humide. Les graviers et les sables sont commercialisés tandis que la fraction fine, constituée presque exclusivement de kaolinite¹⁵,¹⁶ est jusqu'à présent inutilisée et rejetée au fond d'anciens lieux d'extraction bien que sa couleur beige rosé en fasse un matériau esthétiquement intéressant.

La répartition granulométrique est donnée dans la figure 1. La fraction d'argile « fine » (grains de diamètre inférieur à 2 µm) représente 55 % des passants cumulés. La fraction d'argile limon (diamètre compris entre 2 et 70 µm) représente 45 %. Notons que la partie limoneuse est certainement surestimée. La séparation se fait en effet par lavage en présence d'un floculant. Il faut toutefois se souvenir que le but de ce travail, est la valorisation du déchet en son état. La den-

<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>Figure 1 : Analyse granulométrique</figcaption></figure>
sité absolue est 2.65 et les limites d'Atterberg sont $W_L = 48 \%$, $W_P = 36 \%$, $I_P = 12 \%$.

Le ciment utilisé est un CPA55 (clinker > 97 %) conforme à la normalisation en vigueur lors de cette étude (NFP 15 301-1981). Il présente l'avantage de ne pas contenir de constituants secondaires pouvant intervenir dans les phénomènes de prise (laitier, pouzzolanes, cendres volantes). Il assure donc une meilleure maîtrise des phénomènes de stabilisation.

Les granulats de bois utilisés dans ce travail sont des granulats commercialisés (Agreslith C) obtenus à partir de bois d'épiceré ayant subi des traitements mécaniques et physico-chimiques. Les caractéristiques thermophysiques sont : densité apparente = 255 kg/m³; humidité = 9 % ; absorption d'eau massique = 120 % ; conductivité thermique = 0,07 W/m.K. Le principe de fabrication du béton de bois à matrice argileuse a déjà été décrit. Rappelons que le critère choisi pour le calcul de l'eau ajoutée est celui d'ouvrabilité⁵. Le béton est ensuite mis en place par coulage, dans des moules cubiques de 10 cm d'arête, en se préservant d'un quelconque compactage mais en prenant soin de ne pas occlure d'air dans la pâte fraîche. Les moules sont conservés dans une salle à température et humidité contrôlée ($\Theta$ = 20°C, HR = 90 %) conformément à la norme NFP 15 401. Le démoulage se fait à un jour et les éprouvettes sont maintenues dans la même salle. Avant les essais, elles sont soumises à un séchage en étuve à circulation d'air, à 70°C jusqu'à masse constante. La figure 2 donne l'influence du pourcentage de granulats de bois sur la densité sèche. Tout au long de cette étude, la quantité de ciment a été fixée à 20 % de la masse sèche, l'argile + les granulats de bois représentent 80 % du mélange sec.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 2 : Variation de la densité sèche en fonction de la teneur massique en bois</figcaption></figure>

## MÉTHODES DE MESURES

Lors de l'étude des matériaux humides, il est important de modifier le moins possible les distributions de teneur en eau. Nous avons donc utilisé une méthode transitoire. La détermination de la conductivité thermique a été réalisée à l'aide d'une sonde monotige à faible inertie¹⁷ sur les échan-

tillons décrits précédemment dans un domaine de température de 0 à 60°C représentant le domaine de fonctionnement usuel²¹.

Les échantillons sont saturés en eau suivant les recommandations de la Rilem puis introduits dans une enveloppe plastique scellée et maintenue dans une enceinte climatique jusqu'à équilibre des températures. Les états d'humidité intermédiaires entre les états secs et saturés ont été réalisés par séchage progressif dans un four à micro-ondes. Cette technique assure une distribution homogène de l'eau dans le matériau¹⁸. Les résistances mécaniques ont également été déterminées sur des cubes de 10 cm de côté grâce à une presse Walter-Baibag de capacité de 200 KN.

## RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX

### Résistances en compression

La figure 3 montre l'évolution dans le temps des résistances en compression du matériau sec, pour différentes compositions rassemblées dans le tableau 1. On peut voir que la stabilisation est rapide et que, quelle que soit la composition, elle est atteinte à 28 jours. La figure 4 donne la variation de la résistance en compression à 28 jours en fonction de la densité sèche. Elle varie de 3,0 à 9,5 MPa pour des densités variant de 0,6 à 1,3 environ.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 3 : Évolution de la résistance en compression en fonction de l'âge pour différentes teneurs massiques en granulats de bois</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 4 : Évolution de la résistance en compression en fonction de la densité sèche</figcaption></figure>
<table><caption>Tableau 1 : Pourcentages massiques et volumiques des constituants initiaux</caption><thead><tr><th rowspan="3">Teneurs<br>relatives en Bois<br>B/B + A</th><th colspan="6">Constituants<br>(A = Argile, B = Bois, C = Ciment)</th></tr><tr><th colspan="3">En % massique</th><th colspan="3">En % volumique</th></tr><tr><th>A</th><th>C</th><th>B</th><th>A</th><th>C</th><th>B</th></tr></thead><tbody><tr><td>0</td><td>75.0</td><td>25.0</td><td>0.0</td><td>78.2</td><td>21.8 %</td><td>0.0</td></tr><tr><td>10</td><td>67.5</td><td>25.0</td><td>7.5</td><td>50.0</td><td>15.6 %</td><td>34.4</td></tr><tr><td>20</td><td>60.1</td><td>25.0</td><td>14.9</td><td>34.7</td><td>12.1 %</td><td>53.2</td></tr><tr><td>25</td><td>56.2</td><td>25.0</td><td>18.8</td><td>29.0</td><td>10.9 %</td><td>60.1</td></tr><tr><td>30</td><td>52.4</td><td>25.0</td><td>22.5</td><td>24.3</td><td>9.8</td><td>65.9</td></tr><tr><td>35</td><td>48.5</td><td>25.0</td><td>26.5</td><td>20.6</td><td>8.8</td><td>70.6</td></tr><tr><td>40</td><td>45.0</td><td>25.0</td><td>30.0</td><td>17.9</td><td>8.3 %</td><td>73.8</td></tr><tr><td>50</td><td>37.5</td><td>25.0</td><td>37.5</td><td>12.9</td><td>7.2 %</td><td>79.9</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 5 : Évolution de la conductivité thermique en fonction de la densité sèche</figcaption></figure>

## Conductivité thermique

La figure 5 montre l'évolution de la conductivité thermique en fonction de la densité sèche. Elle varie de 0,45 à 0,13 quand la densité décroît de 1,3 à 0,5.

La figure 6 montre l'influence de la température sur la conductivité thermique à sec pour les différentes compositions étudiées. Dans tous les cas, cette influence est quasi-équivalent à l'humidité, également effectuée pour les différentes compositions.

La figure 7 montre le comportement d'une composition

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 6 : Évolution de la conductivité thermique en fonction de la température pour différentes teneurs massiques en bois</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 7 : Influence du degré de saturation sur la conductivité thermique pour différentes tempéralités</figcaption></figure>

moyenne (30 % de granulats de bois) correspondant à une densité d~0,8. La conductivité thermique a été étudiée en fonction du taux de saturation S représentant le rapport du volume d'eau à la porosité totale. La conductivité thermique augmente de façon significative avec le taux de saturation. Lorsque la température reste inférieure à 20°C, les courbes sont très resserrées. Ce phénomène apparaît quel que soit le pourcentage de granulats. Les phénomènes d'évaporation -condensation n'apparaissent donc pas dans ce domaine¹⁹,²⁰. Au dessous de 20°C, ils peuvent être négligés.

## CONCLUSION ET SYNTHÈSE

Le but de ce travail était de montrer que l'incorporation de déchets argileux dans les bétons de bois permettait de respecter les exigences mécaniques et thermiques des bétons de bois malgré le caractère hygroscopique bien connu de l'argile et ses faibles résistances mécaniques.

Le tableau 2 rassemble les performances de quelques bétons de bois de différentes natures¹ et de matériaux usuels comme le plâtre et le béton cellulaire autoclavé (BCA). Rappelons que l'Agreslith est le granulat qui a aussi été utilisé dans ce travail. Le Granuland est fabriqué à partir de sciure traitée,

<table><caption>Tableau 2 : Propriétés physico-mécaniques et thermiques des matériaux usuels</caption><thead><tr><th>Matériaux</th><th>Granulats</th><th>Matrice</th><th>ρ<br>(kg/m³)</th><th>R<sub>28</sub><br>(MPa)</th><th>λ<br>(W/m°K)</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Bétons de Bois<br>usuels</td><td rowspan="2">Agreslith¹</td><td>Ciment</td><td>500-700</td><td>2,4 - 4</td><td>0,11 - 0,16</td></tr><tr><td>Ciment + Sable</td><td>1400</td><td>7,8</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Bétons de bois<br>à matrice argileuse</td><td rowspan="2">Granuland¹</td><td>Ciment</td><td>800</td><td>3,3</td><td>0,22</td></tr><tr><td>Ciment + Sable</td><td>700</td><td>-</td><td>0,15</td></tr><tr><td rowspan="2">Plâtre</td><td>Litophore¹</td><td>Ciment</td><td>950</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isochanvre²²</td><td>Chaux</td><td>800</td><td></td><td>0,27</td></tr><tr><td rowspan="2">Béton cellulaire<br>autoclavé</td><td></td><td></td><td>500</td><td>2,7</td><td>0,13</td></tr><tr><td></td><td></td><td>1000</td><td>6,0</td><td>0,29</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>1060</td><td>6,4</td><td>0,36</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>500</td><td>2,8</td><td>0,18</td></tr></tbody></table>
le Litophore est un granulat de liège torréfié¹. L'isochanvre est constitué de déchets de papeterie minéralisés²².

On peut constater que les qualités intrinsèques des bétons de bois à matrice argileuse sont très compétitives. De plus, les isothermes de sorption/désorption²¹ montrent que, dans les conditions d'utilisation, la quantité d'eau présente dans le matériau reste faible et donc, dans ce domaine, la conductivité thermique n'est pas très influencée par les conditions hygrothermiques, les capacités d'isolation sont préservées.

** Ahmed Bouguerra, Ali Ledhem, Amaury t'Kint de Roodenbeke

Équipe gestion technique du bâti- Groupe physique environnement bâti- Université de Rennes 1

** Michèle Quéneudec

Laboratoire de bâtiment : matériaux, structures, thermique - Département génie civil-UT- Avenue des Facultés-80025 Amiens cedex 1

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