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Propriétés d’un composite cimentaire cellulaire à base de déchets de lin textile

El habib Aamr-Daya, Thierry Langlet, Amar Benazzouk, Michèle Quéneudec Laboratoire des Technologies Innovantes - Université de Picardie Jules Verne IUT d’Amiens, Département génie civil Avenue des Facultés, 80025 Amiens, cedex 01

habib.aarmdaya@u-picardie.fr ; thierry.langlet@u-picardie.fr

Sections de rattachement : 60 & 62 Secteur : Secondaire

RÉSUMÉ. Les travaux présentés concernent les propriétés d’un composite cellulaire à base de particules de lin. Le matériau a été élaboré en vue de son utilisation dans le domaine des bétons cellulaires. Les particules de lin ont été incorporées dans la matrice cimentaire, par substitution au ciment, à des teneurs massiques allant de 0 à 15%. L’allégement du matériau a été réalisé à l’aide d’un agent entraîneur d’air protéinique de type "Vepro 95BF". L’examen des propriétés physico-mécaniques et thermiques du composite, à 28 jours, a montré une nette réduction de la masse volumique, avec des propriétés mécaniques et thermiques compatibles avec l’utilisation comme isolant-porteur de type "class III", suivant la classification fonctionnelle de la RILEM1 concernant les bétons cellulaires.

MOTS-CLÉS : Déchets de l’industrie du lin, Composite cimentaire, Béton cellulaire, Propriétés physico-mécaniques, Conductivité thermique.

1. Introduction

En France, le développement industriel et économique de ces dernières décennies a entraîné une forte production de déchets agricoles. Parmi ces déchets, on distingue ceux issus de l’industrie textile de lin fibre, notamment les poussières extraites par aspiration lors de teillage. Ces déchets, peu ou pas valorisés, constituent une source potentielle de problèmes environnementaux majeurs. L’exploitation des déchets agricoles dans les matériaux de construction est une alternative très intéressante qui présente un double objectif. Elle permet d’une part, de répondre aux besoins en matériaux nouveaux, 1. Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux

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présentant des propriétés particulières ou améliorées par rapport aux matériaux classiques. D’autre part, de pallier les contraintes économiques et environnementales par le réemploi et le recyclage de ces déchets. Pour répondre à ces préoccupations, plusieurs travaux de recherche concernant l’élaboration de composites cimentaires à base de déchets lignocellulosiques, sous forme de granulats ou de fibres, ont été réalisés, en raison des qualités thermiques et acoustiques du composite ainsi que du caractère renouvelable des ressources utilisées (Elmeida et al., 2002, Li et al., 2004, Savastano et al., 2000). Néanmoins, ce type de composites présente en général l’inconvénient d’être sensibles à l’eau. Leur utilisation dans la construction est donc limitée. La dégradation de ces composites en milieu humide est essentiellement liée aux variations du volume des inclusions en raison de leur grande capacité d’absorption d’eau. De plus, l’eau interstitielle à caractère alcalin, provoque la dissolution de la fraction ligneuse et hemicellulosique qui conduit à la perte de performances mécaniques à long terme (Semple et al., 2002). Pour améliorer la durabilité de ces matériaux, plusieurs approches visant à limiter la sensibilité à l’eau ont été étudiées (Marius et al., 2002). Il s’agissait soit de réduire l’absorption d’eau par les inclusions suivant un traitement à l’aide d’agents réducteurs, soit de diminuer la porosité de la matrice par ajout de produits pouzzolaniques au mélange. Par ailleurs, d’autres procédés de traitements de la matrice en milieu riche en CO2, ou encore par introduction de polymères/élastomères dans la matrice cimentaire ont montré une nette amélioration de la durabilité, notamment en cycles de gel/dégel (Blankenhorn et al., 2001). L’objectif de ce travail porte sur la faisabilité d’un composite cimentaire, à base de particules de lin, en vue de son utilisation dans le domaine des bétons cellulaires. Le composite, contenant différentes teneurs en particules de lin, a été caractérisé suivant la masse volumique sèche, le module d’élasticité dynamique et les résistances mécaniques en compression et en flexion. La conductivité thermique du composite a été déterminée à l’état sec, à l’aide de la technique TPS (Transient Plane Source). Le choix de l’agent entraîneur d’air, de nature protéinique, est basé sur son pouvoir moussant et sa capacité à entraîner une importante quantité d’air dans la matrice. Ces propriétés ont été mises en évidence lors des études antérieurs sur les composites cellulaires à base de déchets de caoutchouc (Benazzouk et al., 2005, Benazzouk et al., 2006).

2. Matériaux et techniques expérimentales

Les particules de lin utilisées sont des co-produits de l’extraction du lin fibre, débarrassées des graines. Elles sont obtenues par aspiration au cours du procédé de séparation industrielle des fibres textiles et des parties ligneuses. Leur masse volumique apparente est de l’ordre de 130 kg/m3. La courbe granulométrique est donnée par la figure 1. Le ciment utilisé est du type CPA CEMI 52,5 CP2, suivant la norme NF P15-301 (Afnor 1994). L’accélérateur de prise utilisé est du type CaCl2. L’agent entraîneur d’air est de nature protéinique. Il est constitué d’hémoglobine stabilisée thermiquement. Cet agent est commercialisé par la société "Vapran" sous le nom de "Vepro 95BF", à

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l’état pulvérulent. Pour la fabrication du composite, le ciment et les particules de lin sont initialement mélangés à sec dans un malaxeur. La teneur massique des particules de lin varie de 0% à 15%, en substitution au ciment. Pour chaque composition, la quantité totale d’eau de gâchage a été ajustée pour avoir une maniabilité normale, correspondant à un affaissement, au cône d’Abrams, de 90-100 mm. L’accélérateur de prise est ajouté à l’eau de gâchage, à raison de 2% massique par rapport au ciment. Ensuite le mélange est malaxé durant trois minutes. Après homogénéisation, l’agent entraîneur d’air est introduit à une teneur massique de 1% par rapport au ciment. Le mélange est alors malaxé pendant 2 minutes supplémentaires. Le matériau résultant a été mis en place dans des moules de dimensions (40 x 40 x 160 mm) et (100 x 100 mm) par vibration. Pour chaque formulation, trois échantillons ont été préparés et conservés à température et hygrométrie contrôlées (20±2°C, HR=98%), pendant 28 jours. Avant les essais, les échantillons ont été séchés dans une étuve à 50±2°C. Les propriétés du composite à l’état frais, après ajout de l’agent entraîneur d’air, sont regroupées dans le tableau 1.

Figure 1 . Courbe granulométrique des particules de lin

Teneur en lin (%) e/c Entraînement

d’air (%) 0 0,30 12,7 5 0,36 19,5

10 0,42 24,6 15 0,49 28,0

Tableau 1. Courbe granulométrique des particules de lin

Pour les propriétés physico-mécaniques, la masse volumique sèche du composite a été évaluée par mesure géométrique et pesée. Le module d'élasticité dynamique a été déterminé par auscultation ultrasonore suivant la norme NF P 18-418 (Afnor 1989). Les essais mécaniques, en compression et en flexion, ont été réalisés suivant la norme EN 196-1 (Afnor 1995). Les mesures de la conductivité thermique du composite, à l’état sec, ont été réalisées à 20±2°C, à l’aide de la technique TPS (Gustafsson 1991). Cette méthode a fait l’objet de plusieurs travaux de recherches (Mangal et al., 2003). L’avantage de cette technique, réside dans sa large gamme d’utilisation ainsi que la limitation du temps de mesure. Le capteur TPS, faisant simultanément office de résistance chauffante et de capteur de température, est placé entre deux éprouvettes de dimensions (100 x 100 x 100 mm). Afin d’assurer un bon contact thermique entre la sonde TPS et le matériau, les faces des échantillons ont été surfacées. L’ensemble est maintenu à l’aide d’un dispositif de serrage pour minimiser l’influence de la résistance de contact. Le dispositif expérimental est donné par la figure 2. La durée de chaque

0

20

40

60

80

100

0 0,5 1 1,5 2

Taille (mm)

Pass

ant (

%)

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mesure est d’environ 360 s. La conductivité thermique du composite a été évaluée à l’aide d’un programme de traitement, développé sous MATLAB. Les valeurs obtenues représentent la moyenne de trois mesures.

Figure 2. Dispositif expérimental de mesure par la méthode TPS

3. Résultats et analyses

3.1. Masse volumique sèche

La masse volumique sèche du composite, en fonction de la teneur en particules de lin, est donnée par la figure 3. Pour une composition de 15% en lin, elle varie de 1560 kg/m3, pour la pâte de ciment, à 770 kg/m3 ; Ce qui correspond à un allégement de l’ordre de 51%. Cet allégement est lié d’une part à la faible densité des inclusions et d’autre part, à l’augmentation de l’entraînement d’air dans la matrice en fonction de la composition, comme indiqué dans le tableau 1. Celui-ci varie de 12,7%, pour la pâte pure de ciment, à 28% pour le composite contenant 15% de lin. L’augmentation de l’entraînement d’air, en fonction de la composition, est liée à la morphologie des particules de lin, aux propriétés d’émulsion de l’adjuvant protéinique et probablement aux phénomènes d’interactions adjuvant/ciment/particules de lin.

Figure 3. Masse volumique sèche à différentes compositions en particules de lin

ρ = 1537.3e-0.0464x

R2 = 0.99

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 5 10 15Teneur massique en l in (%)

Mas

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olum

ique

sèch

e (k

g/m

3 )

5

3.2. Module d’élasticité dynamique

Le module d’élasticité dynamique des composites, à différentes teneurs en particules de lin, est donné par la figure 4. Celui-ci varie de 16,5 à 2,4 GPa, pour une teneur en lin allant de 0 à 15%. Cette différence est liée à l’effet simultané de la nature des inclusions et de l’entraînement d’air, qui confèrent aux composites des capacités d’atténuation d’ondes ultrasonores et vibratoires intéressantes. Ces résultats laissent présager une large gamme d’application de ce composite dans le domaine de l’isolation phonique et acoustique.

Figure 4. Module d’élasticité dynamique à différentes compositions en particules de lin

3.3. Résistances mécaniques (compression/flexion)

L’évolution de la résistance à la compression des composites, à 28 jours, est donnée par la figure 5a. Celle-ci diminue considérablement avec l’augmentation de la teneur en particules de lin. Pour une composition de 15%, la résistance à la compression varie de 35 MPa, pour la pâte de ciment, à 4 MPa. Soit une baisse de l’ordre de 88%. La baisse de la résistance à la compression est liée, d’une part à la faible résistance mécanique des inclusions et d’autre part, à l’augmentation de la porosité dans la matrice en raison de l’entraînement d’air. Cette porosité fermée, qui se présente sous forme de bulles d’air, affecte considérablement le comportement mécanique du matériau ((Benazzouk et al., 2005). On note également que l’augmentation du rapport (e/c), réduit les performances mécaniques du composite. Malgré une baisse significative de la résistance à la compression, la valeur obtenue pour une composition de 15% reste compatible avec l’utilisation du matériau dans le domaine des bétons cellulaire, suivant la classification fonctionnelle de la RILEM (résistance à la compression supérieure à 0,5 MPa, une conductivité thermique inférieure à 0,3 W/mK) (RILEM LC2 1978). La figure 5b illustre l’évolution de la résistance à la flexion des composites en fonction de la teneur en particules de lin. Celle-ci varie de 4 MPa, pour la pâte de ciment, à 1,4 MPa pour une composition de 15% en particules de lin ; Ce qui correspond à une réduction de l’ordre

0

5

10

15

20

0 5 10 15

Teneur massique en lin (%)

Mod

ule

d'él

astic

ité d

ynam

ique

(G

Pa)

6

de 65%. Malgré une diminution significative de la résistance à la flexion, les valeurs obtenues restent voisines de celles des bétons cellulaires existants. Par ailleurs, on constate que la baisse de la résistance à la flexion est moins importante que celle à la compression.

a : Compression b : Flexion

Figure 5. Résistances mécaniques des composites

3.4. Conductivité thermique

La conductivité thermique du composite, à l’état sec, en fonction de la formulation, est donnée par la figure 6a. Celle ci montre clairement que l’ajout de particules de lin dans la matrice, réduit la conductivité thermique du composite. Pour une composition de 15%, elle varie de 0,55 W/mK à 0,21 W/mK. Cette différence est liée au caractère isolant des particules de lin, qui présentent une conductivité thermique de l’ordre de 0,15 W/mK (Arnaud et al., 2005). La conductivité thermique du matériau, dépend de celles des granulats qui le constituent. Plus la conductivité thermique des inclusions est faible, plus le matériau est isolant. De plus, l’augmentation de l’entraînement d’air, diminue la conductivité thermique du composite. La présence de bulles d’air permet de réduire les ponts thermiques dans la matrice. La relation conductivité thermique-masse volumique sèche correspondante est illustrée par la figure 6b. Elle diminue en fonction de la masse volumique, suivant la relation : 0,075exp(0.0013 )λ ρ= , avec un coefficient de corrélation 2 0,965R = . Cette évolution est similaire à celles obtenues par certains auteurs lors des travaux concernant les bétons légers à base de particules de caoutchouc (Benazzouk et al., 2008). On note que la conductivité thermique du composite contenant 15% en lin, correspondant à une masse volumique de 770 kg/m3, est inférieure à celle du béton cellulaire autoclavé ( 0.33 /W mKλ = ), ayant une masse volumique de 800 kg/m3 (Demurboga et al., 2003). Par ailleurs, les propriétés du composite sont compatibles avec l’utilisation comme isolant et isolant-porteur, suivant la classification fonctionnelle de la RILEM. Les conductivités thermiques et les résistances mécaniques sont compétitives par rapport à celles du composite de type "AGRESLITH-C", élaboré à partir de copeaux de bois (Agreslith-C 2005).

05

10152025303540

0 5 10 15

Teneur massique en lin (%)

Rés

istan

ce à

la c

ompr

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on(M

Pa)

0

1

2

3

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5

0 5 10 15

Teneur massique en lin (%)R

ésis

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la fl

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n (M

Pa)

7

a b

Figure 6. Conductivité thermique des composites

4. Conclusion

Les résultats présentés dans cette étude concernent les propriétés d’un composite, à base de particules de lin, de la catégorie des bétons cellulaires. L’allégement du composite a été réalisé à l’aide d’un agent entraîneur d’air protéinique. L’étude du comportement à l’état durci, a montré que le composite peut atteindre une masse volumique de l’ordre de 770 kg/m3, avec une résistance à la compression compatible avec l’utilisation dans le domaine des bétons cellulaires. Par ailleurs, on note que la baisse de la résistance à la flexion est moins importante que celle de la résistance à la compression. De plus, le composite présente des capacités d’atténuation d’ondes ultrasonores très intéressantes, compatible avec une utilisation pour l’isolation phonique et l’amortissement des vibrations. La mesure de la conductivité thermique a montré que celle-ci diminue considérablement avec l’ajout de particules de lin. Le matériau présente des performances d’isolation thermique très intéressantes, comparativement aux matériaux classiques existants. Pour une teneur en lin de 15%, le composite présente une résistance à la compression de 4 MPa, une résistance à la flexion de 1,4 MPa et une conductivité thermique de 0,21 W/mK, correspondant à une masse volumique de 770 kg/m3. Ces propriétés sont compatibles avec l’utilisation du matériau comme isolant-porteur de "classe III", suivant la classification de la RILEM.

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AFNOR, " Auscultation sonique, mesure du temps de propagation d’onde ultrasonore dans le béton". 1989.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 5 10 15

Teneur massique en lin (%)

Con

duct

ivité

ther

miq

ue

(W/m

K)

λ = 0.0752e0.0013ρ

R2 = 0.965

0

0,10,2

0,3

0,4

0,50,6

0,7

600 800 1000 1200 1400 1600

Masse volumique sèche (kg/m3)

Con

duct

ivité

ther

miq

ue

(W/m

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