Etude expérimentale de la formulation d un mortier à base de plâtre et de sable pour la fabrication d un nouveau bloc de brique

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1 1 Etude expérimentale de la formulation d un mortier à base de plâtre et de sable pour la fabrication d un nouveau bloc de brique Mohamed Benali 1, Chokri Soussi 2,3, Omrane Benjeddou 2,4 1 : Ecole Supérieure des Ingénieurs de l'equipement Rural-Medjez El-Bab - Tunisie 2 : Institut Supérieur des Etudes Technologiques (ISET) de Sfax, Tunisie 3 : Université de Sfax, Faculté des sciences de Sfax, Laboratoire de Géoressources, Matériaux, Environnement et Changements Globaux, B.P.1171 Sfax, Tunisie 4 :Université de Tunis El Manar, École Nationale d Ingénieurs de Tunis, Laboratoire de Génie Civil. Tunisie. du premier auteur : chokrisousi@gmail.com Résumé Le principal objectif de cette étude expérimentale est de formuler un mortier à base de plâtre et de sable pour la fabrication d un nouveau bloc de brique. Le sable sujet de cette étude est le sable de dunes des Ergs à la région de Chebba au gouvernorat de Mahdia qui est le résultat d une sédimentation éolienne des différentes roches suivie d un transport fluviatile. Ce type de sable est caractérisé par une granulométrie fine et très serrée. Cette étude s'agit de l incorporation de ce sable dans une matrice de plâtre afin d'obtenir un mortier ayant des propriétés mécaniques suffisantes et meilleures par rapport aux propriétés de la pâte pure de plâtre. En effet, cette étude consiste à faire des différentes compositions des mortiers à ouvrabilité égale de plâtre afin de déterminer la proportion optimale de chaque composant tel que sable et plâtre. Suite aux résultats des essais physiques et mécaniques sur des éprouvettes de différents mélanges, la composition optimale adoptée du mortier est de 50% de sable + 50% de plâtre qui a servi par la suite à la fabrication d un nouveau bloc de brique exploitable à un jour d âge. Mots clés : Etude expérimentale, Plâtre, Sable, Mortier, Propriétés, bloc de brique. 1. INTRODUCTION L ajout du sable au plâtre influe directement sur les propriétés physiques et mécaniques du mélange résultant, Il est très clair que cet ajout affecte certaines propriétés telles que le temps de prise, la densité, le degré d absorption la température d hydratation et les résistances mécaniques, mais la question la plus importante est quel est l effet de cet ajout sur ces propriétés. Malheureusement il n existe pas des études exhaustives sur les mortiers de plâtre. L absence de ces études, nous a conduit à faire des essais sur différentes compositions des mortiers de plâtre sein du laboratoire de Génie Civil de l'iset de Sfax et ceci pour atteindre des meilleurs propriétés physiques et mécaniques du produit fini. La stratégie à suivre pour ce travail expérimental est comme suit : 1. Etude d une pâte à base de plâtre pure. 2. Dans la deuxième phase, on a ajouté progressivement une proportion de sable des Ergs, pour voir l influence de rapport S/P sur la rhéologie, le mode de malaxage ainsi que les propriétés physiques et mécaniques. 3. Pour chaque rapport S/P, on va déterminer un rapport E/P correspondant à une même ouvrabilité de pate. 4. En variant le rapport S/P et e rapport E/P correspondant, des multiples d'essais sont menés pour obtenir un mortier de plâtre facile à mettre en œuvre et ayant des caractéristiques physiques et mécaniques meilleures. Ces travaux de recherche appliquée au sein de l'iset ont abouti à un brevet d'invention, déposé le 27/05/2016, par une

2 Pourcentage Tamisat (%) 2 société mandataire "CAP CONSEIL". La dite société a signé, en amont, un contrat de cession d'exploitation de licence de brevet avec NT-Consulting. 2. IDENTIFICATION DES MATERIAUX UTILISES 2.1. Identification du sable Le sable de dunes des Ergs à la région de Chebba est le résultat d une sédimentation éolienne des différentes roches suivie d un transport fluviatile. La plus grande partie de ces formations est constituée de ce type de sable. Selon la courbe d'analyse granulométrique (Figure 1), on remarque qu'il est caractérisé par une granulométrie fine et très serrée. Le module de finesse est de l'ordre de Les essais d'identification ont montré aussi que la masse volumique apparente et absolue pour ce sable sont égales respectivement à ρ app = 1392 kg/m 3 et ρ abs = 2659 kg/m 3. L essai d équivalent de sable au piston a montré qu'il s agit d'un sable très propre (ES p = 89 %) ,01 0, Diametre (mm) Figure 1. Courbe d analyse granulométrique On a effectué aussi une analyse chimique au laboratoire de l'office National des Mines (ONM) à Tunis sur le sable étudié selon la norme EN ISO Il consiste à identifier et quantifier la composition d'un échantillon de matière avec une spectrométrie d absorption atomique «SAA». Le tableau 1 montre les pourcentages des composants chimiques du sable des Ergs. Tableau 1. Composition chimique du sable des Ergs Composant Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 K 2 O MgO Na 2 O PAF SiO 2 Pourcentage D'après les résultats présentés dans le tableau 1, on observe que les pourcentages élevés de SiO 2 et de CaO et l'absence complète du gypse classent ce sable comme étant non agressif Identification du plâtre Le plâtre utilisé est un produit local prélevé de la carrière El Meknassi au gouvernorat de Sidi Bouzid. Il est disponible sur le marché sous le nom commercial "Knauf". Les essais ont montré que les masses volumiques apparente et absolue pour ce plâtre sont égales respectivement à ρ app = 604 kg/m 3 et ρ abs = 2652 kg/m 3. Les compositions minéralogiques et chimiques nous ont été transmises par les fiches techniques de ce produit. L'analyse minéralogique, présentée dans le tableau 2, montre que les deux composants les plus prépondérants sont le SO 2 et la CaO. Ceci affirme que l élément le plus essentiel dans le plâtre, est le sulfate de calcium. Tableau 2. Composition chimique du plâtre Composant Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 KO MgO Na 2 O SO 2 SiO 2 AL 2 O 3 Pourcentage

3 3 3. ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COMPOSITION D'UN MORTIER DE PLATRE 3.1. Le protocole expérimental Le principal objectif de cette étude expérimentale est d'obtenir un mortier composé de sable et de plâtre ayant des propriétés physiques et mécaniques meilleures par rapport à celles de la pâte pure de plâtre. Les pourcentages en poids des différents composants des différents mélanges étudiés sont présentés dans le tableau 3. Tableau 3. La composition et le rendement des différents mélanges étudiés Mélange E H G F A B C D Plâtre (%) Sable (%) E/(S+P) (%) Temps d'écoulement (s) *Rendement(%) * : Rendement = (Volume Eprouvette/ Volume Moule) x 100 = (Hauteur Eprouvette / Hauteur Moule) x Détermination de la quantité d'eau L'objectif de ce travail est de trouver, à ouvrabilité égale, la quantité d'eau qui permet une mise en place aisée sans vibration. Le mélange témoin, 50% sable et 50% plâtre (Mélange A) a donné un temps d'écoulement de 2.27 à l'aide du maniabilimètre selon la norme (NF EN 196-1). Différents tests pour les autres mélanges ont été menés en variant la quantité d'eau à chaque fois pour avoir la même ouvrabilité que le mélange témoin. Le pourcentage de l'eau pour chaque mélange en fonction du pourcentage du plâtre est présenté dans le tableau 3. D'après ce tableau, le pourcentage d'eau diminue avec l'ajout du sable et ceci s'explique par la diminution de la finesse du mélange obtenu Rendement Pour calculer le rendement de chaque mélange, on a procédé comme suit : Prépare 1 kg de chaque mélange. Versement du mortier dans un moule cubique (10x10 x10 cm). Démoulage et mesure de la hauteur du moule. Les résultats de mesure des rendements sont présentés dans le tableau 3. D'après ces résultats, on remarque que le pourcentage du sable et le rendement obtenu sont inversement proportionnels. En raisonnant sur la densité, la masse volumique augmente avec le dosage du sable donc le volume du mélange obtenu diminue Préparation des éprouvettes La méthode de malaxage de mortier de plâtre est totalement différente à celle des mortiers classiques.après plusieurs tentatives, on a trouvé la procédure de malaxage suivante (Fig. 2) : Malaxage à sec du mélange jusqu à l'homogénéisation Version du mélange dans l'eau Malaxage 30 s (vitesse lente) + 1 min (vitesse rapide) Figure 2. Malaxage d'un mortier à base de plâtre Les éprouvettes sont conservées dans une aire de stockage à une température de l'ordre de 23C et une humidité relative entre 55 et 65 %.

4 4 4. LES RESULTATS DES ESSAIS SUR MORTIER DURCI 4.1. Masse volumique Le suivi de la masse volumique au cours du temps permet de mesurer la quantité d'eau nécessaire pour l'hydratation et celle perdue. Le pesage des échantillons n'est arrêté que jusqu'à stabilisation de la masse. Tableau 4. Les densités et la perte d'eau des mélanges Mélange E H G F A B C D Densité initiale (kg/m 3 ) Densité finale (kg/m 3 ) Perte d'eau (g) Figure 3. Variation de la densité des différents mélanges en fonction du temps D'après les résultats présentés sur la figure 3 et dans le tableau 4, la densité des mélanges augmente avec l'augmentation du pourcentage de sable et ceci est du à la masse volumique du sable qui est largement supérieure à celle du plâtre. On remarque aussi que pour la majorité des mélanges la masse des éprouvettes se stabilise entre 14 et 16 jours dans les conditions de conservation déjà citées. Finalement, les catégories des mélanges A, F, G, H et E se classent comme étant des matériaux légers Degré d'absorption L'objectif est de mesurer la quantité d eau absorbée par une éprouvette en fonction du temps et ceci pour voir l'influence de l ajout de sable sur la porosité du produit fini. La procédure de mesure est la suivante (voir figure 4) : Immersion des éprouvettes dans l'eau après la stabilisation de leurs masses, Essuyage des éprouvettes et pesage. Remise des éprouvettes dans l'eau. Pesage en fonction du temps jusqu'à stabilisation de la masse. Figure 4. Mesure du degré d'absorption Le degré d'absorption maximal de chaque mélange est présenté sur la figure 5. D'après les résultats obtenus, on remarque que le degré d'absorption maximal diminue en augmentant le pourcentage du sable. Ceci s'explique par la diminution de la porosité globale du mélange. On remarque aussi que la majorité des mélanges acquièrent presque 50% du degré absorption maximal durant les trois premières heures

5 5 Figure 5. Les courbes de degré d'absorption en fonction du temps des mélanges 4.3. Température Dans cette partie on a suivi la température d'hydratation des éprouvettes A, F, G, H et E jusqu'au retour à la température ambiante. Les autres mélanges B, C et D sont écartés vue leurs faibles résistances mécaniques. La procédure de mesure de la température est la suivante (Figure 6): Préparation de mélange. Mise en place d'un thermomètre dans un tube en cuivre placé au centre de l'éprouvette contenant une huile hidrotique. Mise en place d'un autre thermomètre digital témoin pour la mesure de la température ambiante. Mesure de la température en fonction du temps. Figure 6. Mesure de la température d'hydratation D'après les courbes présentées sur la figure 7, on remarque que en augmentant le pourcentage du sable, la température maximale est de l'ordre 38 C atteinte pendant 19 minutes (Mélange A) par contre, pour le mélange E (100% du plâtre) la température maximale est de l'ordre de 47 C atteinte pendant 25 minutes. Les courbes prouvent que la présence du sable baisse la température d'hydratation et accélère le retour à la température ambiante. Ceci s'explique par la diminution du pourcentage du plâtre qui baisse l'exothermicité de la réaction. Figure 7. Les courbes de la température des différents mélanges en fonction du temps

6 Résistance à la compression (NF EN ) Dans cette partie, on a fait des essais de compression à 28 jours d âge sur des éprouvettes cylindriques (4.4 x 8.8 cm) des différents mélanges. Les résultats de l'écrasement des éprouvettes cylindriques sont présentés sur la figure 8. Figure 8. Résistance à la compression à l'âge de 28 j en fonction de la déformation des mélanges D'après les résultats on note que l ajout de sable de dunes provoque une diminution de la résistance à la compression du plâtre. On remarque aussi qu'au delà d'un pourcentage de 50% de sable, les résistances mécaniques chutent et même parfois non déterminées. Finalement, l'optimisation jusqu'à 50% de sable (mélange A) donne une résistance presque similaire à celle du mélange 100% de plâtre (mélange E) et ayant la même loi de comportement qui est élastique et non linéaire. 5. CONCEPTION D'UN BLOC DE BRIQUE A BASE DU MORTIER DU PLATRE A part l aspect économique, le choix du mélange A (50% de sable + 50% de plâtre) n'était pas arbitraire mais c'est suite aux résultats encourageants du produit que ce soit à l'état frais ou à l'état durci. Il est donc techniquement possible de mélanger le plâtre avec le sable de façon à obtenir des plâtres amaigris ou mortiers de plâtre. L objectif poursuivi est de concevoir un nouveau produit à la fois économique et écologique, mais les propriétés de ce nouveau produit diffèrent de celles de plâtre de base : il s agit d un bloc de brique à alvéoles circulaires. Les détails de ce nouveau bloc sont représentés sur la figure 9. La conception de ce bloc permet de donner un produit exploitable après un jour de sa fabrication puisque la résistance à un jour d âge atteint 50 % de sa résistance finale à 28 jours qui est de l ordre de 20MPa. Cette augmentation de la résistance est due à la conception elle-même du bloc, en effet les alvéoles circulaires jouent le rôle de ce qu on appelle «l effet de voûte» lors de l essai de compression. Le mode de rupture ainsi que les lois de comportement sur ce produit sont en cours d étude. Figure 9. Conception d un bloc de brique à base de mortier de plâtre

7 7 6. CONCLUSION GENERALE Les résultats des essais sur pâte de plâtre pure et des différents mortiers de plâtre ont montré que : - Le pourcentage du sable et le rendement obtenu sont inversement proportionnels. - La densité des mélanges augmente avec l'augmentation du sable et ceci grâce à la masse volumique du sable qui est largement supérieure à celle du plâtre. - Le degré d'absorption maximal diminue en augmentant le pourcentage du sable. - La majorité des mélanges acquièrent presque 50% du degré absorption maximal durant les trois premières heures. - La présence du sable baisse la température d'hydratation et accélère le retour à la température ambiante. - La majorité des mélanges acquièrent une résistance de l'ordre de 50% de la résistance à 28 jours après 1 jour d'âge. - L'optimisation jusqu'à 50% de sable donne une résistance similaire à celle du mélange 100% de plâtre. Le mélange optimal adopté est celui composé de 50% plâtre et 50% de sable ce qui nous permet de concevoir un nouveau produit à la fois économique et écologique. Il s agit d un bloc de brique à alvéoles circulaires. Cette nouvelle conception permet de donner un produit exploitable après un jour de sa fabrication puisque la résistance à un jour d âge. Les prochains travaux consistent à étudier le mode de rupture ainsi que les lois de comportement de ce produit. Références bibliographies - NF EN ISO May 2004 : Water quality - Determination of trace elements using atomic absorption spectrometry with graphite furnace, - NF EN Août 1998 : Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats - Partie 3 : méthode pour la détermination de la masse volumique en vrac et de la porosité intergranulaire, - NF EN Janvier 2014 : Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats - Partie 6 : détermination de la masse volumique réelle et du coefficient d'absorption d'eau, - NF EN Décembre 2010 : Amendements minéraux basiques - Détermination de la distribution granulométrique par tamisage par voie sèche et par voie humide, - NF P Mars 1996 : Sols : reconnaissance et essais - Analyse granulométrique - Méthode par tamisage à sec après lavage, - NF EN Avril 2012 : Méthodes d'essai des ciments - Partie 6 : détermination de la finesse, - NF P Mai 1992 : Sols : reconnaissance et essais - Analyse granulométrique des sols - Méthode par sédimentation, - NF EN 933-8/IN1 July 2015 : Tests for geometrical properties of aggregates - Part 8 : assessment of fines - Sand equivalent test - Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats.