Du grain de sable à l architecture! C. Génial 2014/2015 Collège Saint-Exupéry, Perpignan M. VANDERMARLIÈRE, sciences physiques M. SERRET, technologie
Résumé : Nous sommes un groupe de quinze élèves de quatrième du collège Saint-Exupéry de Perpignan. Partant du constat que les constructions de maison utilisant du béton sont polluantes, nous avons décidé de chercher des alternatives. Rapidement, nous avons compris que construire en terre est une possibilité intéressante du fait des propriétés écologique du matériau. Mais cette matière souffre d une mauvaise image injustifiée. La mission que nous nous sommes fixée est donc de mettre en place des expériences pour prouver que la terre est une matière noble et surprenante. Nous voulons comprendre comment la cohésion se fait entre les grains et démontrer que cela peut être très solide! Nous allons par exemple faire un pâté de sable indestructible!!!
I) Description du projet : 1) Le choix du sujet : En cherchant un sujet écologique et moderne nous sommes rapidement tombés sur l architecture, et plus précisément sur le problème que pose le ciment dans la production de CO 2 de la planète. En effet, pour fabriquer du ciment, il faut faire brûler du calcaire et cela participe pour 5% des émissions de dioxyde de carbone mondiales! On ajoute ensuite du sable pour obtenir le béton mais cela participe à la destruction des fonds marins et des plages! Une bonne alternative à ce problème est la construction en terre : facile à utiliser et peu chère, la terre s adapte à beaucoup de climats et est complètement recyclable. Mais cette matière souffre d une mauvaise image en France : on la considère comme un matériau fragile, sale. Ce n est pas le cas dans tous les pays : en Turquie ou dans plusieurs pays d Afrique la construction en terre est très répandue! Malgré tout on trouve quand même des régions de France ou le pisé et le torchis restent présents, par héritage. Notre but est donc de valoriser la terre et de faire comprendre qu elle est un matériau noble et intéressant grâce à plusieurs expériences, comme un pâté de sable indestructible! Notre mission : comprendre ce qui fait la solidité d un mur en terre et prouver à tout le monde avec des expériences simples et surprenantes que la terre est un matériau noble! 2) Notre groupe : Notre groupe est constitué d une quinzaine d élèves dont les ¾ sont des filles, issus de 4 classes différentes du collège saint -Exupéry de Perpignan. Nous nous réunissons tous les jeudis entre 13h et 14h.
3) Nos partenaires : Evidemment nous n avons pas pu entreprendre seuls cette mission. Pour nous aider et nous encourager dans nos démarches nous avons eu la chance d avoir deux partenaires très importants : Hugo Houben : co-responsable du projet Grains de bâtisseurs, collaborateur du projet amàco, membre fondateur du CRAterre (Centre International de la Construction en Terre), longtemps responsable de la Chaire UNESCO «Architectures de Terre Cultures constructives et Développement durable», il vient de participer à la création d une exposition que l on peut voir en ce moment au Palais de la découverte à Paris. Nous avons échangé des mails avec lui. Sa connaissance en la matière nous a permis de mettre au point des expériences surprenantes! Régis Olivès : Chercheur à l université de Perpignan. Il est venu nous rendre visite pour échanger avec nous, observer nos expériences et nous apporter son regard de professionnel. Nous allons très bientôt nous rendre dans ses laboratoires afin de découvrir le monde de la recherche! II) Notre plan d action : 1) Qu est-ce que la terre : Pour comprendre un mur de terre, il faut d abord s intéresser à la terre. Elle est constituée de deux matériaux : - Des grains de différentes tailles : graviers, sable, silt (sable très fin) - De l argile De plus deux autres matières doivent être prises en compte : l eau et l air.
2) Les étapes : Partant de ce constat, nous allons procéder en deux étapes : - Nous allons modéliser la terre par du sable (= cailloux) et comprendre ce qui se passe dans un pâté de sable. Nous allons essayer d en faire un indestructible! - Ensuite nous allons faire des expériences pour comprendre le rôle de l argile. III) sable : Etude d un pâté de 1) Ce qui fait tenir les grains : Prenons des balles de ping-pong, si on tente d en faire une pyramide, inévitablement elle s écroulera. Mais si on mouille légèrement les balles alors on réussira à les faire tenir ensemble. L eau agit comme une colle et maintient les balles serrées en créant de petits ponts capillaires. Quand on fait un pâté de sable, il se passe la même chose : l eau colle les grains entre eux et permet de faire tenir le pâté!
2) Le sable hydrophobe : Dans l expérience précédente, on a montré que l eau sert de colle. Mais s il y en a trop, cela ne colle plus. Si on fait un pâté avec trop d eau, le sable coule et cela ne marche pas. Pourquoi? Pour le comprendre, amusons-nous avec du sable hydrophobe, qui ne se mouille jamais. Mais alors comment peut-on en faire un pâté de sable? Il faut le mettre sous l eau! Il emprisonne avec lui un peu d air : on le voit car sous l eau il a l air brillant. L association du sable, de l eau et de l air fait tenir l édifice. Mais dès qu on le sort de l eau, le pâté s écroule! Pour un pâté de sable classique c est un peu pareil. Quand il y a à la fois du sable, de l eau et de l air, le pâté tient. Mais s il y a trop d eau, le manque d air empêche la cohésion. Conclusion : Cohésion = solide + liquide + gaz 3) Test de résistance d un pâté normal : Maintenant que l on sait comment tient un pâté de sable, nous devons mesurer sa solidité. Cela nous permettra d avoir un point de repère pour voir si on arrive vraiment à améliorer la solidité de cet édifice réputé fragile.
Nous avons trouvé qu avec un pâté normal, on ne peut mettre que 2kg maximum avant qu il ne s écroule! Nous pouvons sûrement améliorer ça si on comprend ce qu il se passe! 4) Excalibur : Nous ne savons pas si la légende d Excalibur est vraie, mais si c est le cas, le Roi Arthur a peut-être utilisé l expérience suivante! Si on remplit de sable un tube avec une épée au milieu et que l on tasse un peu il devient impossible de la dégager! Cela montre que la répartition des forces entre les grains ne se fait pas au hasard! Si on comprend comment cela se passe, nous pourrons améliorer la solidité de notre pâté! 5) Expérience avec de la lumière polarisée : Pour comprendre la répartition des forces, nous allons utiliser la lumière polarisée : c est une lumière filtrée qui ne laisse passer des rayons que dans une «direction». En plaçant des grains de plastique (symbolisant le sable) entre deux plaques et en les compressant nous allons les déformer et ainsi «déformer» la lumière qui les traverse : ainsi apparaissent des «chaînes de force» qui rejoignent toutes les bords du récipient.
Conclusion : les forces de compression se répartissent vers les bords de façon latérale. Utilisons ça pour renforcer le pâté! 6) Un super pâté de sable : Refaisons un pâté de sable mais cette fois-ci nous allons utiliser nos découvertes pour le rendre indestructible! -Nous allons régulièrement tasser le pâté afin d éviter que la force que l on exerce sur le dessus n atteigne que les premiers grains. -Nous allons souvent rajouter de petites grilles qui serviront «d appui» aux chaines de forces.
Le résultat dépasse toutes nos espérances : on peut même monter dessus sans qu il ne ce casse!!! Remarque : les fines grilles que l on a rajoutées sont l équivalent de la paille que l on trouve dans certaines constructions en terre, comme en torchis ou parfois la bauge. IV) Le rôle de l argile : 1) Différence entre la terre et le sable : Quand un pâté de sable sèche, il s écroule. L eau qui le maintenait en forme s est évaporée et il ne reste que le sable : l eau était «libre». Dans un bloc de terre l eau qui maintient la terre est liée, elle ne s évapore pas, même en plein désert ; c est l argile présente dans la terre qui la retient. L argile est en fait
constituée de minuscules plaquettes ; une fois que l eau s est infiltrée entre les plaquettes elle leur sert de colle et les maintient ensemble. On peut les comparer à des lames de microscope : si on place une goutte d eau entre deux lames elles vont se coller et seront plus dures à séparer. 2) Terre = argile + grains : Dans la terre, l argile sert à maintenir l eau et les grains de façon à les rendre plus solides que dans un simple pâté de sable : les plaquettes se glissent entre les grains et les maintiennent grâce aux ponts capillaires de l eau. Mais alors, si l argile durcit et fait tenir le mur, à quoi sert le sable? Le sable sert de squelette ou de brique, l argile servira plutôt de ciment. La terre est en fait un béton d argile! Nous avons réussi à créer de la «terre artificielle» en mélangeant du sable et de l argile. Le pâté que nous avons fait de cette façon est dur comme de la pierre et ne s écroule pas alors qu il a été fait il y a trois mois! V) Conclusion : Avec nos expériences nous espérons avoir prouvé que non seulement la terre est un matériau noble mais qu en plus elle peut être incroyablement solide. Cette matière en grain est d une richesse insoupçonnée et elle devrait être réhabilitée pour la construction de nos maisons!