Etude de matériaux minéraux renforcés par des fibres organiques en vue de leur utilisation dans le

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Chapitre I : Etude bibliographique Chapitre I : Etude bibliographique I.1. La matrice cimentaire. I.1.1. Définition : Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre très fine, composée d’oxydes minéraux dont les deux principaux sont la chaux (CaO) et la silice (SiO ). Il réagit avec l’eau en donnant des hydrates stables qui lui confèrent une résistance 2mécanique. Les réactions d’hydratation du ciment conduisent à la formation d’une pâte durcissant progressivement à l’air ou dans l’eau. I.1.2. Constituants : Le Ciment Portland Artificiel (CPA) se compose principalement de clinker. Ce dernier est obtenu par mélange de matières premières naturelles de composition chimique adéquate. La préparation du cru consiste à mélanger de manière homogène du calcaire (80%) et l’argile (20%). Le cru est ensuite calciné à 1450°C pour former le clinker. Les granules de clinker, dont la taille varie de 5 à 40 mm de diamètre, sont finement broyés avec addition de gypse (3 à 5%) pour réguler la prise. Un ciment est composé en général des 4 phases principales C S, C S, C A, C AF (Tableau I.1). 3 2 3 4 7Chapitre I : Etude bibliographique Les phases CA et C (A,F), plus couramment dénommée CAF, se situent 3 2 4généralement entre les grains de C S et C S. Le clinker contient aussi des éléments mineurs 3 2tels que : Na O, K O, MgO, CaO libre, TiO , SO , P O et Cr O . 2 2 2 3 2 5 2 3Désignation des Formules Abréviation Solution solide ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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Chapitre I : Etude bibliographique
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Etude bibliographique
I.1. La matrice cimentaire. I.1.1. Définition : Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme dune poudre très fine, composée doxydes minéraux dont les deux principaux sont la chaux (CaO) et la silice (SiO2). Il réagit avec leau en donnant des hydrates stables qui lui confèrent une résistance mécanique. Les réactions dhydratation du ciment conduisent à la formation dune pâte durcissant progressivement à lair ou dans leau.
I.1.2. Constituants : Le Ciment Portland Artificiel (CPA) se compose principalement de clinker. Ce dernier est obtenu par mélange de matières premières naturelles de composition chimique adéquate. La préparation du cru consiste à mélanger de manière homogène du calcaire (80%) et largile (20%). Le cru est ensuite calciné à 1450°C pour former le clinker.
Les granules de clinker, dont la taille varie de 5 à 40 mm de diamètre, sont finement broyés avec addition de gypse (3 à 5%) pour réguler la prise. Un ciment est composé en général des 4 phases principales C3S, C2S, C3A, C4AF (Tableau I.1).
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Les phases C3A et C2 plus couramment dénommée C (A,F),4AF, se situent généralement entre les grains de C3S et C2S. Le clinker contient aussi des éléments mineurs tels que : Na2O, K2O, MgO, CaO libre, TiO2, SO3, P2O5et Cr2O3. Désignation des Formules Abréviation Solution solide Répartition minéraux purs de la phase pure %présente dans le clinkerAlite 45 à 65 Bélite 10 à 30 Aluminate 5 à 15 tricalcique ou célite Alumino-ferrite 5 à 15
Silicate tricalcique 3CaO, SiO2 C3S Silicate bicalcite 2CaO, SiO2 C2S Aluminate tricalcique 3CaO, Al2O3 C3A
Alumino-ferrite de 2CaO, pAL2O3 C2APF1-Pcalcium (1-p)Fe2O3
Tab. I.1 : Les différentes phases du clinker [Seid et al. 80]
I.1.3. Hydratation du Ciment Portland Artificiel (CPA): Le contact du ciment avec leau déclenche un mécanisme dhydratation comprenant (dans lordre où elles seffectuent) les réactions dadsorption, dhydrolyse, de dissolution, de solvatation, de précipitation, de cristallisation, de germination, de migration et de diffusion. Ce mécanisme doit être considéré dans toute sa complexité, en tenant compte des différentes interactions mutuelles de ses différentes réactions.
Lhydratation du CPA correspond à une suite de réactions chimiques entre les différents composants du clinker, le gypse et leau. Celles-ci seffectuent suivant un processus de dissolution précipitation très complexe[Seid et al. 80], [Jaw et al. 85],[Ver, 89]qui peut être schématisé sur la Figure I.1. Lordre de réactivité des composants du ciment est connu : C3A>C3S>C4AF>C2S
Lhydratation du CPA est un phénomène complexe faisant intervenir divers processus (mécanisme dhydratation) qui ont été élucidés dès la fin du 19émesiècle par Henri Le Chatelier (1887). Il a notamment décrit trois étapes relatives à la prise du ciment : ¾de leau par les grains de ciment ;Ladsorption physique et chimique
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¾La dissolution ou solvatation, correspondant à un changement détat du solide ionique (ciment) en présence de solvant (eau) ; ¾la germination et se poursuit par la croissance deLa cristallisation, qui débute par cristaux. 12 10 Formation de monosulfate Formation rapide deFormation de l’ettringite de dissolution C-S-H et CH 8  diffusion commandées Réactions-Augmentation de temps 6d’induction de la concentration Ca2 4 2 0  4000 200 800 600 1000 Temps (min) Fig. I.1. : Représentation schématique de l’hydratation du ciment [Jaw et al. 85]
I.1.4. La prise du ciment Le ciment est un matériau fortement alcalin (pH >12,5) et contient des groupes hydroxydes de métal comme : 1 1 1 1 COH,SiOH,A lOH etFOH 1 1 1 1 dus à lhydratation et à lhydroxydation des silicates, des aluminates et des ferrites de calcium qui sont présents dans la matrice ciment. La prise du ciment provient de laugmentation du volume des produits hydratés, conduisant à la diminution des distances entre les particules individuelles, jusquà ce que lécoulement plastique soit réduit par la force de cohésion[Jaw et al. 85].
La dissolution des espèces ioniques et des compositions de la phase liquide jouent un rôle important dans la prise du ciment. Par contre, la réactivité de C3A et la présence des sulfates de calcium dans le ciment ont une influence sur la prise, en raison des larges différences de solubilité du gypse semi- hydraté et de lanhydrite soluble. La quantité dions sulfates disponibles dans la solution contenue dans les pores est fonction de la présence des
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alcalins solubles dans le ciment, qui augmentent la solubilité du gypse. Quand le C3A réagit avec les sulfates pour former lettringite ou le monosulfo- aluminate hydraté, la concentration en sulfate diminue, et la phase liquide devient une solution dhydroxydes de calcium et dhydroxydes alcalins.
En présence de gypse, celui-ci se trouve quelque peu modifié. Le gypse est ajouté au clinker en temps que régulateur de prise qui bloque lhydratation de C3A et permet celle de C3S. Lhydratation de C3A en présence de C3S conduit à la formation, autour des grains de C3A, de trisilicoaluminates[Jaw et al. 85].
Comme la solubilité du calcium en présence dalcalins est faible (Fig. I.2), lhydroxyde de calcium cristallise et la phase liquide devient essentiellement formée dune solution dhydroxydes alcalins. Ce phénomène a dimportantes implications sur la prise, laccélération de lhydrations de C3S et la durabilité du béton. Fig. I.2 : Solubilités relatives des alcalins et de CaO à 20°C et de CaSO4[Jaw et al, 85].
I.1.5. Propriétés mécaniques du ciment au cours du durcissement.
La prise et le durcissement du ciment ou béton sont le résultat dun certain nombre de réactions chimiques dont les principales lhydratation des silicates du clinker saccompagnent dun fort dégagement de chaleur. Les silicates de calcium C3S et C2S sont les constituants les plus importants du ciment portland pour les propriétés mécaniques de la pâte durcie. Selon la quantité deau utilisée dans les mélanges, deux niveaux dhydratation sont observés.
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Hydratation totale, où la quantité deau est suffisante pour hydrater les grains du ciment. partielle, où la quantité deau nest pas suffisante pour hydraterHydratation totalement les grains du ciment. Au temps zéro, la pâte est constituée de grains de ciment anhydre et deau. Lhydratation de C3S et C2S forme des produits hydratés dans la porosité capillaire (outer product) ainsi que la surface des grains anhydre (inner product). Lorsque les surfaces de contact entre des hydrates saccroissent, elles conduisent à une augmentation de la résistance mécanique du matériau. La Fig. I.3 montre un schéma simplifié des mécanismes dhydratation des grains de ciment. Fig. I.3 : Mécanismes simplifiés d’hydratation des grains de ciment [Alq, 03]  Les propriétés mécaniques (résistance en compression, en traction, module dYoung), évoluent continûment avec le durcissement du matériau. Par ailleurs, la croissance de ces caractéristiques est fortement accélérée par la chaleur. Comme pour un grand nombre de réactions chimiques, la cinétique de lhydratation répond assez bien à la loi dArrhenius Le durcissement des pâtes de ciment saccompagne dun accroissement important des résistances mécaniques. Mais, il y a des paramètres principaux dont dépend la résistance de la pâte durcie comme la porosité et la composition du solide. En ce qui concernela porosité, il ressort des travaux de nombreux chercheurs que la résistance à la compression et le module délasticité sont des fonctions exponentielles de la porosité et quand elle augmente pendant le temps de durcissement, elle conduit à la diminution la résistance à la compression et du module délasticité (Fig. I.4).
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100000
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120(dLaoNg/ cσumlt2) 0 + + ++ + 1000Temp d+ s e durcissement 800infini+ + 600 400+ + 200 +Γ 0 00,4650,6 Fig. I.5 : Résistance à la compressionσulten fonction deΓ[Gra et al. 78]
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- PourΓrésistance à la compression de la pâte durcie croît entre 0 et 0,465, la  compris exponentiellement avecΓ- pourΓ> 0,465, la résistance à la compression est constante, bien que le degré dhydratation augmente et donc la porosité totale diminue quandΓcroît. La valeurΓ correspond à un rapport E/C = 0,37 (en masse, en prenant pour =0,465 densité du ciment 3,1 g/cm3rapprocher de la valeur E/C = 0,35 donnée par) qui est à [Pow, 61]limite au- dessous de laquelle lhydratation ne peut être complète car les valeur  comme capillaires sont totalement remplis par les hydrates avant que le ciment anhydre ne soit entièrement consommé. Ainsi pourΓ< 0,465, le ciment est totalement hydraté ; pourΓ> 0,465, lhydratation est incomplète et la porosité capillaire est nulle. Cest donc bien la porosité capillaire qui caractérise le comportement des pâtes de ciment étudiées pour les auteurs en question. Ce résultat, bien vérifié pour la résistance en compression ne lest plus pour la résistance en traction. Cest que, vis-à-vis de la traction les pores interviennent aussi en induisant des concentrations locales de contraintes déterminantes pour la rupture. Pour tenir compte de cet effet supplémentaire[Gra et al. 78] propose de distinguer linfluence des capillaires, des pores et des microfissures. Il souligne la baisse de résistance à la traction observée sur des pâtes de ciment à E/C = 0,32 après 30 jours dhydratation, montrant selon lui le rôle important, dans cet essai, de certains types de pores, de très faibles volumes, tels que des discontinuités aux frontières entre différentes espèces ou des microfissures se développant à partir dun certain degré dhydratation. [Pow, 58], indique que, pour une pâte de ciment donnée à divers états de maturité, la résistance à la compression Rcest liée au rapport : Volu dhydrate Υme= Volume dhydrate+volume des capillaires par la relation empirique suivante : Rc= A.Yn: n est généralement compris entre 2,6 et 3 et dépend de la nature du ciment.  A représente la résistance de lhydrate (Fig. I.6) Il est précis que la constante A de sa formule augment avec le teneur en ciment de la pâte. Il est possible que cela corresponde sur la Fig. I.2 à la croissance de la courbe (σult-Γ) légèrement supérieur à la croissance exponentielle prévue pour les matériaux poreux ; peut-
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être est-ce dû à une modification de la nature des produits dhydratation en fonction du rapport E/C initial. Rc (daN/cm2)ο 1000ο ο ο × × × ×ο 500×fc= 34 000 Y3 0Y 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Fig. I.6 : Résistance à la compression en fonction Y [Pow, 58]  De plus, en ce qui concerne lacomposition du solide CPA,les résultats sont similaires à ceux trouvés par[Gra et al. 78]. A porosité capillaire nulle, la résistance dune pâte de CPA usuel est constante, quel que soit son degré dhydratation. Le degré de cristallinité et la densité du solide influencent la résistance ; pour obtenir la meilleur résistance à une porosité donnée, il existerait une combinaison optimale de matériau bien cristallisé et de matériau mal cristallisé, ce dernier agissant comme liant du premier.[Fel et al. 74]Enfin, lévolution de la nature des hydrates pourrait avoir une influence sur lévolution de la résistance au cours du durcissement, mais on peut affirmer que cest encore lévolution de la porosité qui est le facteur principal dévolution de la résistance. On veut obtenir un pâte du ciment ou béton à la résistance maximale ; on cherchera à réduire au maximum le rapport E/C pour dépasser le seuil en dessous duquel la porosité capillaire est nulle en fin dhydratation. Le Tableau I.2 montre des valeurs de propriétés mécaniques (lénergie de rupture, module dYoung, rupture en traction, ténacité) de la pâte de ciment, du mortier et du béton à 28 jours.
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Matériau E GcRtKIcLong. caract.  (GPa) (J/m2 (MPa) (MPa)m) (m) Pâte 21,6 9,3 5,5 0,45 0,01 Mortier 29,2 59,5 3,5 1,3 0,14 Béton 29,2 108 3,5 1,8 0,26
Tab. I.2 : Comparaison entre les propriétés mécaniques de pâte de ciment, mortier et béton [Mod, 79]. I.2. Le bois I.2.1. Généralités Le bois fut le matériau multi- usage des débuts du développement industriel et le support des premiers travaux en mécanique des matériaux au 16éme Siècle. Il reste la source dun tonnage considérable de produits à base de bois qui sont des matériaux de structure. La mécanique reste donc une discipline majeure des « Sciences du bois ».[Tro et al.]
Cest une matière ligneuse et compacte qui compose les branches, le tronc et les racines des arbres et des arbrisseaux. Lensemble de tissus est composé des fibres ligneuses, de parenchyme et de vaisseaux.
En fait, les essences productrices de bois peuvent être classées en deux catégories : les gymnospermes, groupe auquel se rattache lordre des conifères ou résineux et les angiospermes, groupe auquel appartiennent les feuillus.
Ainsi, lobservation dune section transversale dun tronc darbre, montre un certain nombre de zones pratiquement circulaires, concentriques les unes aux autres, et correspondant aux différentes phases de formation et de croissance de larbre. Laccroissement en diamètre se fait par la prolifération de cellules au niveau de lassise génératrice ou cambium, placée sous lécorce.
Enfin, outre le dessin des cernes et des rayons ligneux, on peut observer sur la section transversale de certaines essences (chêne, châtaignier, pin, mélèze), une partie centrale appelée cur, plus colorée que la partie périphérique laubier. Cette différenciation apparaît lorsque larbre a atteint un âge suffisant ; alors la partie centrale cesse de vivre, leau, la sève ne circulent plus dans les vaisseaux. Cette région se transforme peu à peu ; les membranes sépaississent de résine, tanins, matières colorantes et les vaisseaux sobstruent par des sécrétions gommeuses ou tanniques, cest le phénomène de duraminisation. Cette différence
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dans la coloration et la composition chimique du cur et de laubier se traduit par des différences de propriétés du bois (en particulier, sa dureté).
I.2.2 Structure du bois Le bois est un matériau fibreux. Les fibres sont constituées de cellules allongées de 1 à 3 mm de long et denviron 30µm de large. Elles sont disposées parallèlement à laxe du tronc ; ce sont elles qui donnent sa résistance au bois : le bois sera dautant plus résistant que la densité de fibres sera plus grande.
On peut définir trois directions principales du bois, selon laxe du tronc et les cernes. Les cellules ou trachéides sont orientées pour la plupart verticalement, selon laxe longitudinal. Les deux autres axes se définissent par rapport aux cernes ; il sagit des directions tangentielle et radiale.
      
Une coupe transversale permet de distinguer les éléments suivants (Fig. I.7) :
  externe, ou rhytidome, constituée de cellules mortes.L écorce 99Lécorce interne, ou liber, qui conduit la sève.  9Le cambium, organe de croissance qui forme le liber vers lextérieur et les cellules du bois vers l intérieur. 9Laubier, partie vivante du bois. 9Le cur, ou duramen, constitué de cellules mortes
Coeur
Aubier
Cambium
Liber
Écorce externe
Fig. I.7 : Coupe transversale d’un tronc d’arbre [Bous, 02]
Les diverses parties du bois se distinguent par leur aspect, leur porosité et la composition chimique des substances quelles renferment. 
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I.2.3. Composition chimique du bois Parmi les principaux constituants organiques, le bois est essentiellement constitué de la cellulose (environ 50%), de lignine (environ 20%) et des hémicelluloses ( environ30% ) (Tab I.3).
 LigninesCellulose Hémicelluloses Résineux 42% 27% 28% Feuillus 45% 30% 20%
Tab I.3:Compositions massiques moyennes du bois [Tro et al.] 
Chimiquement, le bois se compose presque toujours de 50% de carbone, 42% doxygène, 6% dhydrogène, 1% dazote et 1% déléments divers. En plus, leau contenue dans le bois joue un rôle très important sur toutes les propriétés : densité, propriétés physiques, caractéristiques mécaniques  etc. Elle peut atteindre 100% (et parfois plus), de la masse du bois sec. Elle est présente dans le bois à trois niveaux différents ; on distingue en effet : Leau de constitution, combinée chimiquement à la matière ligneuse (elle reste présente dans le bois dit « anhydre ») Leau dimprégnation, contenue dans les membranes des cellules tissus et lintérieur des cellules lorsque lesLeau libre, qui remplit les vides des membranes sont saturées deau. La quantité deau (eau dimprégnation et eau libre) contenue dans le bois est caractérisée par un paramètre appelé « taux dhumidité du bois » et est définie comme le rapport H%(MM ) 100 =h 0× M0 Où ; Mh:masse de léchantillon humide M0: masse de léchantillon anhydre Au cours du séchage du bois, cest dabord leau libre qui sévapore. Le « point de saturation » du bois est atteint lorsque lhumidité est de H=30% environ. Le séchage continuant, cest leau dimprégnation qui commence à sévaporer. Le bois « sec à lair » a une humidité de 13 à 17% suivant les saisons. On peut obtenir un état plus sec par séchage
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