Identification and characterization of earth material internal cohesion mechanisms : application to conservation purposes
Identification et caractérisation de la cohésion interne du matériau terre dans ses conditions naturelles de conservation
Résumé
The successful conservation of our earthen cultural heritage is a complex problem which has many different aspects. The most straightforward is probably the preservation of the cohesion of this material. However, the knowledge of earth material for earth building is quite empiric. Considering the hierarchical structure of most earthen materials, with several different length scales, and the variety of conditions to which they are exposed, it is unlikely that a simple answer can be given to the question: what is cohesion? To answer this question, a model material has been made by mixing sand of Hostun and kaolinite for different mass% of clay minerals (5, 10, 15 and 25 mass%). Two principal approaches were used to study this material: soils mechanics tests adapted to unsatured materials (simple shear, unconfined compressive test and triaxial test) and image analysis on thin sections or global samples by SEM (2D - false 3D) and tomography (3D). These multi-scale approaches showed a maximum of Mohr-Coulomb cohesion, a best distribution of critalographic phases for 15 mass% of kaolinite. The Mohr-Coulomb cohesion is the sum of different forces that can not be measured independantly. The last approach is a semi-quantitative model which estimates this cohesion by a detailled description of all forces (mechanical, capillary and Van der Waals forces).
La mise en oeuvre des constructions en terre est basée sur le principe de compactage de matrices argilo-sableuses optimisées en fonction de la teneur en eau et de la granulométrie du mélange. Malgré les possibilités constructives de ce matériau, il n'en reste pas moins que la science de celui-ci est grandement empirique. Ces travaux ont pour objectif de comprendre les processus intrinsèques de ce matériau et surtout sa cohésion, concept important mais difficilement mesurable pour qui veut parler de la tenue d'un mur. Cette évolution de cohésion interne a été étudiée sur un matériau modèle constitué de sable d'Hostun et de kaolinite. Les éprouvettes ont été fabriquées pour des ratios pondéraux kaolinite / sable de 5, 10, 15 et 25%, à teneur eau W légèrement supérieures aux « limites de plasticité » sur matériau total (10 < W < 20 %) puis séchées jusqu'à équilibre avec l'atmosphère ambiante (W résiduelle < 2%). Les évolutions de cohésion et d'angle de frottement interne (paramètres de Mohr-Coulomb) ont été mesurées par essais de cisaillement à la presse triaxiale associés à des essais en compression simple et cisaillement direct. La résistance mécanique à la rupture augmente avec le pourcentage d'argile mais il semble exister un seuil entre 15 et 25 % massique de kaolinite au delà duquel les comportements macroscopiques se modifient. À ces macro-observations sont ajoutées des analyses d'images 2D-3D permettant de visualiser et de « cartographier » la répartition de chaque phase : sable / argile / macropores. De plus, ces observations permettent de comprendre les arrangements particulaires de la matrice argileuse (anisotropie de matrice) démontrant ainsi qu'il existe des mécanismes permettant l'organisation de la kaolinite autour des macropores et la formation de « ponts» argileux entre les grains de quartz. L'ensemble de ces mécanismes génère, à leur échelle, une force de cohésion qu'il est possible d'estimer théoriquement par une re-décomposition de l'ensemble des forces, de la mécanique aux forces électrochimiques.