29 notions-clefs : matériaux de construction et développement durable

Auteurs : Henri Van Damme (plus d'infos)
Résumé :
Avec quoi construisons-nous ? Au-delà des choix individuels, la réponse à cette question est éminemment variée selon la région ou l’époque à laquelle on s’intéresse. Elle varie également selon que l’on s’attache à l’habitat, aux lieux de travail, à la construction industrielle ou aux grands ouvrages. Si les matériaux artificiels dominent actuellement les techniques constructives en Europe, il n’en a pas toujours été ainsi, et il n’en est toujours pas ainsi dans bien des régions du monde. Document issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Copyright :
Publié avec l'aimable autorisation des éditions Le Pommier.

 

Avec quoi construisons-nous ? Au-delà des choix individuels, la réponse à cette question est éminemment variée selon la région ou l’époque à laquelle on s’intéresse. Elle varie également selon que l’on s’attache à l’habitat, aux lieux de travail, à la construction industrielle ou aux grands ouvrages. Si les matériaux artificiels dominent actuellement les techniques constructives en Europe, il n’en a pas toujours été ainsi, et il n’en est toujours pas ainsi dans bien des régions du monde.

Les matériaux de construction

Malgré l’avidité avec laquelle nous consommons des voyages, peu d’entre nous réalisent que les deux matériaux qui dominent encore l’habitat individuel dans le monde ne sont pas ceux qui nous sont relativement les plus familiers, en tout cas comme matériaux de construction. Il s’agit du bois et de la terre crue. Pendant longtemps, le bois est resté majoritaire dans l’habitat individuel un peu partout sur la planète. Il est marginal chez nous aujourd’hui mais en Amérique du Nord et en Sibérie, en Europe du Nord et dans de vastes régions intertropicales, c’est le matériau roi. Ressource renouvelable, recyclable, légère, facile à travailler, relativement bon isolant, le bois n’a qu’un inconvénient notoire : c’est d’être combustible. Cette faiblesse peut être vaincue, mais au prix d’un traitement chimique assez lourd.
L’universalité de l’usage de la terre crue (c’est-à-dire non cuite) est plus surprenante. Qui sait, dans nos pays dits « développés », qu’un tiers de l’humanité environ (deux milliards d’individus) trouve abri dans des constructions de terre séchée ? Qui sait qu’un cinquième des édifices inscrits sur la liste du patrimoine architectural de l’humanité est en terre crue ? L’Afrique, le Moyen-Orient, l’Asie centrale, l’Himalaya, la Chine, l’Amérique du Sud et l’Amérique centrale regorgent de merveilles dont les architectes sont les peuples eux-mêmes et dont la matière est puisée sur le lieu même de la construction. Qui sait qu’en France aussi, plus d’un million de maisons, principalement en Bretagne, dans le Nord, le Centre, le Sud-Ouest et la région Rhône-Alpes, sont en terre crue ? Même leurs habitants ignorent parfois de quoi sont faits leurs murs, recouverts qu’ils sont d’enduits ou de lambris. La raison de cette universalité de la terre crue est simple : point n’est besoin d’une terre fertile pour construire. Presque toutes les compositions de terre que l’on trouve sur notre planète se prêtent à la préparation de briques de boue séchée – des adobes – ou à la compaction dans des coffrages – des banches. La terre séchée ou compactée n’est pas particulièrement résistante ni isolante, mais elle l’est largement assez pour construire en toute sécurité des édifices de plusieurs étages, pourvu que les murs soient suffisamment épais (disons une trentaine de centimètres). Dès lors, grâce à l’épaisseur, on obtient une bonne isolation et, en prime, une très forte inertie thermique qui permet d’amortir les fluctuations extrêmes de température (la sensation de confort dépend autant de la température des parois que de la température de l’air).
Bien plus familière que la terre crue à nos yeux d’Européens est la pierre naturelle, car le patrimoine architectural qui draine vers la France et plus généralement vers l’Europe des millions de touristes est essentiellement un patrimoine en pierre naturelle. Le calcaire et le grès, deux roches plutôt tendres, le granit et le basalte, deux roches plutôt dures, se partagent la plupart des édifices. Le calcaire – qui devient marbre lorsqu’on peut le polir – domine aussi l’Antiquité classique et le Moyen-Orient, tandis que le grès, roche siliceuse et poreuse, est la matière des villes-temples d’Asie du Sud-Est.

Deux exemples d’architecture de terre.

Mosquée de Bobo Dioulasso, Burkina Faso.
© Thierry Joffroy.

Citadelle d’Arg-e-Bam, Iran, avant le tremblement de terre de 2003. © CRATerre-ENSAG

Maisons traditionnelles ou neuves en terre crue.

Ancien moulin du Dauphiné.
© Patrice Doat

Maison Carducci. Conception, maîtrise d’oeuvre et réalisation : Nicolas Meunier. © Vincent Rigassi.

Les pierres artificielles : la brique cuite et le ciment

Fabriquer une pierre artificielle, aussi solide qu’une pierre naturelle mais susceptible d’être moulée plutôt que taillée, représenta un progrès important. Les Mésopotamiens réalisèrent les premiers que cuire des briques de boue séchée permettait d’en augmenter la dureté et la résistance. Dès lors, la brique cuite devint un peu partout dans le monde, sur tous les continents, un matériau de construction commode, et elle l’est restée. Mais contrairement à la pierre qui, correctement taillée, peut s’ajuster « à sec », la maçonnerie de briques demande un liant. Les Mésopotamiens utilisaient du bitume, qu’il suffit de chauffer pour le faire fondre et qui se resolidifie à froid ; les Égyptiens un plâtre grossier, obtenu par cuisson de gypse impur. Le gypse – sulfate de calcium – est une roche calcaire très tendre. Lors de la cuisson, il perd une partie de l’eau qu’il contient. En mélangeant le produit obtenu après broyage (le plâtre) à de l’eau, le minéral récupère l’eau qui lui manque. Les cristaux de gypse se reforment alors à nouveau, formant un enchevêtrement d’aiguilles. À mesure que les cristaux croissent, le matériau perd son caractère pâteux et devient solide : il « prend ».
La chaux est un autre liant simple à fabriquer. On l’obtient par calcination de roches calcaires contenant cette fois du carbonate de calcium. Pendant la calcination, la roche perd son gaz carbonique et donne de la chaux vive. Mélangée à de l’eau, celle-ci donne la chaux en pâte, ou chaux aérienne, qui, petit à petit, réabsorbe le gaz carbonique de l’air en durcissant. La chaux résiste mieux à l’eau que le plâtre, mais sa fabrication demande de chauffer la matière première à plus haute température.
L’usage de la chaux était familier à la plupart des peuples de l’Antiquité, y compris aux Chinois, mais ce furent les Grecs puis surtout les Romains qui en développèrent fortement l’usage. Les Romains améliorèrent notablement le procédé en incorporant à la chaux des cendres volcaniques, la pouzzolane, ou de la brique pilée. Cette addition confère à la chaux une propriété entièrement nouvelle qui la rapproche de nos ciments, celle de pouvoir faire « prise » avec l’eau et même sous l’eau. La réaction chimique en cause n’est plus une simple réhydratation ni une recarbonatation, mais une réaction plus complexe de la pouzzolane ou de la brique avec la chaux et avec l’eau.
Aucun progrès ne fut accompli par rapport au ciment romain pendant le Moyen Âge, la Renaissance ou l’époque classique. Le savoir-faire fut même en grande partie perdu et il fallut attendre les travaux empiriques de l’Anglais John Smeaton, au milieu du xviiie siècle, puis surtout du Français Louis Vicat, au début du xixe, pour qu’il soit clairement établi que c’est la silice contenue dans la pouzzolane ou la brique pilée qui est l’élément actif. Dès lors, il devenait évident que, plutôt que de cuire de la terre pour en faire une brique puis de réduire cette brique en poudre et de la mélanger à de la chaux, elle-même obtenue par calcination d’un calcaire, il était plus judicieux et plus simple de calciner en une seule opération une roche calcaire et une source de silice. Une terre argileuse fait l’affaire. La cuisson du mélange conduit à une roche artificielle qui a perdu toute l’eau qui entrait dans la composition de l’argile (on dit qu’elle est « anhydre ») et tout le CO2 qui était contenu dans le calcaire. Réduite en poudre et mélangée à de l’eau – c’est le gâchage –, cette roche forme une pâte moulable qui durcit pour former une roche grise, plus dure que les liants connus jusqu’alors. Finalement, c’est l’Anglais Joseph Aspdin qui, en 1824, déposa le brevet décrivant la fabrication du ciment Portland, qui doit son nom à sa similitude avec les falaises calcaires de Portland, en Angleterre.
Tous les mystères de la réaction chimique sous-jacente à la prise n’étaient pas éclairés pour autant. Il fallut attendre la thèse d’Henry Le Chatelier, publiée en 1887, pour que l’on comprenne enfin ce qui se passait entre l’eau, le calcaire et la silice. Ce que Le Chatelier montra – et qui reste vrai – est que, lorsque le ciment est mélangé à l’eau, les minéraux des grains de ciment commencent par se dissoudre. Cette dissolution est peu visible parce que la pâte est généralement très concentrée et que les substances dissoutes – silice et chaux – reforment très rapidement de nouveaux cristaux microscopiques qui s’agglomèrent et forment la véritable colle du ciment durci. Ces nouveaux cristaux ont la particularité d’avoir incorporé de l’eau à leur structure cristalline – c’est la raison pour laquelle on les appelle des « hydrates ». Contrairement à une opinion répandue, la prise et le durcissement du ciment ne sont donc pas dus à un phénomène de séchage, comme c’est le cas pour une brique de terre crue. C’est même tout le contraire !
 

Utilisé initialement comme liant en maçonnerie, le ciment a également donné naissance au béton. Mélange de gros fragments rocheux – les granulats –, de sable et d’une colle – le ciment –, le béton est une roche artificielle remarquable. C’est devenu le matériau clé de toutes les grandes infrastructures de notre civilisation. Nous en consommons en moyenne une tonne par an et par habitant. Sa mise en oeuvre est d’une facilité étonnante et il est robuste, en ce sens qu’il tolère de petits écarts par rapport à la composition visée. Sur le plan mécanique, il n’a qu’un défaut notoire : c’est un matériau fragile (pour en savoir plus sur les notions de fragilité, rigidité, ductilité, viscosité… Il est résistant, mais rompt sans trop prévenir. L’origine de cette fragilité tient à sa porosité. Le mélange de grains et d’eau qui constitue le béton frais n’aboutit généralement pas, après l’arrêt des réactions d’hydratation, à un assemblage parfaitement compact d’hydrates et de grains anhydres. Les imperfections de l’empilement initial ou les cavités laissées par l’évaporation de l’excès d’eau sont autant de points d’amorce d’une rupture.
Plusieurs remèdes peuvent être mis en oeuvre pour pallier ce défaut. Le plus simple est de renforcer le béton avec des barres de fer : c’est le béton armé. Même si la matrice cimentaire se fissure, le ferraillage évitera une rupture brutale. La grande chance du génie civil est que le ciment est une substance très basique, comme la chaux, et qu’à ces pH, contrairement à ce qui se passe dans les milieux acides, le fer ne subit aucune réaction de corrosion. Le traditionnel fer à béton peut même être avantageusement remplacé par des fibres courtes en acier ou en polymère (du plastique) pas plus grosses qu’une aiguille à coudre et de 1 cm de long environ : c’est le béton fibré. Une autre piste, complémentaire à la première, consiste à diminuer au maximum la porosité, soit en ajoutant des particules minérales de petite taille – des fines – susceptibles de venir se loger dans les pores, soit en ajoutant des molécules lubrifiantes qui permettront au béton de s’écouler facilement sans avoir à ajouter exagérément d’eau, car c’est surtout l’excès d’eau qui engendre la porosité. La mise en oeuvre simultanée de ces trois techniques permet d’obtenir des bétons qui rivalisent de légèreté et d’élégance avec les matériaux métalliques.
Les bâtiments sont généralement conçus pour faire travailler les matériaux de construction en compression plutôt qu’en traction. C’est donc naturellement la résistance en compression que l’on cherche à améliorer en priorité. Une brique de terre séchée a une résistance en compression (ces résistances sont des contraintes de l’ordre de quelques mégapascals, ou MPa, soit de quelques dizaines de kilogrammes par centimètre carré. Un béton ordinaire, utilisé pour construire un immeuble d’habitation de quelques étages est vingt fois plus résistant. Le béton du viaduc de Millau a une résistance de 80 MPa. Le super-béton de la passerelle Arc-en-Ciel de Séoul atteint 200 MPa. Il peut donc supporter 2 t/cm2. Et des résistances encore quatre fois supérieures ont pu être obtenues en laboratoire, quasiment identiques à celles de l’acier ordinaire.

Cliché au microscope électronique à balayage d’un ciment après sa réaction avec l’eau de gâchage. On distingue les deux hydrates les plus importants du ciment durci : au premier plan, un « gros » cristal de Portlandite ou hydroxyde de calcium, Ca(OH)2, et au second plan, du silicate de calcium hydraté qui a cristallisé en forme d’oursin. On distingue aussi les vides ou « pores capillaires » que l’excès d’eau a laissés après la prise. © Micheline Moranville, CERILH.

Cliché au microscope électronique d’une mince tranche dans un béton à très hautes performances. On ne distingue plus aucune porosité. Tous les vides ont été comblés par ajout de particules sphériques de silice, de tailles très variées. © Sylvie Bonnamy, CRMD.