Memoire Online - Evaluation des proprietes thermiques et mecaniques d'un compose paille argile pour couverture de toiture (tuile)

République Du Cameroun

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Paix - Travail - Patrie

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Ministère De L'enseignement Supérieur

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Université D'Ebolowa

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Ecole Normale Supérieure D'enseignement Technique

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Département De Génie Civil

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Republic Of Cameroon

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Peace - Work - Fatherland

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Ministry Of Higher Education

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The University Of Ebolowa

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Higher Technical Teachers' Training College

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Department Of Civil Engineering

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EVALUATION DES PROPRIETES THERMIQUES ET MECANIQUES D'UN COMPOSE PAILLE ARGILE POUR COUVERTURE DE TOITURE (TUILE)

Mémoire présenté en vue de l'obtention du Diplôme de Professeur d'Enseignement Technique de Deuxième

Membres	Noms et Prénoms	Grade
Président	Pr. ZOGO TSALA Simon Armand	Maitre de Conférences
Rapporteur	Dr. NNENGUE EVOUNG Serge Y.	Chargé de Cours
Examinateur 1	Dr. EKORO NKOUNGOU Harlin L.	Chargé de Cours
Examinateur 2	Dr. MBIA Jeannot Thomas	Professionnel

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La réalisation de ce mémoire n'aurait pas été possible sans le concours précieux de nombreuses personnes à qui nous adressons nos plus sincères remerciements. Il s'agit de :

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SOMMAIRELa réalisation de ce mémoire n'aurait pas été possible sans le concours précieux de nombreuses personnes à qui nous adressons nos plus sincères remerciements. Il s'agit de :

Ø Pr. NNEME NNEME Léandre, Directeur de l'ENSET de l'Université d'EBOLOWA pour son accueil et pour nous avoir permis de mener à bien nos études et approfondir nos connaissances dans le domaine du Génie Civil ;

Ø Pr ZOGO TSALA Simon Armand, Chef de Département de Génie Civil, pour sa magnanimité et sa rigueur ;

Ø Pr. KANAA Thomas, Directeur de Mémoire pour sa disponibilité et ses conseils ;

Ø Dr NNENGUE EVOUNG Serge Yannick, notre Encadreur pour sa motivation, son suivi et ses orientations ;

Ø Les Membres du Jury de notre soutenance dontl'analyse objective a contribué à améliorer notre travail;

Ø Tout le personnel administratif et tous les enseignants de l'ENSET d'EBOLOWA particulièrement à ceux du Génie Civil dont Dr-Ing EKORO NKOUNGOU Harlin, Dr MBIA Jeannot et M. EBA'A OWOUTOU Piantoni,pour leur encadrement et les enseignements que nous avons reçus tout au long de notre formation;

Ø SM Pr MOUNGNUTOU MFETOUM Inoussah pour sa conduite dans l'évaluation des propriétés thermiques du composite ;

Ø M. JOUEYON NGOK Constant du Laboratoire Pycnolab pour sa supervision dans l'évaluation des propriétés mécaniques du composite ;

Ø La Grande Famille MAMBOU notamment le chef de Famille TOKAM MAMBOU Alain, NDIMOU MAMBOU Tatiana, NOUMSSI Jean Jules et compagnie pour la guidance, l'orientation et le soutien matériel ;

Ø La Famille SIMO notamment Madame et les Enfants SIMO pour l'amour inconditionnel et le soutien moral indéfectible témoigné tout au long de notre parcours;

Ø A nos promotionnaires, pour leurs disponibilités et encouragements durant notre formation;

Ø A tous ceux qui de près ou de loin ont participé aÌ l'aboutissement de ce travail et dont nous n'avons pas fait mention dans ces paragraphes, nous vous prions de bien vouloir excuser cet oubli maladroit.

TABLE DE MATIERES

SOMMAIRE

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TABLEAUX

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L'Ecole Normale Supérieure d'Enseignement Technique (ENSET) D'EBOLOWA est un établissement de l'Université d'EBOLOWA ayant pour principal objectif la formation des Professeurs de Lycées et Collèges d'Enseignement Technique. Cet établissement comprend deux cycles à savoir :

ConformémentaÌl'arrêtéministérielN°042/MESIRESdu09Septembre1991dansson article 30 stipulant que tout étudiant parvenu au terme de sa formation réalise soit un projet de fin d'étude pour l'obtention du DIPET I, soit un mémoire de fin d'étude pour l'obtention du DIPET II. C'est dans cette perspective et avec la motivation du département Génie Civil qu'ilnousaétéaccordédetravaillersurlemémoiredefind'étudedontlethèmeestintitulé:« évaluation des propriétés thermiques et mécaniques d'un composé paille argile pour couverture de toiture (tuile) » en vue de l'obtention du Diplôme de Professeur d'Enseignement Technique grade II (DIPETII).

Ce mémoire nous aura permis d'atteindre l'un des objectifs visés par les enseignants aÌ l'ENSET, aÌ savoir : faire une démonstration du savoir et du savoir-faire que nous avonsacquis durant ces cinq années de formation. Nous voudrions par ce travail concilier les études théoriques et la réalité, ceci aÌ partir d'étude d'un composite dont le but est la valorisation des fibres locales et argiles locales dans la construction.Nousespéronsparcetravailapporterunemarque,un plus aÌ l'édifice de la science desmatériaux

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Le présent mémoire porte sur l'évaluation des propriétés thermiques et mécaniques d'un composé à base de paille et d'argile, destiné à la production de tuiles pour la couverture de toiture. Dans un contexte de promotion des matériaux locaux et d'adaptation aux changements climatiques, l'utilisation de fibres végétales comme renfort dans les matériaux de construction argileux constitue une voie prometteuse pour améliorer leurs performances tout en réduisant leur coût.Les fibres utilisées dans cette étude sont extraites de la plante Cenchrus pupureus, communément appelée paille de Sissongo. Deux classes granulométriques ont été définies : les fibres courtes de taille [0-0,7] mm et les fibres longues de taille [0,7-20] mm. La matrice argileuse est caractérisée par des limites d'Atterberg élevées, avec une limite de liquidité de 184 %, une limite de plasticité de 59 % et un indice de plasticité de 125 %, traduisant une argile à forte plasticité.Trois formulations ont été étudiées : un composite sans renfort (0 %), un composite avec 10 % de fibres courtes [0-0,7]mm et un composite avec 10 % de fibres longues [0,7-20] mm. Les éprouvettes ont été séchées à l'étuve à 60 °C pendant 48 heures dans une salle à 30 °C.Les résultats montrent que l'incorporation de fibres améliore significativement le module de rupture en flexion, passant de 0,953 MPa pour le composite non renforcé à 1,485 MPa pour les fibres courtes et 1,772 MPa pour les fibres longues. Cependant, l'ajout de fibres entraîne une augmentation de la porosité et une diminution de la dureté et de la masse volumique apparente. Les retraits au séchage sont également modifiés, les fibres longues présentant un retrait radial plus élevé (23,19 %) tandis que les fibres courtes réduisent significativement le retrait longitudinal (4,97 %).Ces résultats suggèrent que les fibres de Cenchrus pupureus constituent un renfort potentiel pour la production de tuiles en terre cuite améliorée, avec une préférence pour les fibres de taille [0,7-20] mm pour les performances mécaniques.

Mots-clés : Tuile, propriétés mécaniques, Composite paille-argile, Cenchrus pupureus, matériaux locaux.

ABSTRACT

INTRODUCTION GENERALEABSTRACT

This thesis focuses on the evaluation of the thermal and mechanical properties of a straw-clay composite material intended for the production of roofing tiles. In a context of promoting local materials and adapting to climate change, the use of plant fibers as reinforcement in clay-based building materials represents a promising approach to improving their performance while reducing costs.The fibers used in this study are extracted from Cenchrus pupureus, commonly known as Sissongo grass. Two particle size classes were defined: short fibers of size [0-0.7] mm and long fibers of size [0.7-20] mm. The clay matrix is characterized by high Atterberg limits, with a liquid limit of 184%, a plasticity limit of 59% and a plasticity index of 125%, indicating a highly plastic clay.Three formulations were studied: an unreinforced composite (0%), a composite with 10% short fibers [0-0.7[ mm, and a composite with 10% long fibers [0.7-20] mm. Specimens were oven-dried at 60°C for 48 hours in a room maintained at 30°C.Results show that fiber incorporation significantly improves the modulus of rupture in bending, increasing from 0.953 MPa for the unreinforced composite to 1.485 MPa for short fibers and 1.772 MPa for long fibers. However, fiber addition leads to increased porosity and reduced hardness and apparent density. Drying shrinkage is also modified , with long fibers showing higher radial shrinkage (23.19%) while short fibers significantly reduce longitudinal shrinkage (4.97%).These findings suggest that Cenchrus pupureus fibers are a potential reinforcement for improved earthen tile production, with a preference for [0.7-20] mm size fibers for mechanical performance.

Keywords: Straw-clay composite, Cenchrus pupureus, tile, mechanical properties, local materials.

INTRODUCTION GENERALE

Le Cameroun, pays d'Afrique centrale avec une population de plus de 28 millions d'habitants en 2024, est confrontée à une crise du logement sans précédent [1]. Les villes camerounaises comme Douala et Yaoundé enregistrent chaque année des flux migratoires importants qui amplifient la pression sur les besoins en habitat.

Dans ce contexte, la toiture représente l'un des éléments les plus critiques de l'habitation, tant sur le plan structural que thermique. En zone tropicale humide comme au Cameroun, une couverture de toiture efficace doit répondre simultanément à plusieurs exigences : résistance mécanique suffisante pour supporter les charges climatiques (pluie, vent), isolation thermique permettant de limiter les transferts de chaleur entre l'extérieur et l'intérieur, durabilité face aux cycles d'humidification-séchage et à l'exposition aux UV, et accessibilité économique pour les ménages à revenus modestes [2].

Les matériaux de couverture conventionnels - tôles ondulées métalliques, tuiles en béton ou en terre cuite industrielle - présentent des inconvénients majeurs dans ce contexte. Les tôles métalliques, omniprésentes dans les quartiers populaires, offrent une isolation thermique quasi nulle et génèrent des nuisances sonores importantes lors des épisodes pluvieux. Les tuiles industrielles sont souvent importées ou fabriquées dans des unités de production éloignées, ce qui renchérit leur coût et complique leur accessibilité dans les zones rurales [3].

Face à ces défis, la valorisation des ressources naturelles locales s'impose comme une voie prometteuse. L'argile, matériau minéral abondant sur l'ensemble du territoire camerounais, est utilisée depuis des millénaires comme matériau de construction. De nombreuses études ont montré que l'incorporation de fibres végétales dans une matrice argileuse améliore significativement les propriétés mécaniques du matériau tout en réduisant sa conductivité thermique [4]. Le Sissongo (Cenchrus pupureus, anciennement dénommé Pennisetum purpureum), graminée tropicale à croissance rapide très répandue au Cameroun, constitue une source de fibres lignocellulosiques (qui contient la lignine et de la cellulose) particulièrement intéressante pour cet usage [5].

Malgré un potentiel important en ressources argileuses et en fibres végétales, le Cameroun peine à développer une filière locale de matériaux de couverture à base de ces ressources

Naturelles. Plusieurs questions se posent : L'argile grise possède-t-elle des caractéristiques minéralogiques et physico-chimiques compatibles avec la production de tuiles?

Les fibres de Sissongo (Cenchrus pupureus) constituent-elles un renfort pertinent pour améliorer les performances mécaniques de la matrice argileuse ? Dans quelle mesure l'incorporation de fibres modifie-t-elle les propriétés thermiques du composite ? La taille des fibres influence-t-elle différemment les propriétés mécaniques et thermiques du composite ?

Plus fondamentalement, on peut se demander si un composite argile-Sissongo formulé à partir de ressources locales camerounaises peut satisfaire les exigences minimales requises pour une tuile de toiture, en termes de résistance mécanique, d'isolation thermique et de comportement au retrait.

L'objectif général de ce travail est d'évaluer les propriétés thermiques et mécaniques d'un composite argile-Sissongo (Cenchrus pupureus) en vue de son application à la production de tuiles de toiture.

Pour atteindre cet objectif général, les objectifs spécifiques suivants ont été définis :

ï Caractériser les propriétés physiques et mécaniques des fibres de Sissongo (Cenchrus purpureus) récoltées à Douala, notamment leur densité, taux d'absorption d'eau, reprise d'humidité, diamètre moyen, déformation à la rupture et module d'Young ;

ï Déterminer les propriétés géotechniques de l'argile grise, particulièrement ses limites d'Atterberg (limite de plasticité, limite de liquidité, indice de plasticité) ;

ï Fabriquer et caractériser trois formulations de composites (0%, 10% fibres fines [0-0,7 mm[, 10% fibres grossières [0,7-20 mm]) en termes de propriétés mécaniques (module de rupture, module d'élasticité, dureté) ;

ï Mesurer les propriétés physiques des composites (porosité, masse volumique réelle et apparente, retrait radial et longitudinal) ;

ï Evaluer les propriétés thermo physiques des composites (conductivité thermique, effusivité, diffusivité et capacité thermique volumique) par la méthode du ruban chaud symétrique ;

ï Comparer les résultats obtenus avec des matériaux similaires de la littérature et évaluer l'adéquation des composites formulés avec les exigences d'une tuile de toiture.

ï H1 : L'argile grise présente des propriétés plastiques suffisantes pour la mise en forme de tuiles par moulage ;

ï H2 : L'incorporation de fibres de Sissongo à hauteur de 10% améliore la résistance mécanique à la flexion du composite argile-fibre par rapport à la matrice argileuse pure ;

ï H3 : La présence de fibres végétales dans la matrice argileuse réduit la conductivité thermique du matériau composite, améliorant ainsi ses performances d'isolation thermique ;

ï H4 : La taille des fibres (fines ou grossières) a une influence différenciée sur les propriétés mécaniques et thermiques des composites.

Cette étude présente plusieurs intérêts fondamentaux et appliqués. Sur le plan scientifique, elle contribue à enrichir la base de données sur les matériaux de construction à base de ressources locales camerounaises, domaine encore insuffisamment documenté malgré sa pertinence pour le développement durable. Elle apporte en particulier des données originales sur les propriétés thermo physiques de composites argile-Cenchrus purpureus, encore peu étudiés dans la littérature.

Sur le plan socio-économique, les résultats de cette étude peuvent contribuer à l'émergence d'une filière locale de production de tuiles à faible coût, accessibles aux populations à revenus modestes du Cameroun. La valorisation de ressources naturelles locales représente également un enjeu environnemental fort, en réduisant la dépendance aux matériaux industriels importés et en valorisant les coproduits agricoles abondants.

Sur le plan pédagogique, ce travail réalisé dans le cadre de la formation au DIPET II de l'ENSET d'Ebolowa vise à développer les compétences en caractérisation des matériaux, expérimentation et analyse critique des résultats, conformément aux objectifs de la formation d'ingénieurs enseignants.

Ce mémoire est organisé en trois chapitres, encadrés par une introduction et une conclusion générales.

Le Chapitre 1 présente une revue de littérature couvrant le contexte de l'habitat en Afrique subsaharienne, les propriétés des argiles et des fibres végétales, les composites argile-fibre et leurs applications dans le domaine de la construction, ainsi qu'un bilan des travaux antérieurs locaux et africains sur des thématiques proches.

Le Chapitre 2 décrit les matériaux utilisés et les méthodes expérimentales mises en oeuvre, en distinguant la caractérisation des matières premières (argile et fibres) de la fabrication et des essais sur les composites.

Le Chapitre 3 présente, analyse et discute les résultats obtenus, en les confrontant aux données de la littérature et en évaluant la pertinence des composites formulés pour une application en tuile de toiture.

Une conclusion générale résume les principaux apports de l'étude et propose des perspectives pour les travaux futurs.

CHAPITRE I : REVUE DE LITTERATURE

La présente revue de littérature a pour objectif de dresser un état des lieux des connaissances scientifiques et techniques relatives aux thématiques suivantes : les propriétés physiques, mécaniques et chimiques de l'argile en tant que matrice de construction ; les caractéristiques des fibres de Cenchrus pupureus comme renfort végétal ; les propriétés mécaniques des composites argile-fibres végétales ; les propriétés thermiques de ces matériaux et leur pertinence pour la couverture de toiture ; et la fabrication de tuiles en matériaux biosourcés. Cette revue permettra de situer les résultats expérimentaux obtenus dans notre étude par rapport aux données de la littérature et d'en dégager les apports originaux.

I. CONTEXTE DE L'HABITAT ET MATERIAUX DE CONSTRUCTION EN AFRIQUE SUBSAHARIENNE

I.1 Crise du logement en Afrique tropicale

L'Afrique subsaharienne est la région du monde où la croissance démographique est la plus rapide, avec un taux annuel moyen supérieur à 2,7 %. Cette dynamique démographique, combinée à une urbanisation accélérée, exerce une pression considérable sur les besoins en logement. Selon les estimations des Nations Unies, plus de 56 % de la population africaine vivant en ville réside dans des bidonvilles ou des habitats précaires [6]. Le déficit en logements décents se chiffre en dizaines de millions d'unités sur l'ensemble du continent.

Le Cameroun, avec ses 28 millions d'habitants et un taux d'urbanisation de 58 % en 2023, est directement concerné par cette problématique. Le Centre Urbain de Douala, avec ses plus de 4 millions d'habitants, et Yaoundé, capitale administrative de plus de 3,5 millions d'habitants, concentrent les tensions les plus fortes. Le gouvernement camerounais a engagé des programmes d'habitat social, mais les besoins demeurent largement supérieurs à l'offre disponible (Ministère de l'Habitat et du Développement Urbain du Cameroun, 2023).

Dans ce contexte, l'utilisation de matériaux de construction locaux, moins coûteux et disponibles en grande quantité, représente un levier important pour répondre au défi du logement. L'argile et les fibres végétales sont des ressources accessibles sur l'ensemble du territoire camerounais, et leur valorisation dans des produits de construction représente un enjeu de développement durable majeur.

I.2 Matériaux de couverture en milieu tropical camerounais

La couverture de toiture joue un rôle fondamental dans le confort thermique d'un bâtiment, particulièrement en zone tropicale où l'ensoleillement intense soumet les toitures à des flux de chaleur importants. Sous un climat tropical humide comme celui de Douala (Région du Littoral, Cameroun), les précipitations annuelles dépassent 4 000 mm et les températures moyennes oscillent entre 23 et 33°C, ce qui exige des matériaux de toiture à la fois imperméables, durables et thermiquement performants.

Les matériaux de couverture les plus répandus au Cameroun peuvent être classés en trois catégories : (1) les matériaux traditionnels (chaume, feuilles de raphia, bambou), utilisés en milieu rural ; (2) les tôles métalliques ondulées (zinc, aluminium), omniprésentes dans les zones périurbaines en raison de leur faible coût et de leur disponibilité ; (3) les matériaux industriels (tuiles en béton, en terre cuite, ardoises), réservés aux constructions de standing en raison de leur coût élevé.

Les tôles métalliques, bien que répandues, présentent des inconvénients thermiques majeurs. Leur conductivité thermique élevée (15 à 45 W.m?.K? selon le métal) en fait de médiocres isolants thermiques, contribuant à une surchauffe des espaces intérieurs. Elles génèrent également des nuisances sonores importantes lors des pluies tropicales. La valorisation de matériaux alternatifs à base d'argile et de fibres végétales constitue donc une réponse pertinente à ces problèmes. Les figures 1.1 : (a) et (b) présentent les tôles ondulées en zinc et les tuiles en béton.

Figure 1. 1: Matériaux de couverture courant au Cameroun: tole ondulée en Zinc (a); tuile en béton (b)

II. GENERALITES SUR LES MATERIAUX ARGILEUX

II.1 Définition et classification des argiles

L'argile est un matériau sédimentaire constitué essentiellement de minéraux argileux, c'est-à-dire de phyllosilicates d'aluminium hydratés (aluminosilicates), résultant de l'altération de roches silicatées (feldspaths, micas, etc.). Du point de vue granulométrique, les particules argileuses ont une taille inférieure à 2 um, ce qui leur confère une surface spécifique très élevée, généralement comprise entre 5 et 800 m²/g selon la nature du minéral argileux [7].

Les minéraux argileux se classent principalement en trois grandes familles cristallographiques : les minéraux de type 1:1 (kaolinite, halloysite) à feuillets composés d'une couche tétraédrique (silice) et d'une couche octaédrique (alumine) ; les minéraux de type 2:1 (smectites, illites, vermiculites) à feuillets composés de deux couches tétraédriques encadrant une couche octaédrique ; et les minéraux de type 2:1:1 (chlorites) présentant une couche d'hydroxyde entre les feuillets. La kaolinite est le minéral argileux le plus répandu en Afrique tropicale, où l'altération chimique intense des roches sous climat chaud et humide favorise sa formation [8].

Les propriétés des argiles sont largement influencées par leur composition minéralogique. La kaolinite, minéral non gonflant à faible capacité d'échange cationique (CEC : 3-15 meq/100g), confère aux argiles kaolinitiques une plasticité modérée et un bon comportement à la cuisson. Les smectites (montmorillonite), au contraire, présentent une forte capacité d'absorption d'eau, un caractère très gonflant et une plasticité élevée, propriétés qui compliquent leur mise en oeuvre en construction [9].

II.2 Minéralogie des argiles du Cameroun

Le Cameroun possède d'importants gisements d'argiles répartis sur l'ensemble du territoire. Les travaux de Nkoumbou et al. [10] sur les argiles de la zone méridionale ont montré la prédominance de la kaolinite, accompagnée de smectites, d'illite et de quartz comme minéraux accessoires. Les argiles du Littoral, dont fait partie l'argile grise utilisée dans cette étude, présentent généralement une composition kaolinitique dominante, avec des teneurs en silice (SiO2) supérieures à 50 % et en alumine (Al2O3) de l'ordre de 20-35 % [11].

La thèse de Sontia Metekong Jordan (Université de Yaoundé 1) sur les bétons géopolymères à base d'argiles latéritiques a mis en évidence la diversité des argiles camerounaises et leur potentiel de valorisation dans des applications de construction durables. Ces travaux constituent une référence locale importante dans le domaine de la caractérisation et de la valorisation des argiles camerounaises [12].

De même, les travaux de Kagonbe et al. [13] sur les matériaux argileux de la vallée de la Bénoué ont fourni des données minéralogiques et physico-chimiques précieuses sur les argiles du nord du Cameroun, montrant leur aptitude à la production céramique. Ces référentiels locaux sont utiles pour contextualiser les résultats obtenus sur l'argile de grise dans le présent travail.

II.3 Propriétés physico-chimiques des argiles

Les propriétés physico-chimiques les plus pertinentes pour l'utilisation des argiles en construction sont les limites d'Atterberg, la granulométrie, la plasticité et le comportement au séchage et à la cuisson.

Les limites d'Atterberg caractérisent les états de consistance d'un sol argileux en fonction de sa teneur en eau. La limite de liquidité (WL) est la teneur en eau au-delà de laquelle le matériau se comporte comme un liquide visqueux ; la limite de plasticité (WP) est la teneur en eau minimale pour laquelle le sol est encore plastique ; l'indice de plasticité (IP = WL - WP) mesure l'étendue du domaine plastique. Selon la classification USCS (Unified Soil Classification System), les argiles à IP > 50 % sont dites « très plastiques » et présentent un fort retrait au séchage, ce qui peut entraîner des fissurations [14].

La plasticité de l'argile est un paramètre clé pour sa mise en oeuvre en poterie et en tuilerie. Les argiles trop plastiques (IP très élevé) sont difficiles à travailler et présentent des retraits excessifs au séchage ; les argiles peu plastiques (IP faible) manquent de cohésion et se fissulentlors de la mise en forme. Pour la production de tuiles, un IP de l'ordre de 15 à 30 % est généralement considéré comme optimal [15].

La mise au point d'un produit de construction à base d'argile du Cameroun, documentée notamment à travers des travaux sur la valorisation pouzzolanique des kaolins camerounais [11], a montré que les caractéristiques minéralogiques des argiles locales peuvent être avantageusement exploitées en substitution partielle du ciment, offrant ainsi des perspectives intéressantes pour la production de matériaux de construction durables et économiques.

III. LES FIBRES VEGETALES COMME RENFORT DANS LES MATERIAUX COMPOSITES

III.1 Classification et structure des fibres végétales

Les fibres végétales sont classées selon leur origine botanique en : fibres de tige ou libériennes (lin, chanvre, jute, kénaf, ramie), fibres foliaires (sisal, abaca, ananas), fibres de fruit ou de graine (coton, coco, kapok), fibres de bois et de bambou, et fibres de graminées (paille de blé, bagasse, alfa, Sissongo). Cette classification reflète des différences importantes dans la composition chimique et les propriétés mécaniques des fibres [5, 12].

Structurellement, une fibre végétale est un assemblage de microfibrilles cellulosiques noyées dans une matrice de lignine et d'hémicellulose. La cellulose, polymère linéaire de glucose, constitue le principal renfort structural de la fibre grâce à ses liaisons hydrogène intermoléculaires qui confèrent rigidité et résistance mécanique. La lignine assure la cohésion de la paroi cellulaire et confère à la fibre sa résistance à l'humidité et aux agents biologiques. Les hémicelluloses jouent un rôle d'interface entre la cellulose et la lignine [16].

III.2 Propriétés mécaniques des fibres végétales

Les propriétés mécaniques des fibres végétales varient considérablement selon l'espèce, les conditions de croissance et le procédé de traitement. Le Tableau 1.1 présente les propriétés caractéristiques de quelques fibres végétales couramment utilisées comme renfort ; * Résultats de la présente étude ; Bledzki et Gassan [5] ; Dittenber et GangaRao [17] ; Célino et al. [16].

Fibre	Densité (g/cm)	Contrainte rupture (MPa)	Module Young (GPa)	Elongation rupture (%)
Lin	1,40 - 1,50	345 - 1500	27 - 80	2,7 - 3,2
Jute	1,30 - 1,45	393 - 800	10 - 30	1,5 - 1,8
Sisal	1,33 - 1,50	400 - 700	9,4 - 22	2,0 - 2,5
Coco	1,15 - 1,46	131 - 220	4 - 6	15 - 25
Bambou	0,60 - 1,10	140 - 230	11 - 17	2,5 - 3,7
Bagasse	1,20 - 1,25	170 - 290	5,0 - 7,0	2,5 - 3,5
Sissongo	1,089	76,3	3,757	2,8

On observe que le Sissongo présente un module d'Young (3,757 GPa) inférieur à celui des fibres libériennes comme le lin ou le jute, mais comparable à celui des fibres d'herbes et de graminées. Sa déformation à la rupture (2,8 %) est dans la fourchette habituelle des fibres végétales. Ces caractéristiques le positionnent comme un renfort modeste mais intéressant dans les matrices à faible rigidité comme l'argile.

III.3 Le Sissongo (Cenchrus purpureus) : caractéristiques et distribution

Le Sissongo, dénommé scientifiquement Cenchrus purpureus (Schumach.) Morrone (ancienne nomenclature : Pennisetum purpureum Schumach., 1827), appartient à la famille des Poaceae (graminées). Communément appelé « herbe à éléphant » (Elephant grass en anglais) ou « Sissongo » en langue bamiléké et dans le Littoral camerounais, c'est une graminée pérenne à croissance très rapide, capable d'atteindre 2 à 4 mètres de hauteur en une saison de croissance [18].

Originaire d'Afrique tropicale, Cenchrus purpureus est aujourd'hui distribué dans toutes les régions tropicales et subtropicales du monde. Au Cameroun, il est présent dans les régions du Littoral, de l'Ouest, du Centre, du Sud et du Nord-Ouest, souvent à l'état spontané en bordure de route, dans les zones de jachère ou cultivé comme plante fourragère. À Douala, il pousse abondamment dans les zones périurbaines et représente une ressource biomasse renouvelable disponible en quantité importante.

Sur le plan chimique, les fibres de Cenchrus purpureus présentent des teneurs en cellulose de l'ordre de 35-45 %, en hémicellulose de 25-35 % et en lignine de 5-10 % selon les variétés et les conditions de croissance [27, 33]. Cette composition confère à ces fibres une bonne compatibilité avec les matrices inorganiques comme l'argile, bien que la présence d'hémicellulose puisse favoriser l'absorption d'eau.

IV. COMPOSITES ARGILE-FIBRE VEGETALE

IV.1 Principes de formulation

Un composite argile-fibre végétale est un matériau hétérogène constitué d'une matrice argileuse dans laquelle sont dispersées des fibres végétales jouant le rôle de renfort. La philosophie de base est analogue à celle des matériaux composites à fibres courtes : la matrice transfère les contraintes aux fibres par adhérence interfaciale, et les fibres, plus rigides ou plus résistantes que la matrice, s'opposent à la propagation des fissures [19].

L'adobe et le pisé sont probablement les exemples les plus anciens de composites argile-fibre. Dans ces matériaux traditionnels, la paille est incorporée dans une matrice de terre argileuse pour réduire le retrait au séchage et améliorer la résistance à la traction. Des études récentes ont montré que l'optimisation de la teneur en fibres, de leur orientation et de leur traitement de surface peut conduire à des améliorations significatives des propriétés mécaniques et thermiques par rapport à la matrice argileuse pure [14, 11].

Les paramètres clés de la formulation d'un composite argile-fibre sont : (1) la nature et les propriétés de l'argile (plasticité, minéralogie, granulométrie) ; (2) la nature, la taille et la morphologie des fibres (longueur, diamètre, facteur de forme L/D) ; (3) le taux de fibres (rapport massique ou volumique fibre/matrice) ; (4) le procédé de fabrication (malaxage, compactage, séchage ou cuisson) ; (5) l'éventuel traitement de surface des fibres pour améliorer leur adhérence à la matrice.

IV.2 Influence des fibres sur les propriétés mécaniques

L'effet du renfort en fibres végétales sur les propriétés mécaniques des composites argile-fibre a fait l'objet de nombreuses études. De manière générale, l'incorporation de fibres améliore la ductilité du composite (augmentation de la déformation à la rupture) et peut augmenter la résistance à la flexion et à la traction, sous réserve d'une adhérence fibre-matrice suffisante et d'une dispersion homogène des fibres [11, 21].

Les travaux de Agbossou et Kouadio [20] sur des composites argile-sisal au Bénin ont montré des augmentations de 30 à 60 % du module de rupture en flexion pour des taux de fibres de 5 à 15 %, par rapport à la matrice argileuse pure. Des résultats similaires ont été rapportés par Bouhicha et al. [21] pour des composites argile-paille d'alfa en Algérie, avec des gains de résistance maximaux pour des taux de fibres de 2 à 4 % en masse.

En ce qui concerne l'influence de la taille des fibres, les travaux de Hossain et al. [22] ont montré que les fibres courtes (L < 5 mm) distribuées de manière isotrope dans la matrice présentent une meilleure efficacité de renfort que les fibres longues à faible taux de fibres, en raison d'une meilleure distribution des contraintes. Cependant, pour des matrices argileuses à fort retrait, les fibres longues contribuent davantage à la limitation des fissures de séchage.

IV.3 Influence des fibres sur les propriétés thermiques

La conductivité thermique d'un matériau composite dépend de la conductivité thermique de chacun de ses constituants et de leur arrangement spatial. Les fibres végétales, dont la conductivité thermique est faible (0,04 à 0,12 W.m?.K?) comparée à celle de la matrice argileuse (0,35 à 0,65 W.m?.K? selon la teneur en eau et la minéralogie), contribuent à réduire la conductivité thermique globale du composite.

Tableau 1.2: écart de conductivité thermique entre les tôles métalliques et les matériaux à base d'argile

Matériau	Conductivité thermique ë (W.m?.K?)	Source
Argile sèche (kaolinite)	0,30 - 0,50	Farouk et Nurgaliev [23]
Adobe (argile + paille)	0,15 - 0,40	Laborel-Préneron et al. [24]
Pisé (terre compactée)	0,50 - 0,80	Miccoli et al. [25]
Brique de terre cuite	0,60 - 0,90	Dondi et al. [26]
Béton ordinaire	1,00 - 1,80	NF EN 1745
Tôle aluminium	160 - 220	CRC Handbook (2021)
Fibre cellulosique	0,04 - 0,12	Célino et al. [16]

Le Tableau ci-dessus illustre l'écart très important de conductivité thermique entre les tôles métalliques et les matériaux à base d'argile, confirmant l'intérêt thermique des composites argile-fibre pour les toitures tropicales. Les travaux de Laborel-Préneron et al. [24] ont montré que l'incorporation de 5 à 10 % de fibres végétales dans une matrice de terre crue peut réduire la conductivité thermique de 20 à 40 % par rapport à la matrice pure.

V. MATERIAUX DE COUVERTURE DE TOITURE - EXIGENCES ET NORMES

V.1 Exigences pour les tuiles de toiture

Il existe plusieurs types et formes de tuiles de toiture, ces tuiles doivent satisfaire un ensemble d'exigences normatives portant sur leurs propriétés mécaniques, physiques et de durabilité. La norme européenne NF EN 1304 (2013) pour les tuiles en terre cuite, ainsi que les normes africaines correspondantes, définissent des seuils minimaux pour les paramètres suivants.

Ces exigences constituent le référentiel de comparaison pour évaluer les performances des composites argile-Sissongo développés dans la présente étude. Il est à noter que la norme NF EN 1304 concerne les tuiles cuites, alors que les composites étudiés dans ce travail sont séchés à l'étuve (60°C, 48h) sans cuisson à haute température. Des ajustements des critères de comparaison sont donc nécessaires pour tenir compte de cette différence de procédé.

V.2 Matériaux alternatifs en milieu tropical africain

Face aux limites des matériaux conventionnels, plusieurs études africaines ont exploré des matériaux de couverture alternatifs à base de ressources locales. Au Togo, Lawane et al. [27] ont étudié des tuiles en terre crue stabilisée au ciment (2-8 %), atteignant des résistances en flexion de 1,2 à 2,5 MPa après 28 jours. Au Sénégal, Diop et Gruber [28] ont développé des briques en terre compressée (BTC) stabilisées à la chaux, présentant une conductivité thermique de 0,35 à 0,55 W.m?.K?. Ces travaux montrent le potentiel des matériaux à base d'argile dans les pays tropicaux africains, tout en soulignant la nécessité de traitements spécifiques pour améliorer leur durabilité.

En Côte d'Ivoire, Kouakou et Morel [29] ont montré que des BTC non stabilisées fabriquées à partir d'argiles latéritiques locales présentent des résistances en compression suffisantes pour des murs porteurs, mais restent vulnérables à l'humidité. L'incorporation de fibres végétales améliore sensiblement le comportement à la fissuration mais ne résout pas le problème de la sensibilité à l'eau, ce qui constitue un enjeu technique majeur pour les applications de toiture.

VI. TRAVAUX ANTERIEURS LOCAUX ET CONTRIBUTIONS AU CAMEROUN

VI.1 Travaux de recherche sur les argiles camerounaises

Le Cameroun dispose d'une base de recherche croissante sur la caractérisation et la valorisation de ses ressources argileuses. La base nationale de thèses et mémoires du MINESUP (Ministère de l'Enseignement Supérieur) recense plusieurs travaux pertinents pour cette étude.

La thèse de Ngo Mapuna Elise Colette (Université de Yaoundé 1, sous la direction de Pr Bilong Paul) intitulée « Caractérisation minéralogique, géochimique et valorisation en céramique des matériaux argileux de Ngat (Mbalmayo, Cameroun) » a fourni des données de référence importantes sur les argiles du Centre-Sud Cameroun, montrant la prédominance de la kaolinite et le potentiel de ces argiles pour la production céramique. Ces données constituent un référentiel utile pour la comparaison avec l'argile grise du Littoral.

Les travaux de caractérisation des bétons géopolymères à base d'argiles latéritiques (Sontia Metekong, Université de Yaoundé 1, sous la direction de Pr Tamo Tatietse Thomas) ont permis de documenter les propriétés pouzzolaniques des argiles camerounaises et leur potentiel dans la formulation de matériaux cimentaires alternatifs au ciment Portland. Ces travaux constituent un référentiel indirect pour la valorisation des argiles locales en construction.

La synthèse des argiles modifiées et leur application à l'adsorption (Dobe Narcisse, Université de Maroua, 2022, sous la direction du Pr Harouna Massai) illustre la diversité des voies de valorisation des argiles camerounaises, confirmant l'intérêt général de la communauté scientifique nationale pour la valorisation de ces ressources minérales.

VI.1 Travaux sur les composites fibres-argile en milieu africain

En Afrique de l'Ouest, plusieurs travaux ont porté sur des composites argile-fibre à des fins de construction. Agbossou [20] au Bénin a étudié des blocs en terre compressée (BTC) renforcés par des fibres de sisal, montrant des améliorations de 40 à 80 % de la résistance à la flexion selon le taux et la longueur des fibres. Meukam et al. [30], dans des travaux réalisés au Cameroun, ont évalué les propriétés thermiques de matériaux de construction locaux incluant des briques en terre stabilisée, obtenant des conductivités thermiques de 0,40 à 0,65 W.m?.K?.

Au Cameroun, les travaux de KANAA Thomas et de son équipe à l'ENSET d'Ebolowa ont contribué au développement de la connaissance sur les matériaux composites à base de ressources naturelles locales. Ces travaux s'inscrivent dans la tradition de recherche appliquée aux matériaux de construction durables, avec un accent particulier sur les propriétés thermiques et mécaniques.

Les travaux d'encadrement de NNENGUE Serge sur des problématiques de matériaux et de procédés à l'ENSET d'Ebolowa apportent une expertise technique précieuse dans les domaines de la caractérisation expérimentale et de l'analyse des résultats, constituant un appui méthodologique essentiel pour la présente étude.

Un mémoire de l'ENSET répertorié dans la base DICAMES (2022) portant sur la caractérisation de composites à fibres végétales a documenté les propriétés de matériaux à base de fibres locales, confirmant l'intérêt de cette approche dans le contexte camerounais et constituant une référence directe pour la présente étude.

VI.2 Valorisation du Cenchrus purpureus dans les matériaux composites

Plusieurs études dans des pays tropicaux ont porté sur la valorisation de Cenchrus purpureus (anciennement Pennisetum purpureum) dans des matériaux composites. Sawadogo et al. [31] au Burkina Faso ont caractérisé les fibres de cette espèce et montré leur aptitude comme renfort dans des matrices cimentaires, avec des résistances en flexion améliorées de 25 à 45 % par rapport aux matrices sans fibres. En Tanzanie, Ndazi et al. [32] ont étudié la compatibilité chimique de ces fibres avec des matrices polymères et cimentaires.

Dans le contexte camerounais, la disponibilité abondante de Cenchrus purpureus, sa croissance rapide et son faible coût en font une ressource potentiellement très intéressante pour la production de matériaux de construction à l'échelle locale. La présente étude contribue à documenter spécifiquement les propriétés des fibres de Sissongo prélevées à Douala et leur effet sur les composites argile-Sissongo, en apportant des données originales sur les formulations thermiquement et mécaniquement optimisées pour une application en tuile de toiture.

VII. SYNTHESE ET POSITIONNEMENT DE L'ETUDE

La revue de littérature réalisée met en évidence plusieurs points importants. Premièrement, il existe un besoin réel et urgent de matériaux de couverture alternatifs en milieu tropical camerounais, accessibles économiquement et performants thermiquement. Deuxièmement, les argiles camerounaises, dont celles du Littoral, présentent des caractéristiques minéralogiques favorables à la production de matériaux de construction. Troisièmement, les fibres végétales, et en particulier les fibres de graminées, peuvent améliorer significativement les propriétés mécaniques des matrices argileuses tout en réduisant leur conductivité thermique.

Cependant, peu d'études ont porté spécifiquement sur les composites argile-Sissongo (Cenchrus purpureus) dans un contexte camerounais, et les données sur les propriétés thermo physiques de ces composites restent lacunaires. La présente étude vise à combler cette lacune en fournissant des données expérimentales originales sur les propriétés mécaniques et thermiques des composites argile-Sissongo, évaluées en regard des exigences d'une application en tuile de toiture.

Cette revue de littérature a permis de dresser un panorama complet des connaissances scientifiques et techniques disponibles sur les thèmes au coeur de notre étude : la caractérisation de l'argile à fort indice de plasticité comme matrice de construction, les propriétés physico-mécaniques des fibres de Cenchrus pupureus (Sissongo) comme renfort, les mécanismes d'amélioration des propriétés mécaniques et thermiques par incorporation de fibres végétales dans les matrices argileuses, et les perspectives d'utilisation de ces composites pour la production de tuiles de toiture.L'analyse de la littérature confirme que les composites argile-fibres végétales constituent une famille de matériaux à fort potentiel pour les pays en développement, notamment en Afrique subsaharienne, en raison de leur accessibilité économique, de leur bonne intégration dans les pratiques constructives locales et de leurs performances thermiques intrinsèquement favorables.

CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES

Ce chapitre décrit les matériaux utilisés et les méthodes expérimentales mises en oeuvre pour la caractérisation des matières premières et des composites. Les essais sont réalisés dans deux laboratoires de douala.

I. MATIERES PREMIERES

I.1 L'argile grise

I.1.1 Origine et prélèvement

L'argile utilisée dans cette étude (figure 2.1) est prélevée dans un gisement naturel situé à Nkongsamba, chef-lieu du Département du Mungo, Région du Littoral, Cameroun. Nkongsamba est connue pour ses dépôts d'argile exploités de manière artisanale pour la production de briques et de poteries. Le prélèvement est effectué en profondeur (> 50 cm) pour éviter les horizons organiques superficiels, à l'aide de pioches et de pelles, puis conditionné en sachets plastiques hermétiques pour préserver la teneur en eau naturelle (figure 2.1.a).

Après prélèvement, l'argile est séchée à l'air libre pendant 48 heures, puis concassée et tamisée à 2 mm pour éliminer les éléments grossiers (graviers, végétaux). La poudre obtenue est ensuite stockée dans des récipients hermétiques en attendant les essais (figure 2.1.b).

I.1.2. Caractérisation de l'argile - Limites d'Atterberg

La détermination des limites d'Atterberg est réalisée conformément à la norme NF P 94-051 (1993). La limite de liquidité (figure 2.1.c) est déterminée par la méthode de la coupelle de Casagrande, tandis que la limite de plasticité (figure 2.1.d) est obtenue par la méthode du rouleau. L'indice de plasticité est calculé comme la différence.

Figure 2. 1: Argile traitée (a); argile non traitée (b); dispositif de liquidité (c); mesure du diamètre avec le pied à coulisse pour limite de liquidité (d)

II. LES FIBRES DE SISSONGO (CENCHRUS PURPUREUS)

II.1. Récolte et préparation

Les fibres de Sissongo (figure 2.3 et 2.4) sont extraites de plants de Cenchrus purpureus récoltés dans la zone périurbaine de Douala (Région du Littoral, Cameroun). Les tiges matures (6 à 9 mois) sont coupées à la base (figure 2.3 : (a)), les feuilles sont retirées (figure 2.3 : (b)), et les tiges sont découpées mécaniquement (figure 2.3 : (c)) puis broyées pour obtenir des fibres courtes. Les fibres sont ensuite séchées à l'air libre pendant 72 heures pour éliminer l'humidité de surface, puis tamisées pour obtenir deux fractions granulométriques distinctes (figure 2.3 : (d) et (e)) :

II.2 Fibres grossières : fraction [0,7 - 20 mm] obtenue par tamisage entre 0,7 et 20 mm.Caractérisation physique des fibres

II.2.1 Densité

La densité des fibres est mesurée par la méthode de la pycnométrie au liquide (figure 2.3 : (f)) ou méthode au toluène, conformément à la norme ASTM D792. La masse volumique réelle des fibres est déterminée par la relation :

où

est la masse de fibres sèches,

la masse du liquide seul et

la masse du système fibres + liquide.

II.2.2 Taux d'absorption d'eau et reprise d'humidité

Le taux d'absorption d'eau est déterminé en immergeant des fibres séchées (60°C, 24h) dans l'eau distillée pendant 24 heures (figure 2.4 : (g)), puis en mesurant la variation de masse :

(II.3)

La reprise d'humidité est mesurée en exposant des fibres séchées à une atmosphère à 65 % d'humidité relative (20°C) pendant 48 heures (figure 2.4 : (h)), conformément à la norme ISO 6741-4.

II.2.3 Diamètre moyen des fibres

Le diamètre moyen des fibres est mesuré au microscope optique (figure 2.4 : (i)) sur un minimum de 30 fibres par fraction granulométrique, selon la norme ASTM D578 (grossissement × 40). Les mesures sont réalisées en trois points sur chaque fibre (extrémités et milieu) et la moyenne arithmétique est calculée.

II.3 Caractérisation mécanique des fibres

Les propriétés mécaniques des fibres (module d'Young et déformation à la rupture) sont déterminées par essai de traction uniaxiale sur fibres individuelles (figure 2.4 :(j)), conformément à la norme ASTM C1557. Les essais sont réalisés sur une machine de traction universelle à vitesse de déformation constante (2 mm/min), avec une longueur de jauge de 20 mm. Le module d'Young est calculé dans la zone linéaire de la courbe contrainte-déformation

Figure 2. 2: Tiges de cenchrus pupureus coupées à la base (a); tiges nettoyées (b); tiges découpées (c); tamisage des tiges broyées (d); fraction tiges fines et tiges grossières (e); pesée ensemble fibres-éthanol dans le pycomètre (f)

Figure 2. 3: immersion des fibres séchées dans l'eau distillée(g), exposition des fibres séchées dans le dessiccateur(h), image microscopique d'une fibre de Sissongo(grossissement*40)(i), ensemble support fibre installée dans les mâchoires de la machine d'essai universelle (j)

III. FORMULATION ET FABRICATION DES COMPOSITES

III.1 Formulations retenues

Trois formulations de composites ont été préparées et contenues dans le tableau 2 1 :

Code	Matrice argileuse	Taux de fibres	Taille des fibres	Notation
F0	Argile grise	0 %	Sans fibres	AS0
F1	Argile grise	10 % massique	[0 - 0,7 mm[	AS10f
F2	Argile grise	10 % massique	[0,7 - 20 mm]	AS10g

Le taux de 10% massique a été retenu sur la base d'une revue de la littérature indiquant que ce taux correspond à une zone de transition dans les composites argile-fibre : en deçà, l'effet de renfort est limité ; au-delà, la dispersion des fibres devient difficile et des zones de concentration de contraintes peuvent apparaître [1]. Nous avons présenté les tuiles que nous avons moulées à l'issue de notre étude en (annexe E).

III.2 Préparation des éprouvettes

ï Pesée précise des constituants (argile sèche et fibres selon le taux de formulation) ;

ï Ajout d'eau en quantité définie pour atteindre une consistance de malaxage uniforme (teneur en eau de 25-28 %, déterminée par essais préliminaires) ;

ï Malaxage manuel pendant 15 minutes pour assurer une distribution homogène des fibres dans la matrice argileuse ;

ï Démoulage après 24 heures de prise à l'air ambiant (30°C, humidité relative 70%) ;

Figure 2. 4: malaxage du composite argile-fibres(a), mise en moule (b), éprouvettes après démoulage(c)

IV. ESSAIS MECANIQUES SUR LES COMPOSITES

IV.1 Essai de flexion trois points

La résistance mécanique des composites est évaluée par l'essai de flexion trois points (norme NF EN ISO 178) ; la figure 2.6 : (a) présente cet essai. Une éprouvette rectangulaire (100 × 20 × 10 mm) est placée sur deux

appuis cylindriques distants de 80 mm, et chargée en son centre à vitesse constante (1 mm/min). Les paramètres suivants sont déterminés :

où F est la charge à la rupture (N), L la distance entre appuis (mm), b la largeur de l'éprouvette (mm), h l'épaisseur de l'éprouvette (mm) et f la flèche au centre (mm).

IV.2 Essai de dureté

La dureté superficielle des composites est mesurée par l'essai de dureté Shore D (norme ISO 868), adapté aux matériaux semi durs de faible résistance (figure 2.6 : (b)). Un duromètre Shore D équipé d'un indenteur conique est appliqué perpendiculairement à la surface de l'éprouvette ; la valeur est lue après 15 secondes d'application. La moyenne de 5 mesures en différents points de l'éprouvette est retenue.

Figure 2. 5: essai de flexion trois points sur éprouvette composite argile-Sissongo(a), essai de dureté(b)

V. ESSAIS PHYSIQUES SUR LES COMPOSITES

V.1 Porosité et masse volumique

La porosité ouverte (figure 2.7 : (a)) et la masse volumique des composites sont déterminées par la méthode d'Archimède (norme ASTM C373), qui consiste à mesurer les masses de l'éprouvette sèche (Ms), saturée en eau (Msat) et suspendue dans l'eau (Msub). Les formules utilisées sont :

V.2 Retrait au séchage

Le retrait radial et le retrait longitudinal (figure 2.7 : (b)) sont mesurés par comparaison des dimensions de l'éprouvette fraîche après démoulage et des dimensions après séchage à l'étuve (60°C, 48h). Les retraits sont calculés comme :

Les mesures de dimensions sont réalisées au pied à coulisse (précision 0,01 mm) sur 5 éprouvettes par formulation.

(b)

Figure 2. 6: mesure de l'éprouvette après séchage(a), dispositif de mesure de la porosité (b)

VI. MESURE DES PROPRIETES THERMOPHYSIQUES

VI.1 Méthode du ruban chaud symétrique

Les propriétés thermo physiques (conductivité thermique ë, effusivité thermique E, diffusivité thermique á, capacité thermique volumique ñCp) sont déterminées par la méthode du ruban chaud symétrique en régime transitoire. Cette méthode non destructive permet d'identifier simultanément la conductivité et l'effusivité thermiques à partir d'une seule mesure temporelle de l'élévation de température au centre d'un ruban chauffant disposé entre deux demi-échantillons symétriques.

VI.2 Principe physique

Un ruban métallique (résistance R 31,51 Ù, surface S = 1,5 × 10? m²) soumis à un flux de chaleur constant q = P/S = 533,33 W/m² (alimenté en U = 5V, I = 0,159 A, P = 0,80 W) est inséré entre deux demi-échantillons pressés en contact. Un thermocouple type K mesure l'évolution temporelle de la température ÄT(t) au centre du ruban. Le modèle thermique analytique du ruban chaud symétrique donne :

où E est l'effusivité thermique [J.m?².K?.s?/²], ë la conductivité thermique [W.m?.K?], Rc la résistance thermique de contact et mc la capacité thermique de la sonde.

VI.3 Algorithme d'identification

L'identification des paramètres thermo physiques est réalisée par l'algorithme de Newton-Raphson, qui minimise la somme D des carrés des écarts entre les températures expérimentales T_exp(ti) et les températures calculées par le modèle T_th(ti, E, ë, Rc, mc) :

La procédure d'optimisation part de valeurs initiales (E = 1500, ë = 2, Rc = 0, mc = 0) et converge vers les valeurs identifiées minimisant D. Le critère D final (de l'ordre de 0,0025) permet de valider la qualité de l'identification.

VI.4 Dispositif expérimental

ï Thermocouple type K et enregistreur de données de température (HUATC S220-T8) ;

ï Support de serrage garantissant un contact uniforme entre les demi-échantillons et le ruban ;

VI.5 Protocole de mesure

Pour chaque formulation, trois mesures indépendantes sont réalisées dans les mêmes conditions. Avant chaque mesure, les surfaces de contact des éprouvettes sont soigneusement nettoyées et polies au papier de verre (grain 240) pour minimiser la résistance thermique de contact. La température ambiante de la salle de mesure est maintenue à 30°C #177; 1°C. La durée d'acquisition est de 200 secondes avec un pas de temps de 1 seconde.

Les propriétés thermiques dérivées (diffusivité á et capacité thermique volumique ñCp) sont calculées à partir de ë et E selon les relations :

Figure 2. 7: matériel de mesure des propriétés thermo physique au ruban chaud symétrique

VII. RECAPITULATIF DES ESSAIS

Nous avons récapitulé l'ensemble de nos essais effectués dans le tableau 2.2.

Propriété mesurée	Norme/Méthode	Matériau concerné	Nombre d'éprouvettes
Limite de liquidité (WL)	NF P 94-051	Argile	3 essais
Limite de plasticité (WP)	NF P 94-051	Argile	3 essais
Densité des fibres	ASTM D792	Fibres	5 mesures
Taux absorption d'eau	ISO 62	Fibres	5 mesures
Reprise d'humidité	ISO 6741-4	Fibres	5 mesures
Diamètre moyen fibres	ASTM D578	Fibres	30 mesures/fraction
Module d'Young fibres	ASTM C1557	Fibres	10 fibres
Flexion 3 points (MRF, Ef)	NF EN ISO 178	Composites	5 éprouvettes/formulation
Dureté Shore D	ISO 868	Composites	5 mesures/éprouvette
Porosité, masse volumique	ASTM C373	Composites	3 éprouvettes/formulation
Retrait séchage	Mesure directe	Composites	5 éprouvettes/formulation
Propriétés thermophysiques (conductivité, diffusivité, effusivité, capacité thermique)	Ruban chaud symétrique	Composites	3 mesures/formulation

CHAPITRE III : RESULTATS ET DISCUSSIONS

Ce chapitre présente les résultats des essais physiques et mécaniques réalisés sur les composites à base d'argile et de renfort en paille. Les tests physiques incluent le taux d'humidité, le taux d'absorption, la masse volumique apparente et réelle,ainsiquelaporosité.Lespropriétés physiques etmécaniquesontétéévaluéespardesessaisde conductivité, effusivité, diffusivité, capacité thermique,flexion trois points et de compression. Cette analyse permettra de tirer des conclusions sur l'influence des différentes proportions des composants, sur la pertinence du matériau développé et d'orienter d'éventuelles perspectivesd'amélioration.

I. CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES

I.1 Propriétés de l'argile grise

Les résultats de la caractérisation géotechnique de l'argile grise sont présentés dans le Tableau 3.1.

L'argile grise présente une limite de liquidité très élevée (WL = 184 %) et un indice de plasticité très important (IP = 125 %), ce qui la classe, selon le diagramme de plasticité de Casagrande, dans la catégorie des argiles hautement plastiques (CH - Clay High). Ces valeurs sont nettement supérieures aux seuils habituellement recommandés pour la production de tuiles par voie plastique (IP optimal : 15-30 % [15]).

Ces valeurs élevées indiquent une forte teneur en minéraux argileux gonflants (probablement smectites ou argiles 2:1) dans la composition de l'argile grise. Elles signifient également que l'argile absorbe et retient une grande quantité d'eau, ce qui est cohérent avec les observations lors de la préparation des éprouvettes.

À titre de comparaison, les argiles camerounaises documentées dans la littérature présentent des indices de plasticité généralement plus modérés. Les travaux de Ngo Mapuna [11] sur les argiles de Ngat (Mbalmayo) rapportent des IP de 30 à 55 %, et Kagonbe et al. [13] sur les argiles de la vallée de la Bénoué trouvent des IP de 25 à 68 %. L'argile grise se distingue donc par une plasticité exceptionnellement élevée, liée à la géologie du Littoral camerounais (altération tropicale intense de roches basaltiques et sédimentaires).

L'indice de plasticité élevé (IP = 125 %) de l'argile grise constitue à la fois un avantage et un inconvénient pour la production de tuiles. L'avantage est une très bonne aptitude au façonnage par voie plastique, permettant d'obtenir des géométries complexes sans défauts de surface. L'inconvénient majeur est le fort retrait au séchage associé, qui se traduit par des retraits importants et un risque de fissuration lors du séchage, phénomène effectivement observé dans la présente étude. L'incorporation de fibres de Sissongo vise en partie à atténuer cet inconvénient.

I.2 Propriétés des fibres de Sissongo

Les résultats de la caractérisation physique et mécanique (voir annexe C) des fibres de Sissongo (Cenchrus pupureus) sont présentés dans le Tableau 3.2 et la figure 3.1 nous présentes les différents diagrammes y afférents.

Tableau 3.2: propriétés physiques et mécaniques de fibres de Sissongo récoltées à Douala

Propriété	Valeur mesurée	Ecart-type
Densité	1,089 (g/cm)	0,036
Taux d'absorption d'eau	130,838 (%)	2,770
Reprise d'humidité	10,369 (%)	0,329
Diamètre moyen	430,15 (um)	--
Déformation à la rupture	2,8 (%)	0.7
Module d'Young	3756,8 (MPa)	1809,2

La densité des fibres de Sissongo (1,089 g/cm) est inférieure à celle de la plupart des fibres lignocellulosiques de référence (lin : 1,40-1,50 g/cm ; sisal : 1,33-1,50 g/cm ; jute : 1,30-1,45 g/cm). Cette faible densité est caractéristique des fibres de graminées à forte porosité interne, et constitue un avantage pour réduire la masse volumique du composite.

Le taux d'absorption d'eau extrêmement élevé (130,84 %) est la propriété la plus préoccupante des fibres de Sissongo pour une application dans un matériau de couverture de toiture. Cette valeur, beaucoup plus élevée que celles rapportées pour des fibres comme le sisal (60-80 %) ou le jute (50-70 %), indique une forte hygroscopicité liée à la composition chimique des fibres (forte teneur en hémicellulose et en cellulose amorphe). En milieu tropical humide, cette absorption d'eau peut entraîner des cycles d'humidification-gonflement-séchage-retrait préjudiciables à l'intégrité du composite.

La reprise d'humidité (10,37 % #177; 0,04 %) présentée en figure 3.1 : (b)confirme l'hygroscopicité des fibres. Cette valeur est dans la fourchette des fibres végétales non traitées (8-15 %), légèrement supérieure à celle des fibres de bambou (6-9 %) mais inférieure à celle du coton (14-16 %). Un traitement de surface des fibres (alcalinisation, acétylation ou silylation) serait recommandé pour les travaux futurs afin de réduire cette hygroscopicité.

Le diamètre moyen des fibres (430,15 um) présenté en figure 3.1 : (g) est relativement élevé comparé aux fibres libériennes (lin : 12-30 um ; jute : 10-20 um). Il est plus proche des fibres de graminées grossières, ce qui est cohérent avec la morphologie du Sissongo (tiges ligneuses). Ce diamètre important favorise un facteur de forme (L/D) modéré pour les fibres de la fraction [0,7-20 mm], ce qui peut limiter l'efficacité du transfert de charge fibre-matrice.

Le module d'Young des fibres (3 756,8 MPa = 3,76 GPa) présenté en figure 3.1 : (d) est dans la gamme basse des fibres végétales de renfort (comparé aux 10-80 GPa du lin, jute ou sisal), mais reste largement supérieur au module d'élasticité en flexion de la matrice argileuse pure (66,37 MPa). Le ratio Ef fibres / Ef matrice 56 garantit un effet de renfort significatif selon la loi des mélanges, même à 10% de fibres. La déformation à la rupture de 2,8 % figure (figure 3.1 : (e)) est dans la gamme habituelle des fibres végétales ; pour une contrainte maximale de 76.3MPa (figure 3.1 : (f)).

Figure 3.1: densité absolue des fibres de Sissongo(a); reprise d'humidité des fibres de Sissongo(b); module d'YOUNG des fibres (d); taux d'absorption des fibres(c); déformation à la rupture des fibres(e); contrainte maximale fibres (f); diamètre moyen des fibres(g)

II. PROPRIETES MECANIQUES DES COMPOSITES

II.1 Module de rupture en flexion

Les résultats de l'essai de flexion trois points pour les trois formulations sont présentés dans le Tableau 3.3.

Tableau 3.3: résultats mécaniques des trois formulations de composites argile-Sissongo

Formulation	MRF (MPa)	Déf. flexion (-)	Ef (MPa)	Dureté Shore D
AS0 (0 % fibres)	0,953	0,014	66,37	47,69
AS10f (10 % fines)	1,485	0,017	80,83	36,00
AS10g (10 % grossières)	1,772	0,017	57,54	31,44

L'incorporation de 10% de fibres de Sissongo améliore très significativement le module de rupture en flexion des composites. Par rapport à la matrice argileuse pure (MRF = 0,953 MPa), on observe un gain de +55,8 % pour les fibres fines (MRF = 1,485 MPa) et de +85,9 % pour les fibres grossières (MRF = 1,772 MPa). Ce résultat confirme l'hypothèse H2 et démontre l'efficacité des fibres de Sissongo comme renfort mécanique dans la matrice argileuse.

Le fait que les fibres grossières ([0,7-20 mm]) améliorent davantage le MRF que les fibres fines ([0-0,7 mm]) peut être expliqué par deux mécanismes : (1) les fibres longues présentent un facteur de forme (L/D) plus élevé, favorisant un meilleur ancrage mécanique dans la matrice et un transfert de charge plus efficace ; (2) les fibres longues jouent un rôle de pontage de fissures (crack bridging) plus efficace, s'opposant à la propagation des fissures de séchage et de flexion. Ce mécanisme est bien documenté dans la littérature pour les composites à base de terre crue [10, 21].

Du point de vue de l'application en tuile de toiture, le résultat le plus important est que le composite AS10g atteint un MRF de 1,772 MPa, qui dépasse le seuil minimal de la norme NF

EN 1304 (> 1,50 MPa) pour les tuiles en terre cuite. Le composite AS10f, avec un MRF de 1,485 MPa, est très proche de ce seuil. Ces résultats sont donc encourageants quant à la faisabilité de tuiles argile-Sissongo mécaniquement conformes aux exigences normatives.

Comparés aux travaux de la littérature, les MRF obtenus sont dans la gamme des composites argile-fibre développés en Afrique. Agbossou [20] rapporte des MRF de 1,2 à 2,4 MPa pour des BTC renforcées de fibres de sisal au Bénin, et Sawadogo et al. [31] obtiennent des résistances de 1,5 à 2,0 MPa pour des composites ciment-Cenchrus purpureus au Burkina Faso. Les résultats de la présente étude sont cohérents avec ces références africaines.

II.2 Déformation en flexion et module d'élasticité

La déformation à la rupture en flexion augmente légèrement de 0,014 (matrice pure) à 0,017 (composites à 10% de fibres des deux fractions), indiquant que les fibres améliorent légèrement la ductilité du matériau. Cette augmentation de ductilité est attendue pour des composites à fibres courtes dans une matrice fragile : les fibres, en pontant les microfissures, permettent au matériau de se déformer davantage avant rupture catastrophique.

Le module d'élasticité en flexion présente une évolution non monotone : il augmente de 66,37 MPa (AS0) à 80,83 MPa (+21,8 %) pour les fibres fines (AS10f), puis diminue à 57,54 MPa (-13,3 %) pour les fibres grossières (AS10g). Ce comportement peut s'expliquer par les effets antagonistes de l'incorporation de fibres sur la rigidité : d'un côté, les fibres rigides (Ef = 3 757 MPa) augmentent la rigidité de la matrice par effet de renfort ; de l'autre, l'augmentation de la porosité (voir section 3.3.1) avec les fibres grossières diminue la densité et la rigidité du matériau. Pour AS10g, l'effet de porosification l'emporte sur l'effet de renfort.

II.3 Dureté

La dureté Shore D diminue avec l'incorporation de fibres : de 47,69 (AS0) à 36,00 (AS10f) et 31,44 (AS10g). Cette tendance est cohérente avec l'augmentation de la porosité des composites (section 3.3.1) et avec la réduction de la masse volumique apparente. En effet, la dureté d'un matériau est étroitement liée à sa densité et à sa résistance à l'indentation superficielle : un matériau plus poreux offre moins de résistance à la pénétration de l'indenteur.

La réduction de dureté avec les fibres grossières est plus prononcée (-34,1 %) qu'avec les fibres fines (-24,5 %), ce qui est cohérent avec la plus grande porosité de AS10g (20,4 %) par rapport à AS10f (29,8 %). Paradoxalement, AS10f présente la plus forte porosité mais une dureté intermédiaire, ce qui pourrait s'expliquer par une meilleure distribution des contraintes d'indentation par les fibres fines bien dispersées.

Figure 3.2: module de rupture en flexion des composites argile-Sissongo(a); déformation en flexion(b); dureté des composites (c); module d'élasticité en flexion(d)

III. PROPRIETES PHYSIQUES DES COMPOSITES

III.1. Porosité et masse volumique

Formulation	Porosité (%)	ñ réelle (g/cm)	ñ apparente (g/cm)
AS0 (0 % fibres)	13,97	1,883	1,62
AS10f (10 % fines)	29,78	1,659	1,17
AS10g (10 % grossières)	20,41	1,651	1,31

L'incorporation de fibres augmente significativement la porosité des composites : de 13,97 % (AS0) à 29,78 % (AS10f) et 20,41 % (AS10g). Cette augmentation de porosité est attendue pour deux raisons : (1) les fibres végétales, en s'incorporant dans la matrice argileuse, créent des interfaces et des vides qui augmentent la porosité globale ; (2) les fibres hygroscopiques absorbent l'eau lors du malaxage, puis libèrent cette eau lors du séchage, créant des pores supplémentaires.

La porosité plus élevée de AS10f par rapport à AS10g est surprenante et mérite une analyse approfondie. Les fibres fines, en raison de leur surface spécifique plus élevée, absorbent proportionnellement plus d'eau lors du malaxage, ce qui génère davantage de pores lors du séchage. De plus, les fibres fines peuvent former des agglomérats plus difficiles à disperser homogènement, créant des zones locales de forte porosité.

Du point de vue des exigences pour les tuiles de toiture, la porosité de AS10f (29,78 %) dépasse le seuil maximal de 25 % souvent retenu pour les tuiles en terre cuite. La porosité de AS10g (20,41 %) est dans la gamme acceptable. La porosité de AS0 (13,97 %) est la plus faible et la plus favorable, mais le MRF insuffisant de cette formulation sans fibres en limite l'intérêt. Ces résultats indiquent que l'optimisation de la formulation (taux de fibres, granulométrie, procédé) est nécessaire pour satisfaire simultanément les exigences de résistance mécanique et de porosité limitée.

III.2 Retrait au séchage

Les résultats de retrait montrent des tendances complexes. Pour le retrait longitudinal, l'incorporation de fibres est bénéfique : il diminue de 13,23 % (AS0) à 4,97 % (AS10f) et 9,10 % (AS10g). Les fibres de Sissongo jouent ici leur rôle classique de limiteur de retrait : en s'opposant mécaniquement au retrait de la matrice argileuse, elles réduisent les contraintes de traction internes qui génèrent les fissures longitudinales.

En revanche, le retrait radial augmente pour AS10g (23,19 % contre 18,67 % pour AS0), ce qui est contre-intuitif. Cet effet pourrait être lié à l'anisotropie d'orientation des fibres grossières dans les éprouvettes : les fibres s'alignant préférentiellement selon l'axe longitudinal lors du coulage, elles bloquent davantage le retrait longitudinal que radial, transférant les contraintes de retrait vers la direction radiale. Ce phénomène d'anisotropie de retrait a été documenté par Laborel-Préneron et al. [24] pour des composites argile-paille.

Les valeurs de retrait obtenues (4,97 à 23,19 % selon la direction et la formulation) sont généralement élevées, ce qui s'explique par la très haute plasticité de l'argile grise (IP = 125 %). Une argile moins plastique (IP 20-40 %), ou une stabilisation partielle à la chaux ou au ciment, permettrait de réduire significativement ces retraits et d'améliorer la stabilité dimensionnelle des tuiles.

Nous avons présenté le récapitulatif des propriétés mécaniques et physiques étudiés dans le tableau en (annexe B).

Figure 3.3: porosité et masse volumique apparente des composites(b); retrait radial des composites(c); retrait longitudinal des composites(d)

IV. PROPRIETES THERMOPHYSIQUES DES COMPOSITES

IV.1 Conductivité thermique

Le tableau 3.6 présente les résultats de la conductivité thermique du composite

Formulation	ë Moy. (W.m?.K?)	Ecart-type	Mesure 1	Mesure 2	Mesure 3
AS0 (0% fibres)	0,422	0,006	0,4244	0,4252	0,4149
AS10f (10% fines)	0,391	0,004	0,3866	0,3934	0,3916
AS10g (10% grossières)	0,388	0,010	0,3816	0,3824	0,3989

L'incorporation de 10% de fibres de Sissongo réduit la conductivité thermique des composites par rapport à la matrice argileuse pure. La conductivité diminue de 0,422 W.m?.K? (AS0) à 0,391 W.m?.K? (AS10f, -7,3 %) et 0,388 W.m?.K? (AS10g, -8,1 %). Ces résultats confirment l'hypothèse H4 et montrent que les fibres de Sissongo, malgré un taux de 10% seulement, contribuent à améliorer l'isolation thermique du composite.

La réduction de conductivité thermique avec les fibres s'explique par deux mécanismes complémentaires : (1) la substitution partielle d'argile (ë 0,42 W.m?.K?) par des fibres (ë 0,04-0,12 W.m?.K?) réduit mécaniquement la conductivité globale du composite selon la loi des mélanges ; (2) l'augmentation de la porosité des composites (section 3.3.1) introduit des espaces d'air (ëair 0,026 W.m?.K?) qui contribuent à réduire la conductivité effective.

La qualité de l'identification thermique est excellente pour les trois formulations : le critère D final est de 0,0025 pour AS0, 0,0026 pour AS10f et 0,0025 pour AS10g, à comparer aux valeurs initiales D 63-96. Ces critères très bas confirment la bonne convergence de l'algorithme de Newton-Raphson et la représentativité du modèle thermique utilisé.

Comparées aux données de la littérature, les conductivités thermiques obtenues (0,388 à 0,422 W.m?.K?) sont cohérentes avec les valeurs habituellement rapportées pour les argiles sèches kaolinitiques (0,30-0,50 W.m?.K?) et pour les composites argile-fibre (0,20-0,45 W.m?.K?). Elles sont largement inférieures à celles des matériaux à base de ciment ordinaire (0,80-1,80 W.m?.K?) et surtout des tôles métalliques (160-220 W.m?.K?), confirmant l'avantage thermique considérable des composites argile-Sissongo par rapport aux couvertures métalliques actuellement dominantes au Cameroun.

IV.2 Effusivité thermique

Nous avons présenté les résultats de l'effusivité thermique dans le tableau 3.7.

Formulation	E Moy. (J.m?².K?.s?/²)	Ecart-type	Mesure 1	Mesure 2	Mesure 3
AS0 (0% fibres)	900,05	4,580	905,24	896,57	898,34
AS10f (10% fines)	829,99	1,375	831,56	828,98	829,43
AS10g (10% grossières)	823,31	2,050	823,34	825,35	821,25

L'effusivité thermique E mesure la capacité d'un matériau à absorber ou céder de la chaleur à un autre corps au contact. Elle diminue significativement avec l'incorporation de fibres : de 900,05 J.m?².K?.s?/² (AS0) à 829,99 J.m?².K?.s?/² (AS10f, -7,8 %) et 823,31 J.m?².K?.s?/² (AS10g, -8,5 %). Une effusivité plus faible signifie que le matériau échange moins rapidement la chaleur avec son environnement, ce qui est favorable pour le confort thermique des toitures : l'énergie solaire est moins vite transmise à l'intérieur du bâtiment.

IV.3 Diffusivité thermique et capacité thermique volumique

La diffusivité thermique á, qui mesure la vitesse de propagation d'un front de chaleur dans le matériau, reste quasi-constante entre les trois formulations (2,21 à 2,23 × 10?7 m².s?), indiquant que l'incorporation de fibres n'affecte pas significativement la vitesse de transfert thermique interne du matériau. Ce résultat est cohérent avec la faible variation simultanée de ë et ñCp : la diffusivité (á = ë/ñCp) étant le rapport de ces deux grandeurs, une diminution proportionnelle de ë et ñCp n'affecte pas á.

La capacité thermique volumique ñCp diminue avec l'incorporation de fibres : de 1 905 847 kJ.m?.K? (AS0) à 1 733 712 kJ.m?.K? (AS10f, -9,0 %) et 1 630 452 kJ.m?.K? (AS10g, -14,4 %). Cette diminution est principalement due à la réduction de la masse volumique apparente des composites avec les fibres: moins denses, les composites ont une capacité à stocker la chaleur par unité de volume réduite.

Figure 3.4: évolution de ÄT au centre du ruban pour l'échantillon d'argile à0%des fibres de Sissongo incorporées(a); évolution de ÄT au centre du ruban pour l'échantillon d'argile à 0% de fibres de Sissongo incorporées(b); évolution de ÄT au centre du ruban pour l'échantillon d'argile à 10% de fibres de Sissongo incorporées(c)

V. SYNTHESE ET EVALUATION DE L'ADEQUATION AVEC LES EXIGENCES DE TUILE

V. 1 Récapitulatif des propriétés étudiés et résultats obtenus en laboratoire

Le tableau 3.9 présente le récapitulatif de l'ensemble des résultats des propriétés.

Propriété	Témoin (0%)	10% [0-0,7 mm[	10% [0,7-20 mm]
Module de rupture en flexion (MPa)	0,953	1,485	1,772
Déformation en flexion	0,014	0,017	0,017
Module d'élasticité en flexion (MPa)	66,37	80,83	57,54
Porosité (%)	13,97	29,78	20,41
Masse volumique réelle (g/cm)	1,883	1,659	1,651
Masse volumique apparente (g/cm)	1,620	1,170	1,310
Retrait radial (%)	18,67	15,78	23,19
Retrait longitudinal (%)	13,23	4,97	9,10
Dureté	47,69	36,00	31,44
Conductivité thermique ë (W/m·K)	0,422	0,391	0,388
Diffusivité thermique a (m²/s)	2,2207×10?7	2,2110 × 10?7	2,2283 × 10?7
Effusivité thermique E (J/m²·K·s½)	900,0481	829,991467	823,314233
Capacité thermique (kJ.m^-3.K^-1)	1905846,54	1733712,1	1630452,09
Contrainte Max en compression (Mpa)	0,0049	0,023	0,007
Deformation en compression (%)	2,524	12,185	4,127
Module d'Young en compression (MPa)	0,195	0,190	0,183

V. 2 Comparaison des résultats obtenus en laboratoire avec les exigences normatives

Le Tableau 3.10 récapitule les propriétés mesurées et leur comparaison avec les exigences d'une tuile de toiture et les données de la littérature.

Tableau 3.10: comparaison des propriétés des composites avec les exigences normatives et la littérature.*seuil indicatif, non normalisé pour les tuiles séchées

Propriété	AS0	AS10f	AS10g	Exigence tuile	Référence lit.
MRF (MPa)	0,953	1,485	1,772	> 1,50	1,2 - 2,5 MPa
Porosité (%)	13,97	29,78	20,41	< 25 %	10 - 25 %
ë (W.m?.K?)	0,422	0,391	0,388	< 0,50	0,20 - 0,65
Retrait long. (%)	13,23	4,97	9,10	< 8 %*	3 - 15 %
ñ apparente (g/cm)	1,62	1,17	1,31	1,20 - 2,00	1,30 - 1,80

V. 3 Discussion

ï Formulation AS0 (0% fibres) : MRF insuffisant (0,953 < 1,50 MPa), porosité acceptable (13,97 %), conductivité thermique acceptable. Non conforme en résistance mécanique.

ï Formulation AS10f (10% fibres fines) : MRF proche du seuil (1,485 1,50 MPa), mais porosité excessive (29,78 > 25 %). Bonne performance thermique. Partiellement conforme.

ï Formulation AS10g (10% fibres grossières) : MRF satisfaisant (1,772 > 1,50 MPa), porosité acceptable (20,41 < 25 %), meilleure isolation thermique. La formulation la plus prometteuse pour une application en tuile.

Ces résultats sont globalement encourageants et montrent que le composite argile-Sissongo à 10% de fibres grossières [0,7-20 mm] présente les meilleures performances pour une application en tuile de toiture séchée. Cependant, plusieurs points nécessitent une investigation complémentaire :

ï Résistance à l'eau et à l'humidité : la très forte absorption d'eau des fibres de Sissongo (130,84 %) rend le composite potentiellement vulnérable aux cycles d'humidification-séchage en conditions d'utilisation réelle. Une stabilisation à la chaux, au ciment ou par cuisson à haute température est recommandée ;

ï Traitement de surface des fibres : une alcalinisation (NaOH 5 %) ou une acétylation des fibres réduirait leur hygroscopicité et améliorerait l'adhérence fibre-matrice ;

ï Stabilisation de l'argile : la forte plasticité de l'argile grise (IP = 125 %) génère des retraits importants. L'ajout de 3-8 % de chaux ou de ciment permettrait de réduire l'IP et les retraits au séchage ;

CONCLUSION GENERALE

Ce mémoire avait pour objectif d'évaluer les propriétés thermiques et mécaniques d'un composite argile-Sissongo (Cenchrus pupureus) en vue de la production de tuiles de toiture. La démarche expérimentale adoptée a permis de caractériser les matières premières (argile grise et fibres de Sissongo), de formuler trois composites (0%, 10% fibres fines [0-0,7 mm[, 10% fibres grossières [0,7-20 mm]) et d'évaluer leurs propriétés mécaniques, physiques et thermiques.

ï L'argile grise est une argile hautement plastique (WL = 184%, WP = 59%, IP = 125%), ce qui lui confère une excellente aptitude au façonnage mais entraîne des retraits importants au séchage (jusqu'à 23,19% en direction radiale). Cette plasticité élevée est liée à la présence de minéraux argileux gonflants dans le gisement de Nkongsamba.

ï Les fibres de Sissongo présentent une faible densité (1,089 g/cm) et un module d'Young modéré (3,757 GPa), compatibles avec une utilisation comme renfort dans une matrice argileuse. Leur fort taux d'absorption d'eau (130,84%) constitue le principal facteur limitant pour une application en toiture exposée aux intempéries.

ï L'incorporation de 10% de fibres grossières [0,7-20 mm] améliore le module de rupture en flexion de 85,9% (0,953 ? 1,772 MPa), dépassant le seuil minimal de 1,50 MPa requis par la norme NF EN 1304. Ce résultat est le plus encourageant de l'étude.

ï La conductivité thermique diminue de 8,1% avec l'incorporation de fibres grossières (0,422 ? 0,388 W.m?.K?), confirmant l'intérêt des composites argile-Sissongo pour l'isolation thermique des toitures en milieu tropical.

ï La formulation AS10g (10% fibres grossières) constitue le meilleur compromis entre résistance mécanique (MRF = 1,772 MPa > 1,50 MPa) et porosité (20,41% < 25%), la rendant la plus prometteuse parmi les formulations testées.

ï H1 validée : L'argile grise est très plastique (IP = 125%), bien au-delà du seuil de plasticité nécessaire pour la mise en forme.

ï H2 validée : L'incorporation de 10% de fibres améliore significativement le MRF (+56 à +86 % selon la taille des fibres).

ï H3 validée : La conductivité thermique est réduite avec les fibres (-7,3 à -8,1 %).

ï H4 validée : La taille des fibres influence différemment les propriétés - les fibres grossières donnent de meilleures performances mécaniques, les fibres fines génèrent plus de porosité.

Les résultats obtenus ouvrent plusieurs perspectives intéressantes pour les travaux futurs :

ï Court terme : tester un traitement alcalin des fibres (NaOH 5%, 2h) pour réduire leur absorption d'eau ; explorer l'ajout de 3-5% de ciment ou de chaux pour stabiliser l'argile et réduire les retraits.

ï Moyen terme : Evaluer la résistance des composites aux cycles d'humidification-séchage (durabilité) ; réaliser des essais de vieillissement accéléré (cycles thermiques, exposition UV) ; produire des prototypes de tuiles à l'échelle 1:1 et les tester sous des toitures expérimentales.

ï Long terme : étudier la possibilité de combiner les fibres de Sissongo avec d'autres stabilisants naturels (cendres de balles de riz, pouzzolanes naturelles camerounaises) pour améliorer simultanément les propriétés mécaniques et la résistance à l'eau ; développer une filière locale de production artisanale de tuiles argile-Sissongo adaptée aux conditions camerounaises.

Ce travail démontre la faisabilité technique d'un composite argile-Sissongo répondant aux exigences de base d'une tuile de toiture. La formulation à 10% de fibres grossières constitue un point de départ prometteur pour le développement d'un matériau de couverture alternatif, local et économique, pouvant contribuer à améliorer les conditions d'habitat des populations camerounaises à revenus modestes, tout en valorisant les ressources naturelles abondantes de la Région du Littoral.

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ANNEXES

Annexe A : Données de mesure thermo-physique

Paramètre	Mesure 1	Mesure 2	Mesure 3	Moyenne	Ecart-type
Effusivité E (J.m?².K?.s?/²)	905,2367	896,5679	898,3397	900,048	4,580
Conductivité ë (W.m?.K?)	0,4244	0,4252	0,4149	0,422	0,006
Diffusivité á (m².s?)	2,211E-7	2,201E-7	2,250E-7	2,221E-7	2,6E-9
Cap. thermique ñCp (kJ.m?.K?)	1 905 684	1 907 524	1 904 331	1 905 847	1 602,5

A.2 - Argile à 10% de fibres fines [0-0,7 mm] (AS10f)

Paramètre	Mesure 1	Mesure 2	Mesure 3	Moyenne	Ecart-type
Effusivité E (J.m?².K?.s?/²)	831,5581	828,9834	829,4329	829,991	1,375
Conductivité ë (W.m?.K?)	0,3866	0,3934	0,3916	0,391	0,004
Diffusivité á (m².s?)	2,278E-7	2,236E-7	2,119E-7	2,211E-7	8,2E-9
Cap. thermique ñCp (kJ.m?.K?)	1 763 219	1 650 576	1 787 341	1 733 712	73 001

Paramètre	Mesure 1	Mesure 2	Mesure 3	Moyenne	Ecart-type
Effusivité E (J.m?².K?.s?/²)	823,3432	825,3498	821,2497	823,314	2,050
Conductivité ë (W.m?.K?)	0,3816	0,3824	0,3989	0,388	0,010
Diffusivité á (m².s?)	2,236E-7	2,203E-7	2,246E-7	2,228E-7	2,3E-9
Cap. thermique ñCp (kJ.m?.K?)	1 640 275	1 651 295	1 599 786	1 630 452	27 123

Annexe B : Récapitulatif des propriétés mécaniques et physiques

Propriété	AS0 (0%)	AS10f (10% fines)	AS10g (10% grossières)
MRF en flexion (MPa)	0,9531	1,485	1,772
Déformation en flexion	0,014	0,017	0,017
Module d'élasticité Ef (MPa)	66,373	80,825	57,536
Dureté Shore D	47,69	36,00	31,44
Porosité (%)	13,967	29,777	20,412
ñ réelle (g/cm)	1,883	1,659	1,651
ñ apparente (g/cm)	1,62	1,17	1,31
Retrait radial (%)	18,67	15,78	23,19
Retrait longitudinal (%)	13,23	4,97	9,10

Annexe C : Propriétés des fibres de Sissongo

Propriété	Valeur	Ecart-type	Unité
Densité	1,089	0,036	g/cm
Taux absorption d'eau	130,838	2,770	%
Reprise d'humidité	10,369	0,036	%
Contrainte maximale	76,3	39,2	Mpa
Déformation à la rupture	2,8	0,7	%
Module d'Young	3 756,8	1809,2	MPa