Et si on coulait de la terre comme du béton?
Dans cette nouvelle chronique, Alia Bengana, architecte et enseignante spécialisée en construction durable, explore les alternatives au béton et les bétons alternatifs. Ce premier épisode est dédié au béton de terre coulé, une technique récente permettant de valoriser les terres d’excavation, promise à un bel avenir.
Les cantons de Vaud et de Genève produisent 4,8 millions de m3 de terres d’excavation (déchets de type A) chaque année. En comparaison, on estime à 400 millions de m3 les terres d’excavation générées par les chantiers titanesques du Grand Paris d’ici à 20301. Ces terres sont légalement considérées comme des déchets et finissent dans des décharges. Or l’espace pour les stocker commence cruellement à manquer dans l’Arc lémanique : le canton de Genève en exporte déjà 45% (25% en France voisine)2; quant au canton de Vaud, ses espaces de stockage arriveront à saturation en 20233.
Et si la solution était de transformer ces déchets en matériaux de construction? C’est ce que nous avons fait depuis onze millénaires: construire avec ce que nous avons sous nos pieds.
Certains pionniers montrent déjà l’exemple, comme Martin Rauch en Autriche avec des bâtiments en pisé et des murs préfabriqués en usine, ou Cycle Terre en région parisienne, qui vient d’inaugurer sa première fabrique de matériaux à base de terre crue. Plus proche de nous, l’entreprise Terrabloc à Allaman (VD) commercialise des blocs de terre compressée. Si on constate un regain d’intérêt pour la terre crue depuis dix ans, reconsidérée au regard de son très faible impact carbone, son utilisation demeure néanmoins marginale dans la construction. Les raisons sont multiples: hégémonie du béton, manque de référentiel technique, d’entreprises compétentes, de formation des architectes ou des ingénieurs, prix élevé de la mise en œuvre ou simple défiance… La technique de la terre coulée pourrait faire la différence, car elle permettrait d’utiliser l’outillage et les compétences de l’industrie du béton pour valoriser ce matériau ultra-abondant. L’idée en fait rêver plus d’un.
Principes et paradoxes
La terre coulée, appelée aussi béton de terre ou béton d’argile, met en œuvre des matières similaires à celles du béton de ciment, mais en proportions différentes. Pour réaliser un béton de ciment, il faut 30 % de granulats, 45 % de sable, 12 à 15 % de ciment et 10% d’eau, mais aussi des adjuvants industriels comme les plastifiants ou les accélérateurs de prise. Le béton de terre est également constitué de sable et de gravier, naturellement présents dans la terre, mais aussi d’argile et d’eau. Le liant n’est donc pas constitué par le ciment et sa prise hydraulique mais par des plaquettes d’argile de taille micrométrique reliées entre elles par des ponts capillaires (de l’eau)4. Le pisé, qui est également un béton de terre, se met en œuvre avec très peu d’eau, à l’état humide, mais requiert un dur labeur pour compacter des couches tous les 12 cm dans un coffrage. Dans un mur de pisé, les plaquettes d’argile et l’eau constituent le liant des granulats ; un excès d’eau dans un tel mur, par ruissellement ou remontées capillaires, séparera les plaquettes d’argile, ce qui entraînera la perte de cohésion des grains et nuira donc à la stabilité de l’ensemble. De leur côté, les terres moulées à l’état plastique (plus humide) sous forme de briques (comme l’adobe) gagnent leur cohésion en séchant à même le sol grâce à la chaleur du soleil. Il y a donc un antagonisme à vouloir ajouter trop d’eau à une terre pour la liquéfier, car pour qu’il y ait cohésion, il faut que l’eau en excès s’évapore pour permettre de décoffrer. Or la présence du coffrage freine considérablement le processus même du séchage. C’est donc principalement pour décoffrer une terre mise en œuvre à l’état liquide que l’on y ajoute du ciment.
Les pionniers de la terre coulée
Les premiers essais de «cast earth» ont été réalisés dans l’État du Nevada (USA) au début des années 1990 par un métallurgiste passionné du nom de Harris Lawenhaupt. Celui-ci met au point un béton d’argile composé de terre, d’eau et de 15 % de plâtre, matière qui permet de solidifier la terre liquide et donc de démouler. En s’associant à un constructeur terre, il convainc quelques clients de troquer le pisé, en vogue dans cette région à l’époque, contre cette technique plus rapide et moins onéreuse.
En France, c’est le projet de recherche Béton d’Argile Environnemental (B.A.E.) mené de 2010 à 2013 qui permet de faire avancer considérablement la compréhension de la matière terre et les mécanismes de sa cohésion. Le projet a rassemblé différents acteurs du monde académique et entrepreneurial6 dans le cadre d’une étude cofinancée par le Ministère français de l’Écologie7. Le projet a permis la réalisation d’un bâtiment pilote, la maison des associations de Manom en Moselle (agence Mil Lieux, 2015). Le bâtiment, labellisé Passivhaus, fait la part belle aux matériaux biosourcés, tout en intégrant plusieurs murs en béton d’argile au rez-de-chaussée. Ces murs permettent d’apporter l’inertie favorable au confort d’été, régulent le taux d’humidité de l’air, absorbent les odeurs tout en atténuant les transmissions phoniques entre les multiples activités demandées par le programme, des qualités que l’on retrouve dans toutes les techniques de mise en œuvre de la terre crue.
Des murs porteurs en terre coulée
Les murs porteurs non armés d’une épaisseur de 35 cm de la maison des associations de Manom ont été formulés par l’ingénieur français Martin Pointet grâce aux résultats du projet de recherche B.A.E. auquel il avait participé. Le mélange réalisé sur site dans un camion toupie a été possible grâce à 40 % de granulats à béton, 4 % de ciment, 9 % d’eau et 47 % de terre. La terre liquide est coulée dans des coffrages à béton, et les murs sont décoffrés au bout de cinq jours puis mis en cure comme des murs refends en béton de ciment. Les murs sont ensuite mis en compression grâce à des tiges d’acier filetées qui lient la semelle de fondation avec le chaînage horizontal en tête de mur. Ces murs ont une capacité à supporter des charges de 3 à 4 mPa, mais avec une épaisseur doublée (30 à 40 cm) par rapport à un mur en béton armé. La terre mise en œuvre à Manom a été récupérée non pas sur le site, mais dans une carrière de calcaire, dont le lavage des pierres avant commercialisation engendre une production importante de boues : les fines argilo-calcaires (FAC).
On peut se demander pourquoi la terre d’excavation du site n’a pas été utilisée. Il faut comprendre qu’il y a autant de terres que de terrains et la terre du site, une fois analysée, peut être considérée impropre au mélange en raison de son squelette granulaire, ou de la quantité d’argile présente. Deux solutions s’offrent alors : soit reformuler la terre du site en ajoutant du gravier à béton ou de la terre plus argileuse et souvent plus de ciment, soit tout simplement en chercher une autre.
Terre coulée romande
À Genève et à Lausanne, des recherches appliquées sont actuellement menées par le bureau atba avec Terrabloc, l’entreprise Maulini, le bureau d’étude EDMS et le laboratoire d’essais des matériaux et structures (LEMS) de l’HEPIA8. Il s’agit d’effectuer les tests nécessaires à la formulation de murs en terre coulée pour la future coopérative de la Bistoquette à Plan-les-Ouates (GE) mais aussi pour une autre opération de logements en cours d’étude au bureau atba pour les Plaines-du-Loup à Lausanne (fin de chantier prévue en début 2022).
À Plan-les-Ouates, les carottages ont livré des résultats réjouissants : la terre du site est une moraine limono-argileuse très chargée en graviers. Les tests effectués au laboratoire LEMS ont permis d’arriver à une formulation incluant 42% de terre du site, 42% de graviers à béton, 5% de ciment et 10% d’eau, ce qui ravit Stéphane Fuchs, fondateur d’atba, qui estime que cette technique n’a de sens que si elle permet de recycler sur site des terres d’excavation. La terre coulée sera utilisée à la Bistoquette pour des murs refends entre logements autoportants et non armés d’une épaisseur de 25 cm, tandis qu’aux Plaines-du-Loup le bureau a privilégié cette technique pour des murs non porteurs uniquement au rez-de-chaussée. Pourra-t-on bientôt se passer de ciment, en particulier pour des murs non porteurs ?
Recherche et développement contemporain
La chaire de Construction durable dirigée par le professeur Guillaume Habert à l’EPFZ explore la possibilité d’ajouter des additifs naturels, comme les tanins combinés à l’hydroxyde de sodium, pour liquéfier la terre puis annuler ce phénomène avec un minimum d’eau9. Il y a deux ans, l’un de ses doctorants, Gnanli Landrou, a créé avec l’ingénieur matériaux EPFZ Thibault Demoulin la start-up Oxara, qui s’est donné pour mission de mettre au point une terre coulée sans ciment. Leur formule, appelée Cleancrete, associe des défloculants et floculants11 à base de sels minéraux.
Oxara s’est associée au fournisseur de béton prêt à l’emploi KIBAG à Zurich qui met à leur disposition main d’œuvre et matériel pour mener à bien leurs tests. Ils ont réalisé un prototype avec l’entreprise Marti à Genève (Ill. C) et collaborent avec l’agence zurichoise Duplex à une opération de logements de la fondation Burkwil située à Meilen (ZH). Les 12 logements seront en structure porteuse bois, une partie des murs extérieurs et certains murs intérieurs seront en Cleancrete autoportant. Oxara participe aussi à un projet de recherche avec l’Université technique de Munich pour réaliser des planchers associant terre coulée et bois (Ill. D, E). La possibilité de couler une chape de terre au-dessus d’un plancher en béton, ou directement au sol sur de la terre, comme ils viennent de le réaliser dans les sous-sols d’une église à Wollishofen (ZH), semble très ingénieuse car elle permet de s’affranchir des problèmes générés par le coffrage. Une autre technique prometteuse sur laquelle planche Oxara est la préfabrication de murs Cleancrete. L’entreprise bénéficie du retour d’expérience de Martin Pointet, qui a réalisé des murs coulés à plat dans des cages d’armatures en bois pour la médiathèque Jean Quarré à Paris (Ill. A, B), actuellement en chantier (projet de Philippe Madec, associé à Nicolas Miessner).
Une solution universelle?
La terre coulée pourrait-elle devenir l’avenir proche de la valorisation des terres d’excavation? Certainement, mais imaginer que cette technique va se substituer au béton traditionnel est un leurre. C’est une technique qui permet de valoriser les ressources d’un territoire, de démocratiser un matériau bas carbone encore peu utilisé en commençant par une mise en œuvre plus simple, et donc moins chère11, que celle du pisé, tout en profitant des nombreuses propriétés de la matière. La préfabrication et le remplissage ouvrent la voie à l’hybridation avec l’adage «du bon matériau au bon endroit». Le ciment reste encore le liant qui rassure pour cette technique novatrice, mais tous les acteurs que nous avons rencontrés s’accordent à penser qu’il s’agit d’un passage obligé et non d’une fin en soi. Tant qu’une directive cantonale voire fédérale ne s’attaquera pas au problème des surplus colossaux de terres d’excavation, les techniques à base de terre crue resteront marginales. Une piste pourrait être d’imposer une analyse de terre en amont de tous les futurs sites de concours, pour comprendre quelle technique serait la plus appropriée afin de l’imposer au cahier des charges : terre coulée en plancher ou en murs, briques de terre comprimée, enduits, masse de remplissage entre planchers, en réservant le pisé très onéreux aux murs nobles.
Alia Bengana est architecte DPLG, enseignante au laboratoire ALICE de l’EPFL et à l’HEIA-FR.
Notes
2. Service de géologie, sols et déchets (GESDEC) du Canton de Genève, source 2018
3. État de Vaud, Direction générale de l’environnement (DGE), Carrières, gravières et décharges – Compte rendu de la consommation, de la production et des réserves, année 2019, version 2, avril 2021 (en téléchargement libre sur le site de la DGE-VD).
4. amaco.org/ce-qui-fait-tenir-un-mur-en-terre
5. La cohésion d’une terre composée de grains de différentes tailles et d’argile dépend de la quantité d’eau, les états de la matière vont différer et évoluer en fonction de la quantité d’eau ajoutée en passant par les états suivants : sec, humide, plastique, visqueux et liquide.
6. Coopérative de construction Caracol, Carrières du Boulonnais, CTMNC, AKterre, ENTPE, INSA Lyon, CRAterre et amàco-Les Grands Ateliers
7. Béton d’Argile Environnemental – Résultats d’un programme de recherche tourné vers l’application, amàco et CRAterre-AE&CC-ENSAG, 2013. Disponible sur amaco.org
8. Le laboratoire d’essais des matériaux et structures (LEMS) est une unité de l’institut inPACT de la Haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture de Genève (HEPIA). Le LEMS possède des compétences de recherche appliquée et de développement dans les domaines des matériaux de construction.
9. Yi Du, Coralie Brumaud, Frank Winnefeld, Yin-Hung Lai, Guillaume Habert, « Mechanisms for efficient clay dispersing effect with tannins and sodium hydroxide, Colloids and Surfaces A », Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 630, 2021
10. L’ajout d’un défloculant permet de fluidifier le mélange de terre sans y ajouter trop d’eau, l’ajout d’un floculant annulera ce processus dans un second temps pour permettre le séchage et donc le décoffrage.
11. Chiffrer le béton de terre coulée est encore une tâche complexe, les différents acteurs interrogés tablent sur un prix 20 % à 30 % supérieur à celui d’un béton de ciment classique. À Manom, les murs en terre coulée ont coûté environ 300 €/m² contre 200 €/m² en moyenne pour des murs en béton de ciment armé. Le coût de la mise en œuvre du pisé avoisine en Suisse les 1000 à 1200 CHF par m² de mur.
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