Comportement mécanique des mortiers et systèmes d'Isolation Thermique par l’Extérieur : Apport de la microtomographie aux RX

Mechanical behavior of External Thermal Insulation Composite Systems using X-ray Computed Microtomography

• Auteur / Autrice : Laura Valdés Tamayo
• Direction : Mohend Chaouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 23/03/2015
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Burlion, Jean-François Georgin, Farid Benboudjema, Ahmed Loukili, Evelyne Prat, Marie Aulagnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Burlion, Jean-François Georgin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtomographie

Propriétés mécaniques

Mortier

Isolation thermique

Mots clés libres

Corrélation d'images

Enduits ITE

Mortiers-Polymères

Systèmes ITE

Tomographie aux RX

Image correlation technique

Coats of ETICS

Mortars-polymers

ETICS

Tomography

Résumé

Un système d'Isolation Thermique par l'Extérieur (ITE) des bâtiments est un composite complexe constitué de plusieurs couches de matériaux ayant un grand contraste de propriétés physiques : plaque isolante, enduit renforcée par une armature en fibres de verre, enduit de décoration et de protection, etc. Les sollicitations environnementales et mécaniques que subit le système au cours de son cycle de vie conduisent à un état de contraintes différentes selon les différentes couches constituant le système. Cet état de contraintes est responsable du développement de désordres (fissures et décohésion) dans la couche de mortier de protection. Ces désordres ont un impact direct sur la durabilité du système dans son ensemble. L'objectif de cette thèse est ainsi de comprendre le comportement mécanique d'un système ITE dans son ensemble en nous focalisant sur la couche de mortier en tant que composant clef de la durabilité du système. Les mortiers ITE ont une formulation spécifique dont les propriétés physiques et mécaniques sont adaptées aux exigences du système complet. Généralement, un mortier ITE est d'origine minérale et modifié avec des polymères afin d'améliorer sa souplesse et son adhérence sur le support d'application. Nous avons considéré divers paramètres de formulation, toutefois, le cœur de cette étude concerne l'influence des poudres de polymère redispersable (PPR) sur le comportement mécanique d'un mortier ITE. Ces PPR sont utilisés dans la pratique principalement pour leurs propriétés plastifiantes et d'adhérence, mais ils ont également un impact sur la porosité du matériau, d'où l'intérêt d'utiliser la tomographie pour quantifier cet effet. Pour caractériser l'impact des PPR sur les propriétés mécaniques, nous avons utilisé l'essai de fendage. Les essais mécaniques sont couplés avec de l'imagerie optique en surface et tomographique en volume. Cela nous a permis de caractériser aussi bien les champs de déformation surfaciques que les modes d'endommagement en surface et en volume. Le technique de corrélation d'images numériques a été exploitée pour effectuer des études quantitatives. A l'échelle du système ITE, les outils mécaniques expérimentaux sont inexistants dans la littérature. Grâce à des essais innovants de flexion 3-points jusqu'à rupture sur des échantillons d'un système d'ITE, nous avons pu considérer le comportement mécanique du système dans son ensemble (isolant-enduit). Nous avons ainsi constaté un comportement de type "système" et non de type "matériau". Nous avons dans un premier temps mis en évidence l'impact significatif du type de revêtement de finition sur la réponse mécanique du système. Le comportement en volume (3D) a été également étudié à l'aide d'essais in-situ sous tomographe suivi d'une analyse de la cinématique par corrélation d'images volumiques. Nous avons notamment mis en évidence le rôle de l'armature dans la propagation de fissures dans le cœur du système. Enfin, nous avons proposé les premières tentatives de mise au point d'un essai à l'anneau multicouche permettant de générer des contraintes thermomécaniques pour qualifier les systèmes ITE.

Nowadays ETICS (External Thermal Insulation Composite System) are largely used to improve the energy efficiency of both new and existing buildings. They are complex structures composed of several layers characterized by different physical properties. Typical ETICS components are adhesive, thermal insulation material, reinforced basecoat (reinforcing glass fiber mesh embedded in it), finishing coat and/or decorative coat, and accessories, etc. During its lifecycle the system is meant to experience several environmental solicitations, including chemical, thermal and mechanical stresses. Each layer of an ETICS has a different response to these stresses, which may lead to development of disorders such as cracking or debonding in the finishing layer. These disorders have a direct impact on the durability of ETICS implementation. The main goal of this thesis is to investigate the mechanical behavior of ETICS. We focus in particular on the behavior of the basecoat, which is a key component for durability.Finishing coats of ETICS are specifically mix-designed to fulfill several requirements for the whole system. Generally, it is composed of a mineral mortar with additives, as polymers and fibers, to improve flexibility and grip on the final support. We considered various formulation parameters; however, the main focus of this study is on the impact of redispersible polymer powders (RPP) on the mechanical behavior of these ETICS mortars. Addition of RPP significantly increases the deformability and adhesion properties of the material. RPP also impacts the porosity of the material. Tomography is especially suitable for quantifying this impact. In order to characterize the impact of PPR on the mechanical properties, we used a splitting test. The mechanical tests are coupled with optical imaging and 3D computed microtomography (CT). This allowed characterizing the 2D deformation as well as the superficial and volume damage mechanisms. The Digital Image Correlation (DIC) technique has been exploited to perform quantitative studies.To the best of our knowledge studies of the mechanical behavior of ETICS as a system has never been reported in the literature. In the present investigation 3-point flexural tests have been developed to deal with the mechanical behavior, including damage, of ETICS samples. The tested samples comprise both the isolating system and the different mortar layers. We in particular demonstrated the significant impact of the properties of the finishing layer on the mechanical response of the system. The behavior in volume (3D) was also considered through in situ flexural tests performed within a Tomograph. CT images were used to determine the 3D deformation field using the volumetric image correlation technique. In particular, we highlighted the role of the reinforcement mesh in the propagation of cracks inside the system. Finally, we present the first attempts to implement a simple test based on a multilayer ring that generates thermo-mechanical stresses, which may be used to qualify the durability of ETICS.