Modélisation théorique et expérimentale du comportement énergétique et environnemental des matériaux de construction biosourcés

Theoretical and experimental modelling of the energy and environmental behaviour of bio-based building materials

• Auteur / Autrice : Maroua Benkhaled
• Direction : Sofiane Amziane, Salah-Eddine Ouldboukhitine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Sonebi, Rafik Belarbi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Collet-Foucault, Ouali Amiri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction durable

Éco-matériaux

Mots clés libres

Béton de chanvre

Transfert couplés de chaleur et de masse

Modélisation

Modèle réduit

Validation numérique

Étude de sensibilité

Éléments finis

Campagne expérimentale

Hemp concrete

Coupled heat and mass transfer

Modelling

Reduced model

Numerical validation

Sensitivity study

Finite elements

Experimental campaign

Résumé

Face à la problématique énergétique du bâtiment et l'impact environnemental, les enveloppes hygroscopiques constituent une alternative très intéressante pour améliorer le confort thermique, la qualité de l’air intérieur, la régulation de l’humidité intérieure et réduire la consommation d’énergie. Ces travaux de thèse visent à étudier les transferts couplés de chaleur et de masse au sein des matériaux poreux comme le béton de chanvre. Il s’agit de prédire le comportement hygrothermique de ces matériaux, à travers un modèle macroscopique, basé sur des moteurs de transferts ; la température pour le transfert thermique, la pression de vapeur d’eau pour le transfert d’humidité et la pression pour le transfert de l’air. La difficulté de l’utilisation de ce modèle réside dans l’identification des nombreux paramètres caractérisant les propriétés hygrothermiques des matériaux. Une partie du travail a été consacrée à l’évaluation des principales propriétés intrinsèques des matériaux moyennant l’élaboration de différents prototypes expérimentaux au laboratoire dans le cadre d’une investigation recommandée par le comité de RILEM TC-275 HDB. Par ailleurs, la variabilité des paramètres issus de cette dernière campagne ainsi que la méconnaissance des restes des paramètres nous amènent vers une analyse de sensibilité des paramètres. Cette étude a permis d’identifier les paramètres les plus influents sur la réponse hygrothermique d’une paroi en béton de chanvre. Sur cette base, un modèle réduit a été déduit en fonction de ces derniers paramètres (conductivité thermique, capacité thermique, perméabilité à la vapeur et capacité de stockage). Ce travail a été mis en œuvre à l’aide d’une discrétisation par la méthode des éléments finis implantée dans un code Matlab. Par la suite, une étude adimensionnelle a été entreprise, elle a permis d’identifier les paramètres les plus importants dans la prédiction du comportement hygrothermique d’une paroi en béton de chanvre. Les paramètres résidus de cette étude de sensibilité constituent un facteur déterminant dans la distinction des matériaux qui sont à la fois des isolants thermiques et perméables à la vapeur d’eau (des régulateurs hydriques). Enfin, une confrontation des résultats du modèle réduit à ceux de la littérature est présentée. Cette comparaison a mis en évidence l’influence de l’isotherme de sorption sur le comportement hygrothermique d’une paroi en béton de chanvre.

Facing the energy problems of the building and the environmental impact, hygroscopic envelopes constitute a very interesting alternative to improve the thermal comfort, the quality of the indoor air, the regulation of the indoor humidity and to reduce the energy consumption. This thesis work aims to study the coupled heat and mass transfers within porous materials such as hemp concrete. The aim is to predict the hygrothermal behaviour of these materials, through a macroscopic model, based on transfer motors; temperature for heat transfer, water vapour pressure for moisture transfer and pressure for air transfer. The difficulty of using this model lies in the identification of the numerous parameters characterizing the hygrothermal properties of the materials. Part of the work has been devoted to the evaluation of the main intrinsic properties of the materials through the elaboration of different experimental prototypes in the laboratory within the framework of an investigation recommended by the RILEM TC-275 HDB committee. Moreover, the variability of the parameters resulting from this last campaign as well as the lack of knowledge of the remaining parameters lead us to a sensitivity analysis of the parameters. This study allowed to identify the most influential parameters on the hygrothermal response of a hemp concrete wall. On this basis, a scale model was deduced according to these last parameters (thermal conductivity, thermal capacity, vapour permeability and storage capacity). This work was implemented using discretization by the finite element method implemented in a Matlab code. Subsequently, an adimensional study was undertaken, which identified the most important parameters in the prediction of the hygrothermal behaviour of a hemp concrete wall. The parameters remaining from this sensitivity study are a determining factor in the distinction between materials that are both thermal insulators and water vapour permeable (water regulators). Finally, a comparison of the results of the reduced model with those of the literature is presented. This comparison highlighted the influence of the sorption isotherm on the hygrothermal behaviour of a hemp concrete wall.