Modélisation multi-échelles des propriétés élastiques du composite argile-pailles de riz

Multi-scale modeling of the elastic properties of the clay-rice straw composite (Banco)

• Auteur / Autrice : Christian Enagnon Adadja
• Direction : Hamid Zahrouni, Mohamed Gibigaye, Mahdia Hattab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/07/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université d'Abomey-Calavi (Bénin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdelouahab Khelil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hamid Zahrouni, Mohamed Gibigaye, Mahdia Hattab, Comlan Aristide Houngan, Yao Koutsawa, Victor Gbaguidi, Antoine Vianou
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Comlan Aristide Houngan, Yao Koutsawa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Analyse multiéchelle

Micromécanique (ingénierie)

Fibres végétales

Argile

Propriétés mécaniques

Composites à fibres

Mots clés libres

Banco

Caractéristiques mécaniques

Élasticité

Modélisation micromécanique

Étude numérique

Banco

Mechanical characteristics

Elasticity

Micromechanical modelling

Numerical study

Résumé

Avec l’évolution de l’humanité il est proposé des constructions modernes à base de matériaux conventionnels. Ceci n’est pas sans conséquence car de nos jours le secteur de la construction est le premier consommateur d’énergie et le deuxième émetteur de CO2 dans le monde. Ceci à un impact significatif sur le climat de la planète. Il s’avère donc indispensable de nos jours de mettre au point des matériaux qui respectent au mieux l’environnement à travers leur faible pouvoir d’émission de gaz à effet de serre et qui consomment peu d’énergie. C’est dans cette démarche que s’inscrit le présent travail de recherche qui contribuera au développement des matériaux écologiques pour la construction. Il s’intéresse à l’étude des propriétés élastiques d’un composite à matrice argileuse, renforcé avec des pailles végétales de riz. Au regard des résultats obtenus, il est montré que ce matériau utilisé de façon traditionnelle en milieu rural possède des caractéristiques intéressantes, qui constituent des raisons de sa vulgarisation auprès des constructeurs. Les essais expérimentaux en liaison avec l’étude microstructurale a permis de mieux maitriser non seulement la répartition des fibres dans la matrice, mais aussi de définir la formulation optimale du composite. La variation de la fraction volumique des pailles, nous permet de mettre en évidence l’influence des pailles sur le matériau terre. Les pailles jouent le rôle des armatures dans le matériau composite argile-pailles de riz (banco). Elles améliorent la résistance en traction et en compression jusqu’à un seuil de 25% de proportion volumique. Il est apparu que le module de Young baisse avec l’évolution de la fraction volumique et que sa plus grande valeur est obtenue lorsque la fraction volumique est de 25%. La modélisation multi-échelle en vue de la prédiction du comportement élastique du composite banco a été réalisée dans ce travail, à travers les modèles analytiques de Mori-Tanaka, Hashin-Strikman, les bornes de Voigt et Reuss. Une étude numérique a été faite à l’aide du logiciel Digimat dont le module éléments finis FE et le module semi-analytique MF ont été utilisés. L’étude du comportement du matériau a été menée uniquement en élasticité. A l’aide de ces modèles, nous avons pu remonter aux propriétés intrinsèques des constituants du composite (les propriétés élastiques des pailles de riz et de la matrice argileuse, l’aspect ratio des pailles de riz, l’orientation géométrique des inclusions végétales, la fraction volumique des inclusions). Nous avons remarqué que les modèles de Mori-Tanaka et le modèle Digimat MF prédisent au mieux le comportement élastique du composite argile-pailles de riz.

With the evolution of humanity, modern constructions are proposed based on conventional materials. This is not without consequence because today the construction sector is the largest consumer of energy and the second emitter of CO2 in the world. This significantly impacts the climate of the planet. It is therefore essential today to develop materials that best respect the environment through their low greenhouse gas emission power and which consume little energy. This research is part of this process, which will contribute to the development of ecological materials for construction. We are interested in studying the elastic properties of a clay matrix composite, reinforced with vegetable rice straws. In view of the results obtained, it is shown that this material used in a traditional way in rural areas has interesting characteristics, which constitute reasons for its popularization with builders. The experimental tests in conjunction with the microstructural study made it possible to better control not only the distribution of the fibres in the matrix, but also to define the optimal formulation. The variation in the volume fraction of straws allows us to highlight the influence of straws on the earth material. Straws play the role of reinforcements in the clay-rice straw composite material (banco). They improve the tensile and compressive strength up to a threshold of 25% by volume proportion. It appeared that the Young's modulus decreases with the evolution of the volume fraction and that its greatest value is obtained when the volume fraction is 25%. Multi-scale modelling for the prediction of the elastic behaviour of the banco composite was carried out in this work, through the analytical models of Mori-Tanaka, Hashin-Strikman, the bounds of Voigt and Reuss. A numerical study was made using the Digimat software, of which the finite element module and the MF semianalytical module were used. The study of the behaviour of the material was carried out only in elasticity. Using these models, we were able to go back to the intrinsic properties of the constituents of the composite (the elastic properties of rice straws and the clay matrix, the aspect ratio of rice straws, the geometric orientation of inclusions, the volume fraction of inclusions). We have noticed that the Mori-Tanaka models and the Digimat MF model best predict the elastic behaviour of the clay-rice straw composite.