Caractérisations multi-physiques des mortiers bio-sourcés isolants et modélisation de leurs impacts sur les transferts hygrothermiques à l’échelle des parois : application aux bétons de moelles végétales

Multi-physical characterizations of bio-based insulating mortars and modelling of their impacts on hygrothermal transfers at wall scale : application to vegetal pith-based concretes

• Auteur / Autrice : Mohamed Said Abbas
• Direction : Antonin Fabbri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 12/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole nationale des travaux publics de l'Etat (Vaulx-en-Velin, Rhône ; 1975-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Amziane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Yacine Ferroukhi, Aurélie Laborel-Preneron, Fionn McGregor, Céline Perlot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafik Belarbi, Monika Woloszyn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hygrométrie

Constructions -- Isolation thermique

Propriétés thermiques

Éco-béton

Mots clés libres

Moelle de tournesol

Milieux poreux

Couplage hygrothermique

Interactions liant-granulat

Matériaux isolants

Béton de chanvre

Bétons biosourcés

Moelle de maïs

Sunflower pith

Porous media

Hygrothermal coupling

Binder-aggregate interactions

Insulating materials

Hemp concrete

Bio-based concretes

Maize pith

Résumé

En France, la réglementation thermique pour les bâtiments évolue pour faire face aux enjeux climatiques. La loi Grenelle 2 et le Plan de Rénovation Energétique de l’Habitat établissent des exigences qui motivent la recherche de solutions novatrices pour l’isolation de bâtiments à fortes déperditions thermiques. C’est le cas du patrimoine vernaculaire, dont la bio-rénovation énergétique est au coeur de ce projet de thèse. Dans ce contexte, la filière des agro-bétons connaît actuellement un essor poussé par les avantages économiques et environnementaux de l’exploitation de déchets agricoles et de la production locale de ressources. Ce travail cherche à caractériser des bétons à base de chaux et de moelle de tournesol et de maïs, deux sous-produits agricoles disponibles en grande quantité et dont les propriétés ont été peu étudiées. A cette fin, une étude des caractéristiques mécaniques, hygrothermiques et acoustiques, comparées aux propriétés du béton de chanvre, est menée, en mettant l’accent sur l’impact des couples liant-granulat. Cette campagne expérimentale a le double objectif d’explorer de nouvelles méthodes de caractérisation des propriétés macroscopiques. En outre, un modèle mathématique, qui prend en considération le couplage des effets thermiques et hygroscopiques, est proposé afin de décrire la réponse hygrothermique des bétons étudiés à l’échelle paroi. L’étude expérimentale a permis de constater que les bétons de moelle à faible densité présentent des caractéristiques mécaniques relativement faibles, les classant à la limite du seuil pour les applications de type « mur » des Règles Professionnelles Construire en Chanvre. Toutefois, ses propriétés hygrothermiques intéressantes, dont la variation avec l’humidité a été déterminée, le rendent apte à l’utilisation en tant qu’isolant intérieur, qui est l’application principale envisagée par le projet. La campagne a également mis en évidence l’ampleur de l’impact des interactions entre la moelle et le liant sur les propriétés et l’importance d’étudier la compatibilité entre agrégats et liants lors du développement de nouveaux bétons. Lors de cette campagne, un nouveau dispositif de mesure de la conductivité thermique des parois a été mis en place. L’étude croisée des propriétés a débouché en une contribution à la détermination de la conductivité thermique et de la perméabilité à la vapeur à partir de mesures acoustiques. D’autre part, les résultats de l’étude numérique soulignent l’influence du climat sur la réponse de la paroi, qui détermine le choix du matériau isolant, et ont révélé que la présence de moelle ne garantit pas un degré d’hygroscopicité du béton plus important que la présence de chènevotte. Cette hygroscopicité a été prouvée avoir un impact non négligeable sur les flux thermiques en surface. Enfin, le modèle numérique proposé est utilisé pour quantifier l’impact de la présence de différents types de fluxmètres sur le flux thermique traversant une paroi lors d’un essai au laboratoire sous des sollicitations hygrothermiques maîtrisées.

In France, thermal regulations for buildings are changing to face the climatic challenges. The “Grenelle 2” law and the “Plan de Rénovation Energétique de l'Habitat” strategy establish requirements that motivate the search for innovative solutions for the insulation of buildings with high thermal losses. This is the case of national heritage, whose bio-energy retrofit is at the heart of this thesis project. In this context, the agro-concrete industry is currently experiencing an upturn driven by the economic and environmental benefits of the exploitation of agricultural waste and of the local production of resources. This work seeks to characterize lime-based concretes made from sunflower pith and maize pith, two agricultural by-products available in large quantities and whose properties have been scarcely studied. To this end, a study of the mechanical, hygrothermal and acoustical characteristics, compared to the properties of hemp concrete, is carried out, focusing on the impact of the binder-aggregate couples. This experimental campaign has the double objective of exploring new methods of characterization of macroscopic properties. In addition, a mathematical model, which considers the coupling of thermal and hygroscopic effects, is proposed in order to describe the hygrothermal response of the concretes studied at the wall scale. The experimental study has corroborated that lightweight pith concretes show relatively low mechanic characteristics, which place them in the limit of the threshold for “wall”-type applications according to the “Règles Professionnelles Construire en Chanvre” guideline. However, its interesting hygrothermal properties, whose variation with humidity was determined, make it suitable for use as interior insulation, which is the main application envisioned by the project. The campaign also highlighted the extent of the impact of the interactions between the pith and the binder on the properties and the importance of studying the compatibility between aggregates and binders when developing new concretes. During this campaign, a new device for measuring the thermal conductivity of walls was conceived. The cross study of the properties resulted in a contribution to the determination of thermal conductivity and water vapour permeability from acoustic measurements. On the other hand, the results of the numerical study underline the influence of climate on the response of the wall, which determines the choice of the insulating material, and revealed that the presence of pith does not guarantee a greater degree of hygroscopicity of the concrete than the presence of hemp shiv. This hygroscopicity has been proven to have a significant impact on surface heat flows. Lastly, the proposed numerical model is used to quantify the impact of the presence of several kinds of thermal flowmeters on the heat flow passing through a wall during a laboratory test under controlled hygrothermal solicitations.