Compréhension et optimisation des phénomènes hydrauliques et hygroscopiques entre surface et volume dans les enduits en terre crue

Understanding and optimisation of the hydraulic and hygroscopic behaviour between surface and volume in raw earth plasters

• Auteur / Autrice : Thibaud Mauffre
• Direction : Antonin Fabbri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie civil
• Date : Soutenance le 16/03/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• 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 : Jean-Claude Morel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Keita, Julien Scheibert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paulina Faria, Monika Woloszyn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adsorption

Résistance des matériaux

Effets de l'eau

Constructions en terre

Mots clés libres

Enduits en terre crue

Pénétration de l’eau liquide

Chute de goutte

Résistance à l’érosion

Topographie de surface multi-échelle

Microtomographie aux rayons X

Échanges hygroscopique

Biopolymères

Wet-cups

Raw earth plasters

Liquid water penetration

Water-damping

Resistance to erosion

Hygroscopic exchanges

Multi-scale surface topography

X-ray microtomography

Biopolymers

Wet-cups

Résumé

La terre crue est un matériau de construction millénaire, qui peut être mise en œuvre sous forme d'éléments de maçonnerie, de murs monolithiques, ou bien encore utilisée comme matériau de remplissage ou bien en tant qu'enduit. C’est un matériau poreux et granulaire, dont le liant est l’argile. La terre crue, de part sa structure particulière et la présence d’argile, crée d’importantes interactions avec les molécules d'eau. Cela lui permet d’être un exceptionnel tampon hygrothermique pour l’environnement intérieur. Toutefois, cette capacité à adsorber de grandes quantités d’humidité peut conduire dans le même temps à une diminution significative de la résistance mécanique. Une teneur en eau trop élevée dans ce matériau de construction poreux peut entraîner une défaillance de l'ensemble de la structure. De plus, la terre crue est très sensible à l’eau de pluie, qui peut induire de forts problèmes d'érosion. Afin, protéger les façades des bâtiments en terre des projections d'eau, les enduits à base de chaux sont généralement préférés aux enduits en terre crue non stabilisée pour des raisons d'entretien et de durabilité, malgré leur impact écologique plus élevé et leurs propriétés hygroscopiques inférieures. En outre, les enduits ayant un facteur de résistance à la vapeur d’eau trop élevé pourraient constituer un obstacle à l'autorégulation de la teneur en eau des murs en terre. Dans cette optique, des recherches scientifiques semblent nécessaires pour étudier la faisabilité de l'amélioration de la résistance à l'eau liquide des enduits en terre crue, tout en conservant leurs fortes performances hygroscopiques. Pour atteindre cet objectif, le travail présenté ici vise à étudier et à comprendre le comportement hydraulique et hygroscopique dans les enduits en terre, et en particulier au niveau de leur surface, qui est la principale porte d’entrée de l’eau liquide et de la vapeur d’eau. La résistance des enduits en terre à la pénétration de l'eau liquide peut être améliorée par l'hydrophobisation de la surface, qui peut être réalisée grâce à deux méthodes principales : une topographie de surface spécifique, ou bien l'utilisation de produits hydrophobes. Un premier travail a donc été consacré à la formulation d’enduits en terre, afin d'obtenir une bonne variabilité des valeurs de topographie de surface entre tous les échantillons, tout en gardant leurs propriétés volumiques relativement proches. Ceci a permis de déterminer l'influence de la surface sur les échanges hydrauliques et hygroscopiques. Les résultats obtenus sur ces échantillons à travers les différentes campagnes expérimentales qui ont été menées peuvent être divisés en trois parties. Le comportement de l'eau liquide à la surface de la terre crue a été observé et analysé grâce à un dispositif expérimental de mouillage connecté à une caméra ultra-rapide. L'observation et la compréhension du comportement hydraulique en sous surface des enduits ont été rendues possibles par la méthode de microtomographie aux rayons X. Ensuite, les échanges statiques et dynamiques de vapeur d'eau dans les enduits de terre ont été mesurés par les procédures expérimentales telles que l’essai de « wet-cup », l’essai de sorption/désorption, ou bien encore l’essai de MBV. L'existence d'un film statique de surface s’opposant à la pénétration de la vapeur d'eau, et son lien avec la topographie de surface ont été démontrés. Une dernière campagne a été menée pour évaluer l'efficacité de l'utilisation des produits hydrophobes. De nombreux échantillons ont été réalisés pour obtenir une combinaison entre la topographie de surface, le type de biopolymère ainsi que sa méthode d'application. Des essais d’érosion ont été conduits.

Raw earth is one of the former building materials. It is a granular mixture in which clay plays a role of binder and it can be implemented as masonry units, monolithic walls, filling material or plaster. In the current context of global warming, a new interest emerges for this material, mainly due to its environmental qualities such as for example its low embodied energy and its circularity. A significant particularity of raw earth is that it exhibits important interactions with water molecules. It allows earth to have an excellent hygrothermal buffering potential for the indoor environment. But, on the other side, it leads to a significant decrease in material strength and stiffness when water content increases. It follows that a too high-water content into this porous building material may lead to the failure of the whole structure while water projections on earthen walls, and in particular wind-driven-rains, may induce strong erosion issues. To protect earthen building facades from water projections, lime-based plasters are classically preferred over unstabilized raw earth ones for maintenance and durability purposes, despite of their higher ecological impact and their lower hygroscopic properties. In addition, plasters with too high vapour resistance factor could be an obstacle of self-regulation in water content of earthen wall.With this in mind, scientific investigations appear to be necessary to consider the feasibility of the enhancement of liquid water resistance while keeping the strong hygroscopic performances of earth plasters. To reach this goal, the present work aims at studying and understanding the hydraulic and hygroscopic behaviour in earth plasters, and in particular of their surface as it is the main entrance of liquid water and vapour. The enhancement of the resistance of the earth plasters to liquid water penetration can be reached by water repellency, which can be achieved thanks to two main methods: a specific surface topography or hydrophobic product usage. A first task was dedicated to plaster formulations, in order to achieve a good discrepancy of surface topography values between all the samples while keeping volume properties relatively close, in order to determine the influence of the surface on hydraulic and hygroscopic exchanges. The results obtained on these samples through several experimental campaigns that have been conducted can be divided in three parts.First, the behaviour of liquid water at the plaster’s surface has been followed and analyzed thanks to experimental wetting set-up connected to a high speed camera device. The observation and understanding of the hydraulic behaviour inside the plaster has been made possible by the X-ray microtomography method. Then, static and dynamic water vapour exchanges in earth plasters were measured with experimental procedures as wet-cup, sorption/desorption, or modified MBV. The existence of a water vapour film surface resistance and its link with surface topography has been proven. A last campaign has been led to assess the efficiency of the hydrophobic product usage. The most efficient biopolymer products have been chosen among several products tested. Numerous samples have been made to obtain a combination of surface topography, type of biopolymer and method of application. The efficiency of biopolymer added earth plasters were evaluated with Geelong tests and accelerated erosion tests, while measuring its hygroscopic remaining performances. After this study, we are able to propose an efficient earth plaster formulation to improve water durability while maintaining strong hygroscopic properties.