Développement et contrôle des performances mécaniques et hygrothermiques des matériaux à faible teneur en carbone par une technologie intelligente

Develοpment and mοnitοring οf the mechanical and hygrοthermal perfοrmance οf lοw-carbοn materials by smart technοlοgy

• Auteur / Autrice : Manal Bouasria
• Direction : Yassine El Mendili, Valérie Pralong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 26/09/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Francois Bardeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Naïma Belayachi, Abderrahim Boudenne, Mohammed Hichem Benzaama
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Naïma Belayachi, Abderrahim Boudenne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction durable

Réseaux neuronaux (informatique)

Propriétés thermiques

Propriétés mécaniques

Microstructure (physique)

Construction en terre

Algues

Béton

Liants

Mots clés libres

Liants bas carbone

Stabilisation de la construction en terre

Propriétés microstructurales

Mécaniques et hygrothermiques

Modèles ANN

Low-carbon binders

Concrete

Earth construction stabilization

Microstructural

Mechanical and hygrothermal properties

ANN model

Résumé

La distribution des émissions de gaz à effet de serre et de la consommation d'énergie des bâtiments a été estimée à 30 % en phase de construction, 70 % en phase d'exploitation et d’entretien et 1 % en phase de démantèlement. Pendant la phase de construction, les matériaux utilisés représentent 56 % des émissions de CO2. Par conséquent, de nombreuses mesures sont prises en compte lors de la construction, telles que : l'émergence du concept de l’économie circulaire, le choix des matériaux à faible teneur en carbone, l’utilisation des déchets, l’utilisation de matériaux intelligentes, réutilisation des matériaux lors de la démolition.Ainsi, l'objectif de cette thèse est de développer des matériaux à faible impact environnemental. Des essais de caractérisation physique, chimique, hygrothermique et mécanique sont réalisés à différentes échelles. Un prototype sera créé et une preuve de concept sera créée pour vérifier l’efficacité des matériaux bas carbone développés dans cette thèse.Dans ce contexte, nous avons d'abord étudié le comportement de mélanges cimentaires incluant des sous-produits. Nous avons substitué le ciment par plusieurs déchets, à savoir les laitiers de ferronickel (FNS) associé à des coquilles de crépidule (CR) et des cendres volantes (FA) associés à des coquilles de crépidule. Des études mécaniques, thermiques ont été menés à la fois à l’échelle du matériaux (mortier et béton) et aussi sur un prototype à l’échelle du laboratoire. Les propriétés mécaniques du mortier avec une utilisation de FA-CR en substitution du ciment se sont avérées supérieures à celles du mortier et du béton ordinaires. Le prototype à base de ce nouveau matériau bas carbone a été développé pour surveiller le comportement hygrothermique avec des modèles des réseaux de neurones artificiels. Les résultats de l'expérience sur le risque de condensation et le développement de moisissures révèlent que le mélange de béton choisi peut empêcher la condensation.Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés aussi à la stabilisation de la construction en terre par un liant cimentaire et ensuite par un liant organique. Dans la première partie, nous avons étudié la pertinence de la boue de lavage de gravier et des coquillages comme matériau de construction en terre non cuite tout en utilisant des cendres volantes comme liant et stabilisateur cimentaire. Nos résultats montre que ce mélange conduit à une réduction de la porosité, une augmentation des performances mécaniques, une diminution de la conductivité thermique avec une capacité thermique spécifique plus élevée. Dans la deuxième partie, nous avons utilisé de la poudre d'algues comme stabilisateur de la bauge. Nous avons étudié l'impact de la substitution de la terre par de la poudre d'algues (liant organique). Pour ce nouveau matériau à base d’algues, nous avons observé une amélioration de la capacité de stockage de la chaleur et de la conductivité thermique sans impacter les propriétés mécaniques. Le développement du réseau neuronal artificiel pour prédire les propriétés hygrothermiques du prototype terre-algues-fibres a montré une bonne similarité entre les résultats expérimentaux et le modèle. Enfin, le mécanisme de stabilisation de la terre a été étudié à l'aide de techniques d'analyse microstructurale (DRX et spectroscopie Raman).

The distribution of energy consumption and greenhouse gas emissions in buildings has been estimated at 30% during the construction phase, 70% during the use and maintenance phase, and 1% during the demolition process. During the construction phase, the materials used represent 56% of the CO2 emissions. The long term use of a building, difficult to control, depends on a large number of variables. Numerous levers are therefore studied to act during construction: low-carbon materials, waste reduction, promoting the circular economy, optimized design, intelligent material saving, construction and demolition waste, etc.Therefore, the objective of this PhD is to develop new low carbon materials. Physical, chemical, hygrothermal and mechanical characterization experiments are carried out at different scales. A prototype will be designed and a proof of concept will be created to verify the effectiveness of the eco-materials developed in this research.In this context, we started by studying the behaviour of cementitious mixtures including by-products. We substituted cement by several wastes, i. e. ferronickel slag (FNS) associated with crepidula shells (CR) and fly ash (FA) associated with crepidula shells. Mechanical and thermal properties of the mortar and concrete were studied at the material scale and also on a lab-scale prototype. The mechanical properties of the mortar with the use of FA-CR in substitution of cement were found to be superior to those of ordinary mortar and concrete. The prototype based on this new low carbon material was developed to monitor the hygrothermal behaviour with artificial neural network models. The results of the experiment on the risk of condensation and mold growth reveal that the chosen concrete mix can prevent condensation. Indeed, the high silica, aluminate, and calcium content of the smart Fly ash-Crepidula mixture reacts with water from humid ambient air to generate additional hydrates as a result of pozzolanic reaction, resulting in continual strength enhancement.In this thesis work, we were also interested by the stabilization of earthen construction using a cementitious binder and then by an organic binder. In the first part, we investigated the suitability of gravel washing sludge and seashells as an unfired earth construction material while using fly ash as a binder and cementitious stabilizer. Our results show that this mixture leads to a reduction in porosity, an increase in mechanical performance and a decrease in thermal conductivity with a higher specific heat capacity. In the second part, we used seaweed powder as a stabilizer for the cob construction. We studied the impact of substituting soil with seaweed powder (organic binder). For this new algae-based material, we observed an improvement in heat storage capacity and thermal performance without impacting mechanical properties. The development of the artificial neural network to predict the hygrothermal properties of the earth-algae-fiber prototype showed a good similarity between the experimental results and the model. Finally, the stabilization mechanism of the soil was studied using microstructural analysis techniques (XRD and Raman spectroscopy).