Contribution au développement et optimisation d’un système composite biosourcé-enduit de protection pour l’isolation thermique de bâtiment

Contribution to the development and optimization of a bio-based composite-protective coating system for thermal insulation of buildings

• Auteur / Autrice : Brahim Ismail
• Direction : Dashnor Hoxha, Naïma Belayachi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 11/09/2020
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Ouali Amiri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dashnor Hoxha, Naïma Belayachi, Ouali Amiri, Sofiane Amziane, Anne Pantet, Frédéric Becquart, Toufik Kanit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sofiane Amziane, Anne Pantet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Chaux

Paille

Produits d'étanchéité

Constructions -- Réfection

Constructions -- Isolation thermique

Modèles mathématiques

Éco-matériaux

Mots clés libres

Biosourcés

Microstructure

Durabilité

Homogénéisation numérique

Isolation thermique

Enduit de protection

Bio-Based

Microstructure

Durability

Numerical homogenization

Thermal insulation

Protective coating

Résumé

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent sur la formulation, caractérisation et modélisation des propriétés physiques et mécaniques des matériaux biosourcés à base de granulats végétaux (paille céréalière) destinés à l’isolation thermique et la réhabilitation énergétique des bâtiments. Les objectifs des travaux de cette thèse, inscrite dans le cadre du projet PEPITE, sont l’optimisation des performances thermiques, mécaniques et hydriques des matériaux biosourcés développés dans le cadre des travaux antérieurs et le développement d’un enduit de protection pour une solution technique de réhabilitation thermique. L’optimisation de la formulation est obtenue en utilisant des adjuvants et d’autres déchets naturels biodégradables et renouvelables, afin de créer une porosité plus importante et de diminuer d’avantage la conductivité thermique des matériaux. En se basant sur les résultats de caractérisation expérimentale, trois formulations ont été retenues. Ces matériaux sont des milieux fortement hétérogènes avec un comportement assez complexe ; dont la compréhension et la prédiction font appel dans le cadre de ce travail aux méthodes d’homogénéisation numérique. L’effet de la microstructure réelle (morphologie, orientation des hétérogénéités) sur les propriétés effectives thermiques et le comportement mécanique non linéaire de ces matériaux a été mis en évidence également dans cette étude. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a confirmé la capacité prédictive et le potentiel de l’approche utilisée pour orienter la formulation des matériaux à partir de critères de performances thermiques. Une caractérisation fine des propriétés hydriques des formulations optimales (perméabilité à la vapeur d’eau, courbes de sorption-désorption, MBV) a été réalisée afin de comprendre la relation entre les propriétés de ces matériaux et la notion du confort hygro-thermique du bâtiment. D'excellentes propriétés hydriques ont été obtenues pour les trois bio-composites étudiés. Pour évaluer leurs performances à long terme, les matériaux ont été exposés à un vieillissement accéléré au laboratoire via des tests d’humidification-séchage et gel-dégel. Cette évaluation environnementale a mis en évidence une réduction significative des propriétés mécaniques après les cycles considérés. Enfin, un enduit de protection des matériaux biosourcés a été développé dans cette étude dans le but de proposer une solution complète de rénovation thermique. L’enduit au comportement optimisé proposé ici en combinant une approche expérimentale et numérique, a fait l’objet d’une caractérisation physique et mécanique afin de mesurer son impact sur les performances des biocomposites. Les caractéristiques, obtenues pour les formulations optimales proposées, répondent parfaitement aux exigences réglementaires relatives aux enduits d'isolation thermique.

The research work presented in this thesis focuses on the formulation, characterization and modeling of the physical and mechanical properties of bio-composite materials based on plant aggregates (cereal straw) for thermal insulation and energy rehabilitation of buildings. The objectives of this thesis, part of the PEPITE project, are the optimization of the thermal, mechanical and hydric performances of the bio-based materials developed within the framework of previous work and the development of a protective coating for a technical solution of thermal rehabilitation. The optimization of the formulation is obtained by using additives and other biodegradable and renewable natural waste, in order to create a higher porosity and to further decrease the thermal conductivity of the materials. Based on the results of experimental characterization, three formulations were selected. These materials are highly heterogeneous media with a rather complex behaviour and for which its understanding and prediction call for numerical homogenization methods in the framework of this work. The effect of the real microstructure (morphology, orientation of heterogeneities) on the effective thermal properties and the non-linear mechanical behavior of these materials was also highlighted in this study. The comparison of numerical and experimental results confirmed the predictive capacity and the potential of the approach used to guide the formulation of materials based on thermal performance criteria. A detailed characterization of the hydric properties of the optimal formulations (water vapor permeability, sorption-desorption curves, MBV) was carried out in order to understand the relationship between the properties of these materials and the notion of hygro-thermal comfort of the building. Excellent hydric properties were obtained for the three bio-composites studied. In order to evaluate their long-term performance, the materials were exposed to accelerated ageing in the laboratory through humidification-drying and freeze-thaw tests. This environmental assessment revealed a significant reduction in mechanical properties after the cycles considered. Finally, a protective coating for bio-based materials was developed in this study with the aim of proposing a complete thermal renovation solution. The coating with optimised behaviour proposed here by combining an experimental and numerical approach was the subject of a physical and mechanical characterization in order to measure its impact on the performance of biocomposites. The characteristics obtained for the optimal formulations proposed meet perfectly the regulatory requirements relating for thermal insulation coatings.