Panneaux en fibres de bambou / poudres pour la construction de bâtiments: élaboration et caractérisation hygrothermique

Panels from bamboo fibers/powders for building construction: elaboration and hygrothermal characterization

• Auteur / Autrice : Mao Nguyen dang
• Direction : Anne-Cécile Grillet, Monika Woloszyn
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance en 2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec .
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Patrick Glouannec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Cécile Grillet, Monika Woloszyn, My Hanh Diep thi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Bergeret, Giovanni Dotelli

Mots clés

Mots clés libres

Panneaux de bambou

Hygrothermique

Bâtiment

Conductivité thermique

Bamboo board

Hygrothermal

Building

Thermal conductivity

Résumé

Réduire la consommation d'énergie pour les bâtiments futurs en utilisant des matériaux d'isolation à base de matériaux biosourcés est l'un des intérêts de recherche d’actualité. Ce travail évalue les performances de nouveaux matériaux d'isolation thermique à partir de fibres / poudres de bambou et de colles à base de protéines et de lignosulfonate de sodium, avec addition d'adsorbants inorganiques tels que la sépiolite et l'attapulgite. Les matériaux peuvent être utilisés à l'intérieur des bâtiments comme matériaux pour contrôler l'humidité en raison de leur capacité tampon. Ainsi, ils peuvent contribuer à économiser la consommation d'énergie en réduisant l'utilisation des systèmes de chauffage / refroidissement. Tout d’abord, les conditions de mise en œuvre de ces matériaux sur une presse hydraulique ont été optimisées ainsi que les proportions des différents constituants. Ensuite, la microstructure des matériaux a été étudiée par porosimétrie mercure (MIP), microscopie électronique à balayage (SEM) et spectroscopie infrarouge (IR) afin de comprendre les interactions entre tous les composants et évaluer l'effet de la structure poreuse sur la performance hygrothermique des panneaux. Les propriétés hygriques de ces matériaux isolants innovants, tels que la cinétique de sorption de vapeur, les propriétés tampon, la perméabilité à la vapeur d'eau, les isothermes de sorption de vapeur et la conductivité thermique ont été analysées. Les valeurs de tampon d'humidité (MBV) des panneaux avec colle appartiennent à une catégorie ''excellente'' de 2,0 à 3,9 g / (m2% HR) par rapport à 1,7 g / (m2% HR) pour le panneau sans liant. L'absorption de vapeur et la capacité de désorption à différents niveaux d'humidité relative suivent la même tendance, c’est-à-dire des capacités plus élevées pour les panneaux avec colle. Les propriétés d'isolation thermique dépendent de la densité, de l'humidité relative et de la variation de la teneur en humidité. Les propriétés mécaniques des panneaux sont considérablement augmentées lorsque le lignosulfonate de sodium est ajouté à la colle protéique en raison des interactions chimiques entre les composants. Cependant, ces mêmes propriétés mécaniques ont tendance à diminuer lorsque des absobants minéraux sont ajoutés en raison du manque de cohésion dans les planches de bambou. L'indice de moisissure et les couples niveaux d'humidité/temps nécessaires à la croissance des moisissures sur les surfaces des panneaux sont également étudiés. La partie finale est une simulation numérique sur le logiciel Dymola via le langage Modelica. Un modèle numérique a été utilisé pour simuler les phénomènes observés dans les conditions expérimentales. Les comparaisons entre résultats numériques et expérimentaux dans des conditions contrôlées montrent une bonne corrélation pour la température et les propriétés hygriques des panneaux Mots-clés: panneaux de bambou, biomatériaux, isolation thermique, performance hygrothermique, matériaux hygroscopiques, transfert de chaleur et d'humidité.

Abstract Reducing energy consumption for future buildings by using bio-based insulation materials is one of the most attractive research interests actually. This work evaluates the performances of novel thermal insulation materials from bamboo fibers/powders and proteins based glues and sodium lignosulfonate, with addition of inorganic adsorbents such sepiolite and attapulgite. The materials can be applied inside buildings as humidity control materials due to their buffering moisture capacity. Thus, they can contribute to save energy consumption through reducing the use of heating/cooling systems when surrounding environment changes. The thermo-pressing conditions to manufacture these materials on a hydraulic press were optimized. Then, the microstructure of materials was studied by Mercury intrusion porosimetry (MIP), scanning electron microscopy (SEM) and infrared spectroscopy (IR) to understand the interactions between all the components and to evaluate the effect of porous structure on the hygrothermal performance of the boards. The hygric properties of these innovative insulation materials, such as vapor sorption kinetics, moisture buffering, water vapor permeability, vapor sorption isotherms and thermal conductivity were analyzed. The moisture buffer values of the boards with glue belong to an ''excellent'' category with a range from 2.0 to 3.9 g/(m2.%RH) compared to 1.7 g/(m2.%RH) for the bamboo board without binders. The vapor uptake and release capacity under different relative humidity levels follow the same tendency. The thermal insulation properties are dependent on the density, relative humidity and moisture content variation. Mechanical properties of boards are significantly increased when sodium lignosulfonate is added to proteins glue due to chemical interactions between components. However, they tend to decrease when absorbents contents increase due to the lack of cohesion in bamboo boards. Mold index and expected critical moisture levels for mold growth on the surfaces of insulation materials are also investigated. The final part is a numerical simulation on Dymola software through Modelica language. A numerical model was used to simulate the phenomena observed in experimental conditions. The comparisons between numerical and experimental results under controlled condition show a good correlation for temperature and hygric properties of the boards Keywords: Bamboo panels, biomaterials, thermal insulation, hygrothermal performance, hygroscopic materials, heat and moisture transfer.