Influence des paramètres de fabrication sur les propriétés multi-physiques des bétons biosourcés

Influence of manufacturing parameters on the multi-physical properties of biosourced concretes

• Auteur / Autrice : Nils Frantz
• Direction : Patrick Perré
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pedro Augusto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Remond, Sandrine Marceau, Sofiane Amziane, Monika Woloszyn, Dang Mao Nguyen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Romain Remond, Sandrine Marceau

Mots clés

Mots clés libres

Béton de chanvre-chaux

Microstructure

Compression

Conductivité thermique

Isotherme de sorption

Lime-hemp concrete

Microstructure

Compression

Thermal conductivity

Sorption isotherm

Résumé

Les bétons biosourcés connaissent un regain d'intérêt considérable en raison des opportunités qu'ils offrent pour répondre aux enjeux de développement durable du secteur de la construction et du bâtiment. Ce travail de recherche a pour ambition de mieux cerner les relations structure - propriétés du béton chanvre-chaux afin de viser les meilleurs compromis pour une application comme paroi multifonctionnelle d'un bâtiment. Les matériaux ont été confectionnés en interne en suivant un plan d'expérience mis au point pour évaluer l'influence des principaux paramètres de fabrication sur les propriétés visées. Les paramètres retenus sont la taille des particules, le ratio liant/particule et la masse volumique. Ces masses volumiques cibles ont été obtenues en ajustant le niveau de compaction. Cette approche a permis, d'une part de rester dans le champ d'application des matériaux aux caractères isolant pour les bâtiments, et d'autre part de faciliter la comparaison entre les différentes formulations. L'analyse de la conductivité thermique directionnelle des bétons végétaux est présentée en premier lieu parmi les propriétés caractérisées majeures. La masse volumique seule ne permet pas de prédire cette propriété car la catégorie de particule et le rapport liant/particule ont un effet significatif. Nous avons proposé un nouveau modèle prédictif qui utilise la porosité du matériau comme variable explicative en plus de la masse volumique. La caractérisation de la résistance en compression a ensuite permis de présenter des résultats utiles pour la recherche de compromis, notamment en rupture avec les tendances communément admises. La configuration optimale consiste à solliciter le matériau dans la direction la moins utilisée (perpendiculaire à la direction du compactage), avec une large distribution de tailles de particules et une proportion réduite en liant par rapport aux pratiques actuelles (Liant/Particule = 1,5), compensée par un compactage plus intense pour atteindre la masse volumique appropriée (environ 500 kg.m-3). Enfin, les mesures d'isothermes de sorption effectuées sur les matières premières (particules végétales et liant) ainsi que sur un jeu de formulations judicieusement présélectionnées, ont permis de compléter ces analyses. Elles ont mis en évidence la possibilité de prédire le comportement hygroscopique des matériaux en fonction de leur composition en particules et liant. De plus, ces isothermes de sorption ont montré que les matériaux les plus chargés en liant et les moins poreux (les plus compactés) auraient nécessité plus d'eau lors de leur confection pour assurer des réactions d'hydratation complètes lors de la prise. Finalement, les résultats obtenus permettent d'envisager une exploitation du matériau comme mono-mur multifonctionnel à destination du bâtiment. La meilleure configuration retenue de l'analyse des propriétés mécaniques correspondrait alors à une direction du flux de chaleur capable de maximiser la résistance thermique tout en bénéficiant d'un bilan carbone amélioré (proportion réduite en liant).

There is growing interest in biosourced concretes because of the opportunities they offer to meet the challenges of sustainable development in the building sector. The aim of this research is to gain a better understanding of the structure-property relationships of lime-hemp concrete in order to achieve optimal compromises for applications such as multifunctional building walls. The materials were manufactured in-house according to Design of Experiment developed to assess the influence of key manufacturing parameters on the targeted properties. The selected parameters include particle size, binder/particle ratio, and density. Target densities were achieved by adjusting the compaction level. This approach allowed us to stay within the scope of materials with insulating characteristics for buildings and facilitated the comparison of the different formulations. First, the analysis of the directional thermal conductivity of bio-sourced concretes is presented among the main properties characterized. Density alone does not predict this property, as particle sizes and binder/particle ratio have a significant effect. We proposed a new predictive model that introduces the material porosity as an explanatory variable in addition to density. Subsequently, the characterization of the compressive strength provided useful results for the search for compromises, notably deviating from commonly accepted trends. The optimal configuration consists of loading the material in the unusual direction (perpendicular to the compaction direction), with a broad distribution of particle sizes and a reduced binder proportion compared to current practices (Binder/Particle = 1.5), compensated by more intense compaction to achieve the appropriate density (approximately 500 kg.m-3). Finally, sorption isotherm measurements performed on raw materials (particles and binder) as well as on a judiciously pre-selected set of formulations complemented these analyses. They highlighted the ability to predict the hygroscopic behavior of materials based on that of particle and binder. Furthermore, these sorption isotherms showed that materials with higher binder content and lower porosity (more compacted) would have required more water during fabrication to ensure complete hydration reactions during setting. In conclusion, the results obtained suggest the potential use of the material as a multifunctional vertical single-wall for buildings. The selected optimal configuration from the analysis of mechanical properties would then correspond to a heat flow direction able to maximize thermal resistance while benefiting from an improved carbon footprint (reduced binder proportion).