Développement de nouveaux bétons ”accumulateurs d’énergie”

L’efficacité énergétique dans les bâtiments

     D’ici 2050, la demande mondiale de l’énergie devrait doubler. Dans un même temps et afin de conserver l’environnement et lutter contre le réchauffement de la planète, il faut réduire de moitié les émissions de GES. Ainsi, l’efficacité énergétique est un critère clé dans la démarche globale de développement durable pour mieux maîtriser et rationaliser les besoins en matière d’énergie et pour satisfaire aux objectifs fixés. L’objectif de tout concept d’efficacité énergétique est la mise en place de solutions d’efficacité énergétique permettant de consommer moins et mieux tout en garantissant un bon niveau de confort thermique [11]. C’est pourquoi, il est nécessaire de sensibiliser les utilisateurs à leur consommation énergétique et de les impliquer activement dans la démarche de concrétisation de l’efficacité énergétique, en les incitant à revoir leurs pratiques et habitudes et à s’investir sans crainte dans l’utilisation des énergies renouvelables et des produits performants. L’efficacité énergétique globale des bâtiments peut se faire à deux niveaux : « active » et “passive”. En effet, l’efficacité énergétique dite « active » touche à la régulation, la gestion et la supervision de l’énergie et la gestion technique du bâtiment. A contrario, l’efficacité énergétique dite « passive » vise à diminuer les besoins énergétiques à travers l’amélioration de l’isolation de l’enveloppe de bâtiment et sa perméabilité à l’air, la ventilation et les équipements de chauffage [11]. La gestion de l’énergie « active » dans un bâtiment est indispensable pour réduire la consommation énergétique d’un bâtiment à travers l’utilisation d’équipements ayant un meilleur rendement énergétique, l’intégration des énergies renouvelables qui permettent d’apporter les besoins d’un bâtiment en énergie, le suivi et l’affichage de la consommation énergétique au sein du bâtiment dans le temps [11, 12]. Il existe plusieurs techniques de gestion énergétique « passive » dans le bâtiment telles que la protection solaire et thermique des bâtiments, la technique de régulation thermique, la technique de dissipation de chaleur et la technique de récupération de chaleur. L’enveloppe d’un bâtiment stocke généralement une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur. Sa capacité de stockage dépend des propriétés des matériaux constituants de cette enveloppe. Un bon choix de matériaux de construction permettra d’améliorer l’inertie thermique d’une paroi. Par ailleurs, l’un des facteurs permettant de réduire la consommation énergétique dans un bâtiment est l’utilisation de la lumière naturelle. L’orientation de ces façades ainsi que le confort thermique des occupants [11] ont une influence non-négligeable sur l’éclairage naturel. Cependant, il faut toujours l’optimiser. En effet, plus l’apport solaire est important, plus les besoins thermiques pour le chauffage et le risque d’un échauffement excessif l’été sont réduits plus il faut donc veiller à limiter ces apports solaires l’été. Ces défauts peuvent être compensés par l’isolation thermique hivernale et estivale. L’isolation thermique hivernale permet de réduire les déperditions thermiques et par conséquent améliorer les apports thermiques dans la pièce. Cela est assuré par le recours à une forme bien compacte des bâtiments, la construction à plusieurs niveaux et l’utilisation d’isolants thermiques ayant une faible conductivité thermique tels que la mousse rigide de polystyrène, le chanvre, la laine de mouton, la laine de verre, la fibre de bois, le polystyrène expansé, etc. Par ailleurs, l’isolation thermique estivale permet d’éviter l’échauffement excessif des locaux. La température des locaux dépend essentiellement de l’orientation des façades, des dimensions des surfaces vitrées, du type de vitrage et de la protection solaire. Une conception et un choix judicieux de ces paramètres contribuent à la réduction de l’énergie consommée afin de maintenir un niveau de température acceptable dans les locaux. En effet, le recours à des vitrages à isolation renforcée, dont la surface vitrée ne dépasse pas 30 % de la surface de la façade, permet d’améliorer significativement l’isolation estivale [12]. L’utilisation des isolants dans une construction est primordiale afin de maintenir un bon niveau confort thermique des occupants quelle que soit la saison. Cependant, leur utilisation abusive provoque parfois la sensation d’inconfort thermique. Les défauts des isolations ainsi que l’inertie thermique du bâtiment peuvent être corrigés par l’utilisation de nouveaux matériaux tels que les matériaux à changement de phase assurant un bon niveau de confort thermique l’hiver comme l’été [11, 12].

Propriétés thermiques des bétons-MCP

    Il existe plusieurs méthodes de mesure de la conductivité thermique et de la chaleur spécifique des bétons. Ces dernières peuvent être classées en deux grandes catégories : les méthodes en régime transitoire et les méthodes en régime stationnaire. Ces méthodes ont été développées, faisant appels à des développements de techniques expérimentales (fil chaud, hot Disk, etc.) et de modélisation (méthode des quadripôles, etc.) [93]. Cette étude utilise la technique du fil chaud-plan chaud du conductivimètre FP2C de Néotime pour la caractérisation des éprouvettes des bétons modifiés de forme prismatique 7x7x28cm3. Nous rappelons que la technique de DSC ne permet pas une mesure rigoureuse de la chaleur spécifique en raison de la taille des granulats qui serait incompatible avec la taille des creusets, ce qui pourrait nuire à la représentativité de l’échantillon et fausser ainsi le résultat de mesure. La mesure par fil chaud, bien qu’elle constitue une méthode « contournée » pour la mesure de la chaleur spécifique (car nécessite dans un premier temps la mesure de la conductivité thermique () et de l’effusivité thermique (e)) permet d’effectuer la mesure sur l’ensemble de l’éprouvette ce qui écarte le problème de non-représentativité.

Affaissement des bétons-NAT et des bétons-DAM

    Pour caractériser l’effet de l’ajout des MCP-NAT et des MCP-DAM sur les propriétés de béton, nous avons commencé tout d’abord par l’étude du béton à l’état frais. Les mesures de l’affaissement ont été réalisées par la méthode du cône d’Abrams sur des bétons fraichement préparés dès la fin du malaxage. Nous avons vérifié que le béton de référence a une consistance plastique (affaissement d’environ 6 cm). En outre, nous avons noté que la consistance plastique du béton évolue vers un état de consistance ferme avec l’ajout des MCP-NAT et des MCP-DAM comme le montre la figure 3.10. Les résultats obtenus montrent que l’affaissement de différents types de bétons étudiés (NAT et DAM) diminue avec l’ajout des MCP. Nous avons montré dans le chapitre 2 que les MCP présentent un coefficient important d’absorption d’eau quel que soit leur état physique NAT ou DAM. La chute d’affaissement par rapport au béton de référence sous-entend que le coefficient d’absorption réelle des MCP serait supérieur aux valeurs obtenues expérimentalement. Cette chute est beaucoup plus prononcée pour les bétons NAT que DAM ce qui laisse présager que les bétons DAM présentent moins d’air entraînée que dans le cas des bétons NAT (ce point sera discuté dans le paragraphe 3.3.4). Ce résultat laisse présager que les MCP-NAT entrainent des bulles d’air suffisamment petites pour ne pas être déformables.

Conclusions et perspectives

    Afin de garantir un confort thermique été comme hiver et de conserver les ressources naturelles, le recours à des matériaux innovants est primordial en particulier dans le cas d’utilisation des Matériaux à Changement de Phase (MCP). Bien que plusieurs études ont été menées afin d’étudier le comportement de ces matériaux, plusieurs verrous scientifiques et technologiques limitent leurs utilisation dans les matériaux de constructions notamment le béton. Ceci a donc motivé l’élaboration de ce projet de recherche par une étude expérimentale des MCP et des bétons-MCP reposant sur l’identification de leurs propriétés thermophysiques et mécaniques ainsi qu’une étude numérique reposant sur l’étude de transfert dans une paroi en béton-MCP. Une étude bibliographique a été présentée dans le premier chapitre portant sur l’efficacité énergétique dans les bâtiments, des généralités sur les MCP et en particulier les précédentes études sur les MCP ainsi que les retours d’expérience de quelques réalisations. L’état de l’art a souligné l’importance et la nécessité de ce travail de recherche qui a pour objectif de mieux appréhender le comportement thermique et mécanique des MCP et des bétons-MCP à court et à long terme. Le deuxième chapitre a été consacré à la présentation du programme expérimental pour caractériser les différentes propriétés physiques et thermiques des MCP utilisés dans cette thèse. En effet, plusieurs approches expérimentales tels que la DSC, le Laser Flash, l’ATG ont été utilisées. Ainsi, nous avons d’une part étudié l’effet des paramètres expérimentaux sur leurs propriétés thermiques et d’autre part, nous avons identifié l’effet de l’endommagement sur sa réponse thermique. Cette étude nous a permis de développer une nouvelle approche permettant de déterminer la chaleur spécifique des MCP tout en diminuant le temps expérimental nécessaire pour la mesure d’une telle propriété et d’identifier le bon couple masse/vitesse spécifique aux MCP étudiés. Ces matériaux à l’état naturel et à l’état endommagé ont été par la suite incorporés dans le béton. Un deuxième programme expérimental détaillé dans le troisième chapitre a été réalisé afin d’analyser l’influence d’incorporation et de l’endommagement des MCP dans le béton. Des essais mécaniques et thermiques à court et à long terme ont été menés. Ces essais ont montré une chute de la résistance à la compression du béton et une amélioration de la capacité de stockage de chaleur avec l’ajout des MCP avant et après application des cycles de vieillissement thermiques. Afin de chercher des solutions permettant de remédier à la chute de la résistance mécaniques des bétons-MCP, une étude de la chaleur d’hydratation des mortiers contenant des MCP par la méthode semi-adiabatique « Langavant » a été effectuée. Une nouvelle méthode de calcul de la chaleur d’hydratation en tenant compte la réponse thermique des MCP a été proposée. Les résultats obtenus ont démontré une chute de la chaleur dégagée par les mortiers MCP ainsi qu’un retard dans la cinétique d’hydratation avec l’ajout des MCP. Ceci pourrait être problématique pour le développement de la résistance mécanique de bétonMCP à 28 jours. En plus, la loi de Féret a été appliquée au cas des bétons-MCP afin d’évaluer qualitativement la chute de la résistance à la compression dû à l’ajout des MCP. Afin de mieux étudier le problème à l’échelle microscopique des observations au microscope électronique à balayage ont été également réalisés. Ces derniers ont montré la présence des plusieurs pores et vides de tailles différentes induit par l’addition des MCP dans le béton. Les deux programmes expérimentaux ont montré une dispersion non négligeable au niveau des résultats expérimentaux. Par ailleurs, plusieurs modèles d’homogénéisation ont été utilisés afin de prédire le comportement thermique des bétons-MCP mais en utilisant seulement les propriétés moyennées obtenus expérimentalement sans tenir en compte de la dispersion paramétrique éventuelle des propriétés thermiques. Une étude probabiliste paramétrique a donc été menée afin de définir les variables aléatoires du modèle et décrire leurs dispersions par des lois de probabilité rigoureusement construites selon le principe du maximum d’entropie. La méthode de Monte Carlo a été utilisée comme solveur stochastique du modèle probabiliste et sa convergence a été démontrée en termes de moyenne et d’écarttype. Cette étude a permis de définir une région de confiance de la chaleur spécifique des bétons-MCP dans laquelle se trouve la réponse déterministe donné par le modèle moyen. Enfin, l’étude de transfert thermique a été réalisée en utilisant le logiciel « Fluent ». Cette étude a montré une chute de la température de la paroi modifiée avec des MCP par rapport à la paroi de référence ainsi qu’un déphasage important sur l’apparition du pic de température dans ce type de paroi. Toutefois, des améliorations pourraient être apportées sur les simulations numériques en les comparant à des mesures expérimentales d’une paroi en vrai grandeur. Les résultats obtenus dans ce travail de recherche fournissent une base de données relative aux propriétés physiques, thermiques et mécaniques des MCP et des bétons-MCP. Cependant, plusieurs recherches peuvent être menées afin de poursuivre ce travail. Tout d’abord, les paramètres qui peuvent influencer la résistance mécanique des bétons-MCP ont été détectés. Un programme expérimental peut être mis au point afin d’étudier le degré d’influence de chaque paramètre sur cette propriété telles la variation de volume et l’air occlus. L’utilisation d’autres méthodes de caractérisation autres que celles utilisées au cours de ce travail pourrait être envisagée. En effet, le réseau poreau pourrait influencer la résistance mécanique des bétons.  les MCP dans le béton. L’apparition ou la disparition du composant dans le béton suite à l’ajout des MCP peut également influencer la résistance mécanique de béton. L’utilisation de la spectroscopie infrarouge permet d’apporter des réponses à cette question. Ce béton-MCP devront aussi présenter des performances en adéquation avec le béton classique c’est pourquoi il conviendrait d’optimiser sa formulation et d’étudier sa tenue au feu et son comportement au gel dégel. Pour mieux déterminer l’effet des bétons-MCP sur le confort thermique d’un bâtiment, il est nécessaire d’étudier numériquement et expérimentalement d’autres épaisseurs de parois, d’autres teneurs en MCP à incorporer dans le béton. On peut ainsi déterminer judicieusement la disposition (nombre, positions, etc) des parois en MCP dans le bâtiment. La construction d’une cellule test permettra de mieux appréhender l’apport réel de ces parois.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) et leur utilisation dans le secteur du bâtiment
1.1. Contexte
1.1.1. L’efficacité énergétique dans les bâtiments
1.1.2. Le stockage par chaleur sensible et par chaleur latente
1.2. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP)
1.2.1. Description
1.2.2. Procédés d’encapsulation
1.2.3. Les MCP organiques à base de paraffine
1.2.4. Les domaines d’application
1.2.5. Exemple des MCP commerciaux
1.3. Les MCP dans les matériaux de construction : applications et réalisations
1.3.1. Quelques réalisations et retour d’expériences
1.3.2. Problématiques et verrous scientifiques
1.3.3. Bilan et axes de recherche
1.4. Conclusions
Chapitre 2 : Identification des propriétés thermo-physiques des MCP, Description et Mise en place des protocoles d’essais
2.1. Matériaux et méthodes de mesure
2.1.1. Matériaux
2.1.2. Mesures physiques
2.1.2.1. Analyse granulométrique
2.1.2.2. Observations microscopiques
2.1.2.3. Mesure de la masse volumique absolue et apparente
2.1.2.4. Mesure du coefficient d’absorption
2.1.3. Mesures thermiques
2.1.3.1. Analyse thermogravimétrique (ATG) et mesure de perte de masse
2.1.3.2. Analyse thermique par DSC, étude paramétrique de la masse et la cinétique de chauffe
2.1.3.3. Mesure de la conductivité thermique
2.2. Résultats de mesures physiques
2.2.1. Caractéristiques morphologiques des MCP (Distribution granulométrique et microstructure)
2.2.2. Masse volumique et Coefficient d’absorption
2.3. Résultats de mesures thermiques
2.3.1. Propriétés thermodynamiques et calage paramétrique
2.3.2. Diffusivité et conductivité thermiques
2.3.3. Influence de l’endommagement des MCP sur leurs propriétés thermophysiques, étude comparative
2.4. Conclusions
Chapitre 3 : Identification des propriétés thermiques et mécaniques des bétons-MCP
3.1. Plan expérimental
3.1.1. Formulation des mortiers et des bétons étudiés
3.1.2. Essais de caractérisation des bétons étudiés
3.1.2.1. Mesure de l’affaissement (état NAT et DAM des MCP)
3.1.2.2. Méthode modifiée pour la mesure de la chaleur d’hydratation
3.1.2.3. Résistance à la compression
3.1.2.4. Propriétés thermiques des bétons-MCP
3.2 Etude de l’hydratation des mortiers-MCP
3.2.1 Effet des MCP sur la réaction d’hydratation
3.2.2 Effet de l’endommagement des MCP sur la réaction d’hydratation
3.3 Propriétés physiques et mécaniques des bétons-MCP
3.3.1 Microstructure des bétons-MCP
3.3.2 Affaissement des bétons-NAT et des bétons-DAM
3.3.3 Résistance mécanique : effet temps et microstructure
3.3.4 Prédiction par la loi de Féret de la résistance mécanique des bétons-MCP
3.4 Propriétés thermiques des bétons-MCP avant et après vieillissement
3.4.1 Cas du Béton-NAT
3.4.2 Cas du Béton-DAM
3.5 Conclusions
Chapitre 4 : Modélisation micro-macro de la conductivité thermique des bétons-MCP, approche stochastique et modélisation probabiliste paramétrique des incertitudes
4.1. Approche multi-échelle de la conductivité thermique
4.1.1. Démarche et modèles d’homogénéisation
4.1.2. Résultats et interprétations
4.1.3. Conclusions
4.2. Etude stochastique et probabiliste paramétrique des incertitudes
4.2.1. Notions des erreurs et des incertitudes de mesure
4.2.2. Construction du modèle probabiliste
4.2.3. Variables aléatoires et construction des lois de probabilités des champs stochastiques
4.2.4. Confrontation du modèle probabiliste au modèle moyen micro-macro
4.3. Conclusion
Chapitre 5 : Etude numérique par la Méthode des Volumes finis (MVF) d’une paroi en béton à changement de phase
5.1. Méthode des volumes finis
5.1.1. Description et mise en équations
5.1.2. Méthodes de résolution du problème de transfert avec changement de phase
5.2. Description du modèle numérique
5.2.1. Géométrie, Maillage et outil de résolution
5.2.2. Validation du modèle numérique et optimisation du maillage
5.3. Simulation numérique de la paroi en béton-MCP
5.3.1. Les cas d’étude
5.3.2. Résultats et interprétation
5.3.2.1. Condition dirichlet
5.3.2.2. Convection naturelle
5.3.2.3. Condition mixte
5.3.2.4. Conclusions
5.4. Influence de la distribution des MCP sur le transfert thermique
5.4.1. Cas d’étude
5.4.2. Résultats et interprétation
5.4.2.1. Convection naturelle
5.5. Conclusion
Conclusions et perspectives
Bibliographie

Télécharger le rapport complet